（车辆工程专业论文）汽车动力总成悬置系统nvh性能分析及改进设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 动力总成悬置系统作为汽车的一个重要子系统，其振动传递特性对汽车 舒适性有很大影响。适当选择动力总成悬置系统的参数可降低汽车整车的振 动和噪声水平，改善其n v h ( n o i s e ，v i b r a t i o n & h a r s h n e s s ，声振舒适性) ， 同时还可以保证动力总成工作安全可靠，避免动力总成零部件及其附件的过 早损坏。 以改善整车n v h 为出发点，本文以动力总成悬置系统为研究对象，结合 具体车型对其进行声、振特性分析及优化改进设计。主要研究内容包括： ( 1 ) 整车n v h 性能摸底测试与诊断。以某国产乘用车为研究对象，通 过对该车整车n v h 性能摸底测试，得出了导致车内声振品质较差的主导因素 在于动力总成悬置系统的诊断结论，同时还建立了整车n v i - i 性能摸底测试与 诊断的一般技术流程。 ( 2 ) 动力总成悬置系统振动分析及改进设计。以对某国产乘用车动力总 成悬置系统的优化改进为背景，首先建立了相应的c a e 分析模型，并通过能 量解耦分析进行置信度检验；然后以四个悬置点处车架一侧支反力动态响应 的幅度之和为最小作为实施优化的目标函数，通过灵敏度分析确定了以六个 方向的刚度为设计变量，从而建立优化设计模型并得出优化结果。最后，对 多个工况进行了改进分析并加以权衡，进而提出对动力总成悬置系统实施工 程化改进的建议。 ( 3 ) 动力总成悬置系统声学分析及改进设计。将动力总成悬置系统看作 是附加于车身上的一个子结构( 子系统) ，根据车身乘坐室声振耦合的动态子 结构修改方法，揭示出车内噪声与动力总成悬置特性参数的直接定量关系。 为提高计算效率和降低对计算机软硬件环境的要求，引入响应面法得到定量 关系的响应面近似，进而建立动力总成悬置系统声学优化设计模型，所得优 化设计结果对于改善低转速下的车内声学品质，提高整车的n v h 性能具有直 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 接指导价值。同时也进一步验证了摸底测试与诊断的初步结论的正确性。 在上述研究过程中，获得一定的理论与技术创新，主要如下： ( 1 ) 建立了整车n v h 性能摸底测试与诊断的一般技术流程，为解决实 际工程问题提供有效的技术解决方案。 ( 2 ) 基于车身乘坐室声振耦合的动态子结构修改方法，将汽车动力总成 悬置系统视为附加于车身的子结构( 子系统) ，从而揭示出车内噪声与动力总 成悬置系统的特性参数之间的直接定量关系，为实现动力总成悬置系统的声 学优化设计奠定了基础。 ( 3 ) 为提高计算效率和降低对计算机软硬件环境的要求，引入响应面法 得到车内噪声与动力总成悬置系统特性参数定量关系的响应面近似，进而建 立动力总成悬置系统声学优化模型。 关键词：动力总成悬置系统；n v h ；仿真分析；优化设计；工程化改进 西南交通大学硕士研究生学位论文第m 页 a b s t r a c t t h ee n g i n em o u n t i n gs y s t e mi sa l li m p o r t a n ts u b s y s t e mo ft h ea u t o m o b i l e ，s o i t sc h a r a c t e r i s t i co ft r a n s m i t t i n gv i b r a t i o nh a sv e r yg r e a ti n f l u e n c eo na u t o m o b i l e c o m f o r t a b l e n e s s i fc h o o s i n gs u i t a b l ep a r a m e t e r so ft h ee n g i n em o u n t i n gs y s t e m ，i t c a nr e d u c et h ea u t o m o b i l e sv i b r a t i o na n dn o i s el e v e la n di m p r o v et h e a u t o m o b i l e sn v h a tt h es a m et i m e ，i tc a na l s og u a r a n t e es a f ea n dr e l i a b l ew h e n e n g i n ei sw o r k i n g , a n da v o i db e c o m i n gd a m a g et o oe a r l yo ft h ee n g i n ep a r ta n d a c c e s s o r i e s r e g a r d i n gi m p r o v i n gt h ea u t o m o b i l e sn v h a ss t a r tp o i n t , t h i st e x tp u t st h e e n g i n em o u n t i n gs y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c ta n da n a l y s e sc