10.16638/jki.1671-7988.2020.06.035
刘国彬1，曾宪宁1，陈祝健1，蒋雄猛2，陈方林1
（1.中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津300300；2.东风柳州汽车有限公司，广西柳州545000）
摘要：某1.5T SUV车型在开发过程中，发现在加速工况下，车内存在3000r/min、3600r/min的轰鸣声，严重影响主观感受。经过排查试验，确定问题原因为排气系统热端模态被激发，振动通过吊钩传递到车身，引起车身局部钣件共振，最终引起车内轰鸣声。利用CAE 分析制定优化方案并进行实车验证，经过验证，加速轰鸣声改善明显。关键词：排气系统；轰鸣；耦合共振；有限分析
中图分类号：TB535；U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2020)06-107-04
Study on the Effect of Exhaust Hot End Modal on Vehicle’s Booming
东风柳州汽车有限公司Liu Guobin1, Zeng Xianning1, Chen Zhujian1, Jiang Xiongmeng2, Che Fanlin1
( 1.CA TARC (Tianjin)Automotive Engineering Research Institute Co. Ltd, Tianjin 300300;
2.Dongfeng Liuzhou Motor Co. Ltd, Guangxi Liuzhou 545000 )
Abstract: During the development of a 1.5T SUV, it was found that the booming of 3000r/min and 3600r/min in acceleration condition seriously affected the subjective feeling. After investigating test, it was determined that the reason is that the hot end mode of exhaust system is stimulated to produce coupling. Vibration is transmitted to the body through the hook, causing resonance of sheet metal parts of the body, and finally causing booming. The optimization scheme was formulated by CAE analysis and verified by real vehicle. After verification, the booming noise was improved obviously.
Keywords: Exhaust system; Booming noise; Coupling resonant; Finite element analysis
CLC NO.: TB535; U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2020)06-107-04
引言
生活在现代社会的人们越来越离不开汽车，人们对汽车的各项性能指标要求越来越苛刻，NVH是评价汽车性能的重要指标之一。轰鸣是经常出现的噪声问题，普遍发生在怠速、匀速、加速工况。排气系统是引发车内轰鸣的常见系统之一，它一端连接发动机，一端通过吊耳与车身相连，而排气热端由于其结构
特性原因，模态较低，容易被发动机激励激发导致共振，振动会经过排气系统传递给车身，若传递给车身的振动过大时，会引起车身板件振动过大，从而在车内产生轰鸣。因此，排气系统NVH特性的好坏，对整车NVH水平影响很大。
针对排气系统，国内外工程师和学者做了大量的研究，李松波[1]针对排气系统振动控制的关键点和目标，对排气组件的设计原则做了详细介绍；何森东[2]等针对排气系统消声器内部结构进行了优化，解决了某MPV低转速的轰鸣声；Heiner[3]等人介绍了试验模态的三种边界，即自由模态、悬置约束模态、悬置和边界约束模态，也讨论了试验模态坐标系的选择。为深入了解增压发动机排气系统对整车NVH的影响，有必要对排气系统的结构噪声产生的原因、识别以及控制做研究分析。
作者简介：刘国彬（1989.10-），男，广西贵港人，大学本科，就职
于中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，主要研究方向：整车
NVH仿真分析、车辆动力学。
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汽车实用技术
108 1 排气系统结构噪声特性分析
涡轮增压发动机的增压机和排气热端常见的布置形式如图1所示。
图1 排气系统热端位置
排气系统的结构噪声主要分为：（1）排气系统热端振动发出的低频轰鸣声；（2）冷端的振动通过吊钩传递到车身而产生的振动噪声。
对于热端的低频轰鸣声一般是由于其模态偏低，导致耦合共振后发出的低频轰鸣声，一般可以通过增加支架或者吸振器来解决；而冷端引起的结构声，一般的解决思路是降低热端的振动、排气系统的整体模态规划、吊钩安装点动刚度的提高、吊耳的刚度的降低等等。
2 车内轰鸣声产生机理
车内声压P 可以按下述公式来计算：
（1）
ATF 为声腔传递函数；Area 为声固耦合的面积；VTF 为振动传递函数；F 为车身接附点受到的激励力。
图2 车内轰鸣声产生机理
在密闭情况下，汽车车内空气作为弹性体，会形成许多空腔模态。当车身受到外界激励时，车身某些钣金件的振动模态与声腔某些模态产生耦合作用后，空腔将会在车内产生很高的压力脉动，引起人耳不适，甚至产生恶心等现象[4]
