三缸机传动系扭振引起的车内低频轰鸣声问题研究

2024年1月11日发(作者：兰博基尼sian)

技术导向三缸机传动系扭振引起的车内低频轰鸣声问题研究刁坤王伟东顾天弊（泛亚汽车技术中心有限公司，上海201208）【摘要】传动系统扭振引起的车内低频轰鸣声，一直是汽车NVH领域的难点和热点问题。针对某型三

缸机中型多用途汽车的中油门加速，在1

400

-

2

000r/min发动机转速时的车内低频轰鸣声问题,基于半消声室

转鼓试验研究，运用相关性分析方法，锁定了传动系扭振为该问题的激励源,并通过传递路径分析，识别了前风

挡玻璃与一阶空腔模态的受迫/耦合共振，是导致车内空气压力脉动升高并产生低频轰鸣声的主要原因。通过

车身传递路径的优化，降低了车内低频轰鸣声2-4dB（A）,显著提升了加速工况的车内声品质，为车内低频轰

鸣声问题的优化提供了指导。[Abstract]

The

low-freguency

roar

in

the

car

caused by

the

torsional

vibration

of

the

transmis-

sion

system

is

a

difficult

and

hot

issue

in

the

field

of

automotive

NVH.

Aiming

at

the

low-frequency

roar

of

a

three-cylinder

medium-sized

utility

vehicle

when

the

middle

throtde

is

accelerating

at

1

400

-

2

000

i/min

engine

speed,

based

on

the

semi-anechoic

chamber

drum

test

research,

the

correlation

a-

nalysis

method

is

used

to

find

out

that

the

drive

train

torsion

vibration

is

the

excitation

source

of

this

problem,

and

through

the

analysis

of

the

transmission

path,

the

forced/coupled

resonance

between

the

front

windshield

and

the

first-order

cavity

mode

is

identified,

which

is

the

main

reason

for

the

increase

in

air

pressure

pulsation

in

the

car

and

the

low-frequency

roar.

Through

the

optimization

of

the

vehicle

body

transmission

path,

the

low-frequency

roar

in

the

car

is

reduced

by

2-4

dB

(A)

,

and

the

interior

sound

quality

of

the

acceleration

condition

is

significantly

improved,

which

provides

guidance

for

the

optimization

of

the

low-frequency

roar

in

the

car.【关键词】三缸发动机传动系统扭转振动低频轰鸣声

模态耦合doi:

10.3969/j.

issn.

1007-4554.2021.04.06领域研究的热点和难点问题。与此同时,各大车

0引言随着全球汽车工业突飞猛进的发展，客户对

车内舒适性的要求日益提升,这使汽车的噪声、振

企都投入了大量的人力、物力和财力开发低油耗、

低排放和低成本的大扭矩、高功率和轻量化的小

排量三缸发动机以应对全球潜在的能源危机，这

也导致了传动系扭振引起的车内振动噪声问题越

动和声振粗糙度（NVH）问题越来越受到各车企的

重视⑴。其中，车内低频轰鸣声⑵（一般频率范围

来越突出。国内外的科研人员对传动系扭振的发生机理

和关键影响因素开展了大量的研究。传动系扭振

分布在20-200

Hz）会造成车内乘客非常不适的

耳压感，引起较大的抱怨，因此一直是汽车NVH

的发生机理,一般被认为是发动机输出扭矩的波

收稿日期:2020

-

07 -

08上海汽车2021.

04?27?