h a r a c t e r i s t i co fn o i s e a n dv i b r a t i o n a tt h ee n d , t h i st e x tg e t st h ep u r p o s et oo p t i m i z ea n di m p r o v e d e s i g n i n gt ot h ee n g i n em o u n t i n gs y s t e m t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t e s t i n ga n dd i a g n o s i n gt h ec a rn v hp e r f o r m a n c ep r e h m i n a r i l y t a k i n ga l o c a la u t oa st h er e s e a r c ho b j e o , t h ee n g i n em o u n t i n gs y s t e mi st h er e a lr e a s o n l e a d i n gt h es o u n d sq u a l i t y t ob cw o r s e ，a tt h es 锄ct i m e ，t h ec o m m o n t e c h n o l o g i c a lp r o c e d u r et ot e s ta n dd i a g n o s et h ec a rn v hp e r f o r m a n c ei ss e tu p ( 2 ) t h ev i b r a t i o na n a l y s i sa n di m p r o v e m e n td e s i g n i n gt ot h ee n g i n em o u n t i n g s y s t e m i tp u t so p t i m i z a t i o nt om o u n t i n gs y s t e mf o rt h eb a c k g r o u n d , s e t su p c o r r e s p o n d i n gc a ea n da n a l y z e dm o d e l sa tf i r s t , a n de x a m i n e st h ed e g r e eo f r e l i a n c et h r o u g he n e r g ys o l v e sc o u p l i n g t h e nt a k e st h em i n i m u mo ft h es u mo f a g a i n s tf o r c ea si m p l e m e n t i n gt h eg o a lf u n c t i o n ；t h r o u g ht h es e n s i t i v i t ya n a l y s i s ， c o n f i r m st h er i g i d i t yo fs i xd i r e c t i o n sa st h ev a r i a b l eo fd e s i g n i n g , t h u ss e tu p o p t i m i z a t i o nd e s i g nm o d e la n dd r a wt h er e s u l to fo p t i m i z i n g f i n a l l y , a n a l y s e sa 1 0 to fo p e r a t i n gm o d e sa n dw e i g h i n g , t h e ng e t so u to ft h ei m p l e m e n tt h ep r o j e c t i m p r o v e ds u g g e s t i o nt ot h ee n g i n em o u n t i n gs y s t e m ( 3 ) t h ea c o u s t i c sa n a l y s i sa n di m p r o v e m e n td e s i g n i n gt ot h ee n g i n em o u n t i n g s y s t e m r e g a r d i n gt h ee n g i n em o u n t i n gs y s t e ma s as u b s t r u c t u r e ( s u b s y s t e m ) a p p e n d e do i lt h ec a rb o d y , a ne x p l i c i tf o r m u l aa b o u tt h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i p 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 b e t w e e nt h es o u n dp r e s s u r eo fi n t e r i o rn o i s ea n ds o m eo ft h ee n g i n em o u n t