。
从产生轰鸣声机理我们可以知道，车内产生轰鸣声的前提条件有：激励源、密闭的驾驶室、驾驶室的钣件和车内声腔模态发生声固耦合。优化的工作主要在激励源和钣件上着手，改变声腔模态和车身结构模态的分布、改变激励源如：驱动轴的固有特性、排气系统的模态、改变副车架结构、优
化悬架等。
3 问题描述及优化
3.1 问题描述
某1.5T SUV 车型加速工况下，驾评人员反映车内噪声过大。为快速响应，拟采用主观评价和客观测试同时进行，测试工况为3挡全油门，当发动机转速到达2200-3800rpm 时，车内乘员均主观感觉到有明显的轰鸣声，其中驾驶员右耳的3000rpm 、3600rpm 附近非常明显。对试验采集的数据进行分析，如图3，发现在问题转速下的轰鸣声，其主要是2阶噪声峰值。
图3 驾驶员右耳噪声
3.2 确认问题源头
对于搭载4冲程发动机的汽车来说，车内轰鸣声主要由2阶激励引起，发动机的点火频率计算公式为：
（2）
公式（2）中：f 为点火频率；n 为发动机转速；z 为发动机缸数。
针对转速3000rpm 、3600rpm （发动机点火2阶频率分别为：100Hz 、120Hz ），车内存在噪声问题，根据整车的传递路径分析，结合前期开发阶段的NVH 调教经验，问题可能来自于排气系统。
对排气系统进行相关排查试验后，以驾驶员右耳车内2阶噪声为例，图4是提取出左、右、后悬置和1号吊钩这四个路径各点振动的数据，转速为3000rpm 、3600rpm 时，1号吊钩主动侧2阶Z 向振动都比3个悬置主动侧X 项都要大得
多；如图5所示，分离断开排气侧1号吊钩后，驾驶员右耳2阶噪声在3000rpm 下降5dB(A)，3600rpm 出现峰值移频和下降情况，说明问题产生，与排气侧一号吊钩路径相关性较高。
图4 2阶主动侧振动数据对比
由于排气热端温度过高，不宜直接粘贴振动传感器，故采用断开传递路径方法排查问题。如图6所示，断开排气系
刘国彬 等：排气系统热端模态对车内轰鸣影响的研究
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统热端支架后，3000rpm 、3600rpm 的2阶峰值下降明显，分别下降13dB(A)和14dB(A)，说明了导致这两处轰鸣声的原因与排气系统热端强相关。
图5 断开排气侧1号吊钩驾驶员右耳2阶噪声对比
图6 断开排气系统热端支架驾驶员右耳2阶噪声对比
为进一步确认问题，在发动机冷机状态下，对排气热端布置传感器，进行原点FRF 试验，结果如图7所示，排气系统热端FRF 存在Z 向110Hz 和120Hz 附近的频响峰值，而问题转速的发动机点火二阶频率存在耦合共振风险。
图7 FRF 幅频特性图(左侧)和相频特性图(右侧)
至此，3000rpm 和3600rpm 的轰鸣声是由于热端模态被发动机激励激发，出现模态耦合，导致热端本体振动过大，然后通过排气1号吊钩这条传递至车身而引发轰鸣声。
图8 问题解析流程图
4.3 问题点优化
采用锤击法，进行排气热端模态试验，试验结果图9所示，得到排气系统热端一阶模态为175.3Hz 。
图9 热端模态试验结果
对排气热端进行约束模态分析，分析边界与上述试验边界一致，分析结果（图10）排气系统一阶模态为：177.5Hz 。
图10 CAE 分析结果
通过CAE 分析结果与试验结果比对，两者模态频率相近，模态振型基本一致，说明CAE 模型可信度高。发动机最高转速为：6000rpm ，所以主激励2阶的最高激励频率为：200Hz ，为了保守起见，优化目标是在此CAE 分析模型基础上，一阶模态要大于250Hz 。根据CAE 分析结果、总布置和工艺分析，将该支架增加一个分叉，与一级催化器连接，见图11和图12。
图11 热端支架优化示意图
图12 热端支架优化前后结构对比
分析结果如图13，优化后，该热端模态由原状态177.5Hz 提高到264.4Hz ，达到优化目标要求。
图13 热端支架优化结果
4.4 实车验证
优化方案施加后，通过实车试验的结果表明，驾驶员右
汽车实用技术
110 耳2阶噪声在3000rpm 、3600rpm 转速下，分别下降了3dB(A)和9dB(A)，后排中间2阶噪声在3000rpm 下降了6dB(A)，主观感受明显改善。
图14 优化前后驾驶员右耳2阶噪声对比曲线
优化后排气侧1号吊钩2阶振动在3000rpm 、3600rpm 转速下，有明显下降，车身侧1号吊钩2阶振动也
出现类似的改善效果。
图15 优化前后车身侧1号吊钩2阶振动对比曲线
5 总结
本文阐述了产生轰鸣声的机理，提出对车内轰鸣声的解
决方案，在此过程也得到了一些经验：
（1）对排气热端进行振动隔离，评估出排气热端振动对车内轰鸣的贡献，简单有效的锁定了问题根源，在工程上具有实际意义；
（2）利用实验和仿真的方法对排气系统热端进行模态求解，确定了问题模态，在通过仿真手段进行优化，加快了解决问题的效率；
（3）排气热端与增压机相连，构成末端带有大质量的悬臂结构，此类结构模态偏低，易在发动机转速区间内引发加速轰鸣声，所以前期开发时，应考虑通过增加支架来提高其模态，一阶模态最好大于250Hz 。
参考文献
[1] 李松波.车辆排气系统振动建模与动力学特性研究[D].上海：上海
交通大学,2008.
[2] 何森东，杨迪薪，李洪亮，等.某MPV 车型排气系统引起车内轰鸣声
研究[J].交通科学与工程.2017，第1期:61-65.
[3] Heiner Storck,Hartono Sumali,Ya Pu. Experimental modal analysis
of automotive exhaust structure.SEA.010-01-0662.
[4] 庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动：理论与应用[M].北京：北京理工
大学出版社,2006.309-314.
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