NVH厨房之五十八：四驱皮卡加速工况车内轰鸣问题排查与优化

一、问题描述

某搭载2.0T直列四缸柴油发动机，8AT变速箱，动力总成前置后驱，分时四驱皮卡车型，在四驱模式不同挡位全油门加速工况下，发动机转速在2150r/min附近车内出现主观上难以接受的轰鸣声，主驾更为明显，并伴随方向盘振动，严重影响驾乘体验。

针对该轰鸣问题，使用ATOM Analyzer软件对车内主驾右耳噪声、方向盘振动进行实车测试。测试工况：四驱模式3挡、4挡、5挡全油门加速，发动机转速采集范围：1200～4000rpm。同时通过CAN通讯获取发动机转速、扭矩、挡位、车速等相关参数。测点如图1所示：

由于测试数据较多，且各测试挡位出现轰鸣问题的发动机转速相同，文章仅使用四驱3挡全油门加速工况，主驾右耳噪声测试结果作为问题分析依据。具体结果如图2所示。由图2(a)可知，四驱三挡全油门加速工况下，车内主驾右耳总声压级在2150r/min时存在峰值达74.2dB(A)，对应的4阶阶次噪声在该转速范围内达73.9dB(A)，说明该轰鸣问题主要为4阶次阶次噪声贡献。由图2(b)车内噪声云图可知，存在143Hz共振带，说明该4阶轰鸣问题中心频率为143Hz。

(a)主驾右耳总声压级与阶次声压级      (b)主驾右耳噪声云图   

图2 原车车内噪声测试结果

二、问题分析与研究

●轰鸣声机理分析

车内轰鸣声按传递路径分为结构声和空气声，其表达式为^[7]：

P(ω)= P_SB(ω)+P_AB(ω)    (1)

式中：P_SB(ω)为通过结构路径传递的轰鸣声总和；P_AB(ω)为通过空气路径传递的轰鸣声总和。

燃油汽车加速过程中产生的轰鸣声本质上都来源于动力总成系统及相关附件。结构路径是指发动机产生激励经由悬置系统、传动系统、悬架系统、进气系统安装点、排气系统挂钩等传至车身，此过程中相关系统部件存在共振，致使车身振动增强^[3]。封闭的车身空腔作为弹性体会具有许多振动模态及声腔模态。当车身激励与空腔模态耦合，车内响应增强产生轰鸣声^[6]。空气路径则主要为发动机辐射噪声、进气系统辐射噪声、排气系统辐射噪声透过车身钣金过孔、及声学包材料传至车内。发动机气缸、进气系统、排气系统本质上都可简化为声学结构元件，当噪声频率与结构元件某一阶声学固有频率共振，导致噪声能量加强产生轰鸣声，并通过空气路径传入车内。    

• ●路径排查

路径排查需将所有可能导致车内轰鸣声的结构路径、空气路径因素考虑在内，如图3所示。

图3 轰鸣声传递路径  

由前文可知，该皮卡车型车内产生轰鸣声伴随方向盘振动，基本可排除空气路径传递，即由发动机、进排气系统辐射噪声产生的轰鸣。因此下一步主要针对结构路径进行排查。

图4 分时四驱动力传动路线

对结构路径排查，首先分析是否为传动系扭振导致轰鸣问题。该皮卡车型发生轰鸣问题的转速均为2150r/min，不随挡位发生变化，且主要为4阶贡献，基本排除传动系扭振诱发该问题产生，激励源应为发动机。同时，该车型两驱模式全油门加速工况2150r/min轰鸣声不明显，对比分时四驱系统动力传动路线，如图4所示。四驱模式（绿色虚线所示），发动机产生的动力经液力变矩器、变速箱传递到分动箱处进行动力分配，一部分经后传动轴、后桥传递到后驱动轮，另一部分经前传动轴、前桥传递到前驱动轮。与四驱模式不同，两驱模式（红色实线所示）下，分动器处动力输出仅向后驱动轮处传递，前轮处于随动状态。前桥仅在四驱模式下参与动力输出，因此，初步判定该问题主要与前桥总成相关。

●问题点确认

如图5所示，使用锤击法对前桥总成进行模态测试，按模态测试相关规则布置加速度传感器，布点包括前桥壳体、驱动半轴、前桥支臂以及前传动轴，获得模态振型。

图5前桥总成模态测点

前桥模态振型如图6所示，绕Z轴转动模态为137.6Hz，绕Y轴转动模态为136Hz，两阶模态均与140Hz问题频率高度相近，初步判定车内轰鸣声是由于前桥总成两阶模态耦合并在发动机2150r/min转速激励下共振，导致车身板件振动增强与空腔模态耦合，引发车内轰鸣。

(a)绕Z轴转动模态  (b)绕Y轴转动模态    

图6 前桥总成模态振型

对于系统模态共振，通常采用调频、调幅两种扰动方案^[8]，调幅通常在零部件振动位移最大处安装与问题频率相近的动力吸振器或者，起降低振动幅值的作用，也可通过提升衬套隔振能力、安装点动刚度抑制车身侧振动，调频通常进行零部件质量或刚度扰动，进而与问题频率形成避频。

对该皮卡车型前桥总成模态扰动，需使用体积、重量较大的动力吸振器或质量块，囿于该车型前桥系统的布置空间狭小，方案难以实施。因此，通过降低前桥支臂衬套刚度对前桥总成模态进行扰动，实现问题频率避频。

●控制方案验证

根据前文模态测试结果，采用降低前桥总成模态方案实现避频。通过对前桥支臂衬套结构分析，发现由于结构设计不合理，衬套上、下限位盖板橡胶件处于压紧状态，难以起到良好的隔振作用，如图7(a)所示。具体方案为更换低刚度衬套支臂并取消上、下限位盖板，避频同时提升隔振效果。

(a) 衬套盖板压紧状态   (b) 取消上、下限位盖板  

图7 前桥支臂衬套  

分析该状态下前桥总成模态，使用前桥壳体Z向频响函数为分析依据，测试结果如图8所示，更换低刚度衬套支臂并取消上、下限位盖板后，前桥壳体136.3Hz问题频率转移到85.4Hz，且频响幅值下降，初步验证该方案有效性。

图8 前桥壳体频响测试   

进行与初始状态相同工况下的道路测试，测试结果如图9所示，由图9(a)可知，更换低刚度衬套支臂并取消上、下限位盖板相较原状态2150r/min处总声压级、4阶阶次声压级均降低明显，总声压级降低约9dB(A)，4阶阶次声压级降低约12dB(A)，详细结果见表1，由图9(b)可知143Hz共振带减弱明显，主观评价车内无轰鸣声，无压耳不适感，效果达到预期。

表1 声压级对比表

图9 扰动方案车内噪声测试结果对比

本文以某皮卡车型四驱模式全油门加速工况车内轰鸣问题展开相关研究，得出以下结论：

(1) 经路径排查结合系统模态参数识别确认该问题是由于前桥总成绕Z轴刚体模态137.6Hz与绕Y轴刚体模态136Hz耦合在发动机2150r/min转速激励下产生共振导致。

(2) 更换低刚度支臂衬套样件并取消衬套上、下限位盖板，扰动前桥总成模态实现问题点避频，同时提升隔振性能，有效解决加速车内轰鸣问题。

(3) 从工程化可行性考虑，建议使用低刚度衬套样件并增加衬管长度。

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