i n g s y s t e mc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fav e h i c l e ，i sd e d u c e db a s e do nt h ed y n a m i c s u b s t r u c t u r em o d i f i c a t i o nm e t h o df o rs t r u c t u r e - a c o u s t i cc o u p l i n ga n a l y s i so fa n a u t o m o b i l e s p a s s e n g e rc o m p a r t m e n t i n o r d e rt o i m p r o v ec o m p u t a t i o n a l e f f i c i e n c ya n dr e d u c e t h e r e q u i s i t i o nf o r s o f th a r d w a r ee n v i r o n m e n to ft h e c o m p u t e r , i tg e t st h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o nb yu s i n gt h et e c h n o l o g yo fr e s p o n s e s u r f a c e t h e ns e t su pt h ea c o u s t i c so p t i m i z a t i o nd e s i g nm o d 吐t h er e s u l ti s v a l u a b l ef o ri m p r o v i n gt h ea u t o sn v h a tt h es a m et i m e ，i tv e r i f i e st h ee x a c t n e s s o ft h ep r e l i m i n a r yc o n c l u s i o nt e s t e da n dd i a g n o s e db yf u r t h e r i nt h ec o u r s eo fa b o v e - m e n t i o n e dr e s e a r c h , w eo b t a i n e dc e r t a i nt h e o r ya n d t e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o n , a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec o m m o nt e c h n o l o g i c a lp r o c e d u r ei ss e tu p t ot e s ta n dd i a g n o s et h ec a r n v hp e r f o r m a n c e i to f f e r st h ee f f e c t i v et e c h n o l o g i c a ls o l u t i o nf o rs o l v i n gt h e a c t u a lp r o j e c tp r o b l e m ( 2 ) a ne x p l i c i tf o r m u l aa b o u t t h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es o u n d p r e s s u r eo fi n t e r i o rn o i s ea n ds o m eo ft h ee n g i n em o u n t i n gs y s t e mc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r so fa v e h i c l ei sd e d u c e db a s e do nt h ed y n a m i cs u b s t r u c t u r em o d i f i c a t i o n m e t h o df o rs t r u c t u r e a c o u s t i cc o u p l i n ga n a l y s i so fa na u t o m o b i l e sp a s s e n g e r c o m p a r t m e n t i te s t a b l i s h e dt h ef o u n d a t i o nf o ra c o u s t i c so p t i m i z a t i o n d e s i g nt ot h e e n g i n em o u n t i n gs y s t e m 一 ( 3 ) i no r d e rt oi m p r o v ec o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c ya n dr e d u c et h er e q u i s i t i o n f o rs o f ta n dh a r d w a r ee n v i r o n m e n to ft h e c o m p u t e r , t h er e s p o n s e s u r f a c e t e c h n o l o g yi si n t r o d u c e dt og e tr e s p o n s es u r f a c ea p p r o x i m a t er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h es o u n dp r e s s u r eo fi n t e r i o rn o i s ea n ds o m eo ft h ee n g i n em o u n t i n gs y s t e m c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fav e h i c l e k e yw o r d s ：e n g i n em o u n t i n gs y s t e m ；n o i s e ，v i b r a t i o n h a r s h n e s s ； e m u l a t i o na n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n s ；p r o j e c ti m p r o v e m e n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密者在五年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：刁批 日期：。灿舅一彩一f r 指导老师签名： 丁镅孚 日期：2 户口苫一杉，r 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期硝年6 月归 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 汽车噪声、振动及因其而引发的车辆乘坐舒适性问题，即n v h ( n o i s e ， v i b r a t i o n & h a r s h n e s s ，声振舒适性) 问题，是衡量汽车制造质量的一个综合 性问题。它给汽车用户的感受最直接，越来越影响到产品的美誉度和市场占 有率，因此受到各大整车制造企业和零部件企业的普遍关【圳。当前，在竞争 激烈的国际汽车市场上，同档次车型在常规性能方面的综合“性价比越来 越接近且均已达到较高水平，而提高车辆n v h 性能则相应地成为新的技术竞 争焦点和发展方向之一。在此领域，有关发达国家给予了高度重视，积累了 较为丰富的理论与技术研究成果和解决问题的工程实践经验m 。然而，由于 问题的复杂性，该领域目前仍然存在着大量的理论和技术空白，其中有许多 是世界性的难题。即意味着较之于汽车技术的其他方向，在汽车n v i - i 领域中 目前尚未形成发达国家技术垄断的格局。国内汽车行业应当充分把握这一时 机，在跟踪、学习国外先进技术以形成“后发优势的同时，通过自主创新 力求在短期内取得某些方面的率先突破，从而带动汽车噪声控制技术的整体 跨越式发展。本课题即力争在此领域做出有益的贡献。 1 1 选题背景及意义 车辆n v h 性能是目前汽车产品的主要性能指标，是消费者在购买汽车时 必须考虑的因素之一嗍。而发动机动力总成悬置系统是汽车振动噪声研究的 一个重要子系统【9 1 0 l ，动力总成是通过悬置系统安装在汽车车架或车身上的， 悬置系统承受着动力总成的质量。动力总成悬置系是指动力总成( 包括发动 机、离合器、变速器等) 与车架或车身之间的弹性连接系统。在受各种干扰力， 如制动、加速等作用的情况下，悬置系统应能有效地限制动力总成最大位移， 以避免与相邻零部件碰撞。悬置系统还应具有良好的隔振作用，尽可能降低 动力总成和汽车车架或车身之间的双向振动传递【1 1 出j 。引起汽车振动的振源 主要有两个，一是汽车行驶时的路面随机激励；二是发动机工作时的振动激 励。一方面，随着道路条件的改善和汽车悬架系统设计的完善，路面随机激 励对汽车乘坐舒适性的影响得到了缓解；另一方面，现代汽车的设计强调轻 量化，采用了新型高强度轻质材料以图降低整车质量，而发动机的质量却难 以降低【1 6 】。这样，发动机的质量在整车质量中所占比重有所上升。然而发动 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 机却多采用平衡性较差的四缸四冲程发动机；轿车多采用整体式的薄壁结构 车身，这样的车身弹性增加，振动趋势上升，发动机对车身的振动激励相对 增加。以上诸多因素使得发动机振动激励成为轿车的主要振源，其输出转矩 的周期性波动和不平衡惯性力( 矩) 既激起动力总成本身的刚体振动和弹性 振动，又激起汽车动力传动系统的扭转振动、弯曲振动和整车的各种振动以 及这些振动引起车厢内空气共振产生的噪音，从而导致十分复杂的振动、噪 声及结构疲劳强度问题f 1 7 1 8 1 。由上可见动力总成悬置系统的振动隔离特性对汽 车的乘坐舒适性有着很重要的影响，性能良好的动力总成悬置系统不但可以 减少振动向车架底盘的传递，降低车内噪声，提高乘坐舒适性，而且还可以 更好地保护动力总成。 在此背景之下，车辆的v i i 性能正逐渐演变为重要的设计指标，也是用 户所关心的整车性能指标之一【1 9 创。汽车噪声振动控制水平必将成为决定车 型开发成功与否的不可或缺的重要影响因素之一，所以车辆的n v i - i 性能研究 自然成为汽车工程领域关注的热点。与此同时，动力总成悬置系统的n v h 性 能对整车n v i - i 性能的影响至关重要，一方面：设计一个良好的汽车动力总成 悬置系统不仅需要设计理想的悬置元件，而且需要对整个系统进行合理的参 数配置；另一方面，动力总成悬置系统与车身相连，可以作为外部载荷激励 直接影响车内乘坐舒适性，还可以看作是附加于车身上的一个子结构( 子系 统) 陋矧。这两方面都说明汽车动力总成悬置系统对车内噪声有着至关重要 的影响，因此可以通过合理确定动力总成悬置系统的特性参数以改善悬置系 统的n v i - i 性能，提高车内声学舒适性【1 0 l 。因此，本课题对发动机动力总成 悬置系统n v h 性能的研究不仅具有一定的理论意义，而且还有较强的工程实 用价值。 1 2 国内外研究现状 汽车诞生之初，动力总成被直接用螺栓刚性地连接在车架上，发动机产 生的振动和噪声就直接地传到车体由于这种刚性连接引起发动机缸体和支架 的损坏，于是开始使用皮革、布垫等柔性件来连接动力总成和车架【1 6 2 5 洲。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 一个良好的发动机悬置系统应当能充分的减小发动机振动，噪音，还能 延长零部件的使用寿命，因此发动机悬置直接影响到汽车的乘坐舒适性 2 7 - 3 2 1 。 目前国内外主要通过三种途径来减少汽车系统的振动。首先，合理设计发动 机悬置，使其自身的动态性能接近最佳状态；其次是应用振动理论对发动机 悬置系统进行优化设计；最后，考虑整车模型，联合动力总成悬置，驾驶室 悬置，汽车悬架等多个目标进行优化设计。 上世纪二十年代，人们开始利用橡胶的减振特性来降低发动机与车架之 间的振动传递1 3 3 , 3 5 。橡胶属于高分子材料，具有良好的弹性和天赋的内阻尼。 橡胶内阻尼产主的机理为：当外力作用于橡胶时，橡胶分子要克服分子之间 的内摩擦力，因此产生应变滞后于应力，从而把振动引起的机械能部分转化 成热能耗散到周围环境中。使用橡胶悬置元件来连接发动机与车架可以减小 发动机向车架的振动传递，隔断了振源传递路径，在一定程度上可以改善汽 车的乘坐舒适性。汽车发动机用的橡胶悬置一般是由上下两片金属骨架，中 间夹一层橡胶组成的。由于天然橡胶的抗张强度、拉裂强度等机械强度的耐 久性能好，常温下弹力下降小，且价格低廉，汽车发动机悬置主要使用这类 材料。金属骨架的设计是为了防止橡胶悬置产生过大的变形。通过改变橡胶 的形状设计，可以根据隔振要求设计橡胶悬置三个方向刚度之间，以满足系 统的性能。如果想不改变橡胶悬置某个方向的刚度而增加其它方向的刚度， 可以通过在橡胶中间装入钢板来实现。 早在1 9 3 9 年，i l l i f e 就提出了悬置系统设计的一些基本原则p q ，但是较 为熟悉的六自由度解耦理论和计算方法是在2 0 世纪5 0 年代由h o r i s o n 和 h o r o v i t z 完成的 3 7 , 3 8 1 ，他们将汽车动力总成和车架均视为刚体，将减振橡胶 块视为纯弹簧，利用动力总成惯性主轴特性和撞击中心理论阐述了如何调整 橡胶悬置的安装位置和悬置刚度，使动力总成的前后悬置的振动相互独立， 然后分别按单自由度线性振动系统处理。他们认为系统垂直方向固有频率和 绕曲轴方向的固有频率应小于发动机怠速时相应扰动频率的三分之，这样 可以获得较好的减振效果。这是较早出现的较成熟的悬置设计理论，对于后 人的深入研究有着积极的指导意义。同时，随着计算机技术的高速发展和更 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 有效的振动分析方法的应用，为悬置系统的设计和研究提供了十分有效的手 段，使悬置系统优化设计和仿真分析得以开展和研究1 - 4 2 。 国内学者对动力总成悬置及其n v h 特性的研究也颇为活跃。从1 9 8 3 年起， 清华大学徐石安等人就开始对悬置系统进行了研究【删，在优化问题上以悬 置处动反力幅值最小为目标函数，适当控制系统的固有频率，取得了较好的 效果。1 9 9 2 年，华南理工大学上官文斌等人从工程实用角度出发阗，给出了 动力总成悬置优化设计的办法，在扭矩轴坐标系中建立优化模型，以系统固 有频率为目标函数，充分考虑到系统解耦、撞击中心理论应用、一阶弯曲模 态节点选取等原则，并以此为约束进行优化计算，取得了良好的效果。2 0 0 3 年，浙江骆氏企业玉环塑胶机械厂与北京理工大学合作1 4 7 ，成功开发出第一 个拥有自主知识产权的汽车用液阻悬置总成，并对其n v h 特性作了一定的分 析，标志着我国悬置零部件设计、开发和制造水平上了一个新的台阶。 s a i t o h 和i g a r a s h i 对3 缸发动机固定无限自由度和车架上【1 例，才用 转轴直接优化方法，证明了3 缸发动机动力总成在车架上振动与发动机台架 试验差别较大。 吕振华等首次采用有限元的方法【3 l l ，对液压悬置进行了有限元分析，获 取了对液压悬置有限元建模的方法，为液压悬置的设计和优化提供了有效的 途径。另外，我校汽车工程研究所在车内低频声振耦合分析及汽车悬架系统 的声学优化设计研究方面也取得了一定的进展，例如：丁渭平教授对车内低 频噪声与悬架特性参数的定量关系进行了大量的研究嗍，其处理问题的思路 和方法对本课题研究具有直接的指导意义。 1 3 研究目标及实施步骤 本课题来源于工程实际，其研究成果也直接应用于工程实际。它以具体 车型n v h 改进设计为背景，通过综合运用声振测试、计算机仿真、优化设计 理论与技术，对其动力总成悬置系统进行动态分析、优化设计与工程化改进。 旨在提出一种可直接应用于工程设计领域的动力总成悬置系统n v h 性能匹 配改进的有效方法，同时成功解决车型开发中的实际技术难题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 基于以上研究目标，提出了本课题的实施步骤： ( 1 ) 针对具体车型开展n v h 摸底测试，以鉴别、确认动力总成悬置系 统对声振品质的影响程度； ( 2 ) 对动力总成悬置系统振动控制设计和优化改进的方法进行研究，运 用研究理论成果作用于工程实践，提出工程项目中动力总成悬置系统改进的 意见和建议。 ( 3 ) 对动力总成悬置系统实施声学分析和改进。同时，用声学优化和改 进的效果反推摸底测试初步结论的正确性。 1 4 研究内容及创新性 相应于上述实施步骤，本课题研究内容涉以下几方面： ( 1 ) 整车n v h 性能摸底测试与诊断。以某国产乘用车为研究对象，通 过对该车整车n v h 性能摸底测试，得出了导致车内声振品质较差的主导因素 在于动力总成悬置系统的诊断结论，同时还建立了整车n v h 性能摸底测试与 诊断的一般技术流程。 ( 2 ) 动力总成悬置系统振动分析及改进设计。以对某国产乘用车动力总 成悬置系统的优化改进为背景，首先建立了相应的c a e 分析模型，并通过能 量解耦分析进行置信度检验；然后以四个悬置点处车架一侧支反力动态响应 的幅度之和为最小作为实施优化的目标函数，通过灵敏度分析确定了以六个 方向的刚度为设计变量，从而建立优化设计模型并得出优化结果。最后，对 多个工况进行了改进分析并加以权衡，进而提出对动力总成悬置系统实施工 程化改进的建议。 ( 3 ) 动力总成悬置系统声学分析及改进设计。将动力总成悬置系统看作 是附加于车身上的一个子结构( 子系统) ，根据车身乘坐室声振耦合的动态子 结构修改方法，揭示出车内噪声与动力总成悬置特性参数的直接定量关系。 为提高计算效率和降低对计算机软硬件环境的要求，引入响应面法得到定量 关系的响应面近似，进而建立动力总成悬置系统声学优化设计模型，所得优 化设计结果对于改善低速下的车内声学品质，提高整车的n v h 性能具有直接 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 指导价值。同时也进一步验证了摸底测试与诊断的初步结论的正确性。 本课题的创新性点也是本课题拟要解决的关键问题在于： 在上述研究过程中，获得一定的理论与技术创新，主要如下： ( 1 ) 建立了整车n v h 性能摸底测试与诊断的一般技术流程，为解决实 际工程问题提供有效的技术解决方案。 ( 2 ) 基于车身乘坐室声振耦合的动态子结构修改方法，将汽车动力总成 悬置系统视为附加于车身的子结构( 子系统) ，从而揭示出车内噪声与动力总 成悬置系统的特性参数之间的直接定量关系，为实现动力总成悬置系统的声 学优化设计奠定了基础。 ( 3 ) 为提高计算效率和降低对计算机软硬件环境的要求，引入响应面法 得到车内噪声与动力总成悬置系统特性参数定量关系的响应面近似，进而建 立动力总成悬置系统声学优化模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章整车n v h 性能摸底测试与诊断 2 1 引言 整车n v h 性能可能受很多因素影响，振动和噪声可以是来自多方面的。 工程上解决整车n v h 性能问题时，很重要的一个环节就是对整车进行摸底测 试，通过一系列工程方法得出初步诊断结果。该环节必须引起高度重视，因 为一旦初步诊断出错，接下来的工作都会因此而变得毫无意义，大大降低工 作效率。 本章从解决一个工程实际问题出发，建立起整车n v h 性能摸底测试与分 析一般技术流程，运用传递路径分析方法找到可能出现问题的路径，再结合 比利时l m s 国际公司的数据采集和处理系统( s a 螂m o b i l e5 & t e s t l a b 8 o ) 对每条传递路径进行声振测试、分析，最后通过对比排除法得出了该工 程问题的初步诊断结论。 2 2 问题的提出 某国产乘用车在低转速，尤其是在1 5 0 0 r p m 左右时，车内有较大的噪声， 振动强烈，产生了共振现象，影响了整车的n v h 性能。 2 3 摸底测试 摸底测试的目的是考察测试结果是否和人的主观感受相吻合，尤其是在 1 5 0 0 转左右是否有明显的共振现象。在正驾驶、副驾驶座椅及后排座椅上人 的右耳处布置声传感器，在前排地板上正、副驾驶处及车身玻璃处安装振动 传感器，传感器布置如图2 - 1 所示。试验工况包括：驻车状态：半油门加速 ( i d l ep o t ) 、全油门加速( i d l ew o t ) 。行车状态：半油门加速( p o t ) 、全 油门加速( w o t ) 。在半油门加速( p 饥) 的工况下，测试结果如图2 - 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 e ) 副驾驶地板振动传感器 图2 - 1 摸底测试传感器布置 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 c a )前排正驾驶员右耳处噪声测试结果 ( b ) 前排副驾驶员右耳处噪声测试结果 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 舯 ( c ) 后排右噪声测试结果 ( d ) 正驾驶处地板振动测试结果 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ( e ) 副驾驶处地板振动测试结果 ( f ) 副驾驶玻璃窗处振动测试结果 图2 - 2 车内声振测试结果 由图2 - 2 可以看出，不论是噪声还是振动在1 4 0 0 - - - 1 5 0 0 r p m 之间都存在 一个最大值，并且与发动机的二阶次有关j 这与对该车的主观评价相符 在1 5 0 0 r p m 左右振动强烈。 对该车做频谱分析，结果如图2 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( a ) 车内噪声的频谱分析 ( b ) 车内振动的频谱分析 图2 - 3 车内声振频谱分析 从图2 3 ( a ) 上可以看出，在1 5 0 0 r p m 左右，不论是驾驶员侧、副驾驶 侧还是在后排座椅处，该车在5 0 h z 左右的幅值最大。 从图2 3 ( b ) 上可以看出，在1 5 0 0 r p m 左右，不论是地板还是玻璃，其 振动都在5 0 h z 处取得了最大值，也就是说5 0 h z 的频率最各处的振动影响最 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 大。 综上所述，该车在主观上感觉低转速时振动噪声较大的原因，是因为该 车在1 4 0 0 - 1 5 0 0 r p m 区间的噪声和振动都出现了峰值，并且与发动机的二阶 次关联最大。从频谱图上看出，5 0 h z 是对噪声和振动影响最大的频率，也处 在引起人主观感觉不舒适的主要频率带内( 2 0 f i z - 2 0 0 h z ) 。 2 4 传递路径分析 2 4 1 传递路径分析基本原理 汽车内部噪声和振动现象，往往是由多个激励，经由不同的传递路径抵 达目标位置后叠加而成的。当今汽车工业新产品研发过程中，为了进一步优 化整车n v h 性能，往往要综合考虑各个激励和传递路径的情况，传递路经分 析( 即t p a ：t r a n s f e rp a t ha n a l y s i s ) 就是一个行之有效的方法。通过传递路径分 析，确定各途径流入的激励能量在整个问题中所占的比例，找出传递途径上 对车内噪声起主导作用的环节，通过控制这些主要环节，如使声源的强度， 路径的声学灵敏度等参数在合理的范围里，以使车内噪声控制在预定的目标 值内【4 9 弓3 1 。 总体上可按结构声和空气声两种情况进行处理刚。在结构声情况下，激 励源和目标点分属于两个不同的系统，激励源一侧的结构称为主动方，目标 点- - 俣j j 的结构称为受动方，一般两者在分界处( 可称之为耦合点) 通过某种耦合 元件连接起来，具体可表现为发动机、底盘部件在车身上的支撑、铰连及橡 胶轴套等。比如，作为激励源的发动机为主动方，车身结构为受动方，其间 的支撑为耦合元件。而目标可以是某点的声压，也可以该点某一自由度上的 振动。在空气声的情况，路径上不存在耦合点，如果有n 个辐射声源，就形 成n 条传递路径。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 l 麓动机躺捧ii 革曼斑氩li 蠲贿耳整芦压，圳 l 气管进气券麓li 内饰，井雠1i 南盘x 方向耘动l 图2 - 4 传递路径分析模型 假设系统是线性时不变的，则车内目标点的声压或振动水平等于各激励 源以工作载荷激励时沿不同路径传播到车内的能量的叠加，如图2 - 4 所示。 吼的目的是研究能量在这些路径上的传播情况。 由以上分析和假设可知，来自不同路径的所有部分贡献构成了总响应， 和善跏 ( 2 - 1 ) l - ， iz l l 其中：只为乘员位置n 处的总声压：巳为传递途径f 在，方向对乘员位置n 总声压的部分贡献。 p 珈- h 。s 4 ( 2 2 ) 其中：日。为传递路径f 上j 方向到乘员位置h 的传递函数，结构_ 声学传递 函数或声学传递函数；5 。为传递路径i 上，方向上的实际激励。 由公式( 2 _ 2 ) 可知，进行传递路径分析的主要工作包括： ( 1 ) 工作载荷的获取。对于结构声，是各耦合点处每个自由度上的工作 力输入；对于空气声则是声源的体积速度，加速度。该项工作需要大量的试验 数据作为输入，是t p a 最繁重的部分，也直接决定分析结果的可信程度。 ( 2 ) 路径频响函数的获取。对于结构声，测量耦合点处每个自由度到响 应位置的频响函数，测量时受动方与主动方应在各耦合点处应解耦。对空气 声，测量且标点到声源的频响函数。 2 4 2 传递路径试验测试分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 就本项目而言，从结构方面看，其振动传递主要有两个途径：一是由路 面激励，经悬架系统作用在车身上：二是由发动机激励，经由发动机悬置或 排气管，作用于前副车架，再最终作用在车身上。针对这两条传递路径分别 布置相应的振动传感器，进行传递路径的分析。 首先对悬架系统进行分析。对悬架进行“过减速带的路面激励试验”，传 感器布置如图2 - 5 所示。试验工况与摸底测试一致。由于试验晟后结果相近， 所以此处只列出了前左( f l ) 和后左( r l ) 悬架的半油门加速( p o t ) 的分 析图。 b ) 前左悬架激励输入端传感器( c ) 前左悬架( f 【瑚t 励输出端传感器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 ( d ) 后左悬架( r l ) 激励输入端传感器( e ) 后左悬架( r l ) 激励输出端传感器 圈2 - 5 过减速带的路面激励试验 ( a ) 前左悬架( f l ) 振动频谱分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 ( b ) 后左悬架( r l ) 振动频谱分析 图2 - 6 半油门加速( p o t ) 悬架振动频谱分析 从图2 - 6 可以知道，前左悬架( f l ) 、后左悬架( r l ) 在a 5 0 0 i p m 的振 动频谱图，5 0 h z 左右的频率不是悬架的主要频率。 ( a ) 前左悬架受冲击后的振动频谱图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 b ) 后左悬架受冲击后的振动频谱图 图2 - 7 悬架受冲击后的振动频谱图 从2 - 7 可知，悬架受冲击后，无论是上悬架还是下悬架，都不存在5 0 h z 左右的峰值。 图2 - 8 悬架系统传递函数分析 对悬架系统的传递函数进行分析，如图2 - 8 所示。从图可以知道，该车 的悬架系统在低频的隔振效果比较好，无论是前悬架还是后悬架，在5 0 h z 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 左右的传递函数都明显的低于1 ，即悬架系统对5 0 h z 是起衰减作用的。 综上所述，悬架系统在1 5 0 0 r p m 时，5 0 h 量对应的振动幅值较小，并且整 个悬架系统对5 0 h z 起到衰减作用。故，初步判断5 0 h z 不是来源于悬架系统 的振动。 对发动机悬置及前副车架进行分析。该车有前、后、左、右四个悬置， 都是一般的橡胶悬置。首先对发动机悬置做隔振率分析，试验工况与摸底测 试工况一致。测点布置及测试信号如表2 一l 所示，传感器布置如图2 - 9 所示， 测试分析结果如图2 一1 0 所示。 表2 一l 悬置振动传递率试验传感器测点布置及铡试信号 序号测点位置测试信号备注 发动机前悬置，在发动机端和年槊端配对布置测 点并尽量靠近悬置胶套 发动机后悬置；在发动机端和车架端配对布置测基于搀车坐标 点并尽量靠近悬置胶套x y三轴方向的振磊标定每个测 发动机左悬置：在发动机端和车架端配对布置测 动加速度( 皿s 2 )a x 、= 点井尽量靠近悬簧胶套轴方向 发动机右悬置：在发动机端和车架端配对布置测 点并尽量靠近悬置胶套 发动机 转速( r 幽) a ) 前悬置传感器安装位置 ( b ) 后悬置传感器安装位置 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 ( c ) 左悬置传感器安装位置( d ) 右悬置传感器安装位置 图2 - 9 悬置隅振率测试传感器布置图 一 | 。r 器絮：萝 ， 回 一 一 一 一园。一 一a 一 一 而同f 一 1 2 m 呷 ( a ) 前恳置z 向振动传递率 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 ( b ) 后悬置x 向振动传递率 ( c ) 后悬置y 向振动传递率 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 ( d ) 后悬置z 向振动传递率 ( e ) 左悬置x 向振动传递率 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 一 ( f ) 左悬置z 向振动传递率 硼 ( g ) 右悬置z 向振动传递率 图21 0 悬置振动传递率分析 从图2 一1 0 分析可看出，所有悬置振动传递率都比较差，尤其在z 向，这 也是人体感受最明显的方向，同时1 5 0 0 r p m 左右最为明显。 对前副车架进行振动频谱以及传递函数( f r f ) 分析。测试工况与摸底测 试工况一致，分别在发动机气缸盖上、后悬置输出端即前副车架、驾驶员位 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 置、副驾驶位置、驾驶员玻璃窗以及后排座椅等地方布置振动传感器布置见 图2 一l l ，构成一个振动传递路径，测试结果如图21 2 所示。 图2 1 2 ( a ) 是车身各处在1 5 0 0 r p m 左右的振动频谱图。从图上可以看出， 发动机、前副车架、地板在5 0 h z 附近同时达到最大峰值，可以说地板在5 0 h z 的振动很可能是由于发动机激励前副车架引起的。对前副车架进行传递函数 分析，如图2 1 2 ( b ) 所示，在5 0 h z 附近的传递函数远大于1 ，接近2 9 ，这 说明整个前副车架系统对5 0 1 - 1 z 的振动有明显的放大作用。而5 0 1 -