技术导向动或传动部件之间运行产生的冲击,导致传动系

受迫振动或与传动系扭转模态耦合，进而产生扭

振现象：3-4]o在测试手段方面，相较于早期的脉

冲式扭振传感器,Polytec公司开发的非接触式回

转式激光测振仪⑸，基于多普勒效应原理,无额外

的附加质量,使传动系扭振的测试精度和效率得

到了提升,应用也越来越广泛。国内外学者通过

大量的试验研究和仿真分析发现,发动机的输出

扭矩和转速，以及传动系转动惯量和扭转刚度对

传动系扭振幅值的影响显著⑹，通过增加双质量

飞轮⑺和扭振吸振器E9]可以显著降低扭振幅

值，提升车内声品质。以上研究大多着眼于通过

硬件手段从传动系统上降低激励,而鲜有研究通

过车身结构的优化来降低车内低频轰鸣声。因此，本文首先针对某型三缸机中型MPV,针

对其中油门加速，在1

400

-2

000

r/min发动机转

速时的车内低频轰鸣声问题，在半消声转鼓试验

室开展车内振动噪声客观测试。其次，通过相关性

分析，锁定了传动系扭振是引起车内低频轰鸣声问

题的激励源。通过传递路径分析发现，前风挡玻璃

的受迫振动，及与扭振激励的耦合共振，是引起车内

空气压力脉动升高，并分别在1

400

-

1

500

r/min、1

700

r/min和1

950

r/min发动机转速时引发车内

低频轰鸣声的主要原因。最后，通过车身传递路

径的优化，降低了车内低频轰鸣声2

-

4

dB

（

A

）,

显著提升了加速工况的车内声品质，为车内低频

轰鸣声问题的优化提供了指导。1车内低频轰鸣声试验1.1问题描述试验车辆为某型前置前驱中型MPV,其动力

总成为小排量涡轮增压三缸发动机（点火阶次为

1.5阶）和配置了液力变矩器（TC）的6挡自动变

速器。该车辆在中油门加速，即转速为1400

-2

000

r/min时，车内驾驶员右耳处发生显著的低

频轰鸣声，抱怨较大。考虑到三缸发动机的点火

间隔长,燃烧激励大,激励频率更低，进而导致传

动系扭振特性远差于四缸机。因此初步分析该车

内轰鸣声与传动系扭振相关。?28?1.2试验设置车内振动噪声测试试验选择在半消声室的声

学转鼓上开展，以排除路面激励和环境噪声的

干扰。扭振的测试采用德国Polytec

RLV-5500回转

式激光测振仪（非接触式）。主副驾座椅导轨、左

右转向节和动力总成左右悬置车身侧的振动加速

度的测量分别采用PCB-356A16

（常温）和PCB-

356A25

（高温）三向振动加速度传感器,车内噪声

的测试采用PCB-377A60随机场麦克风，数据采集

系统为LMS的44通道数据采集系统。传动系扭振的测点为差速器输出端，即半轴

靠近差速器侧的端部，如图1所示。三向振动加

速度信号的测点有6个:前排主副驾座椅导轨前

端外侧（2个）、左右两侧的转向节（2个）和动力

总成左右悬置车身侧（2个），如图2所示。车内

噪声信号的测点有1个，为驾驶员右耳处，如图3

所示。图1扭振幅值信号测点布置试验测试工况选取主观评估的主要抱怨工

况：5挡、30%中油门加速;发动机转速为1

400

-

2

000

r/min

°2车内轰鸣声产生机理2.1激励源识别图4是在驾驶员右耳处测得的车内噪声。通

过分析图4的测试结果,并结合主观评估发现，发动

机转速在1

400

-

2

000

r/min区间内，有1

400

-

1

600

r/min

转速区间和

1

700

r/minAl

950

r/min

附

近的两个噪声峰值，其中1400-1

600

r/min转速区上海汽车2021.

04

（a）座椅导轨（b）转向节图2振动信号测点布置图3噪声信号测点布置间，由于其1.5阶低频（三缸发动机的点火阶次为

1.

5阶）噪声幅值较高,且频率较低，耳压感最显

著，主观感受最差。差速器输出端半轴转速波动的均方根值可以

描述传动系的扭振特征，简称扭振幅值。图5为

传动系扭振幅值随发动机转速变化的曲线。由图

5可知：（1）由于三缸发动机的点火间隔长（三缸

机点火间隔角为240。,高于四缸机的180。），燃烧

激励大（相比同扭矩的四缸发动机，约大33%）,

激励频率更低（三缸机燃烧激励为1.

5阶，四缸机上海汽车2021.

04技术导向6

0

55(v

)m——--p、<5賢

0

M出

4

5▽X—整体噪声—1.5阶噪声401

400

1

500

1

600

1

700

1

8001

900

2

000发动机转速/(r/min)图4车内噪声（驾驶员右耳处）为2.

0阶），其传动系扭振特性远差于四缸机，特

别是在低于2

000

r/min的低转速区间；（2）当油

门开度恒定时，扭振幅值随着发动机转速的提高

而显著降低；（3

）在1

400

-

1

600

r/min发动机转

速区间，车内1.5阶噪声幅值和传动系扭振1.5阶

幅值的变化趋势高度一致，由此推断传动系扭振

是导致1

400

-

1

650

r/min区间车内低频轰鸣声

的主要激励源；（4）在1

700

r/min和1

950

r/min

附近的噪声峰值，推断是由于传动系扭振与车身

饭金、风挡和天窗等大板耦合共振,导致车内空气

压力脉动升高，进而产生了低频轰鸣声。这与文

献［6］的研究结论一致。0.5??(suuap&J)0.4r0.31赳???豊0.2堡?5轲01

400

1

500

1

600

1

700

1

8001

900

2

000发动机转速/(r/min)图5传动系扭振幅值（1.5阶）2.2传递路径识别虽然已锁定了传动系扭振这一激励源，但传

动系扭振的优化（主要包含传动系统硬件和标定

的更改），不仅更改周期长、成本高、难度大，且会

?29?

技术导向对油耗和排放产生影响。因此，亟需识别传递路

径上的关健子系统,通过对其结构的优化，降低

车身结构的声学灵敏度，进而改善车内低频轰

鸣声。首先，在车身上主要的大飯金和大板件（子系

统）上,包含前风挡玻璃（见图6）、后风挡玻璃、天

窗、车顶、前/后侧门和后尾门上布置三向加速度

传感器，对发生车内低频轰鸣声抱怨时的振动加

速度进行分析。通过排查发现，前风挡玻璃的振

动加速度幅值与车内低频轰鸣声的幅值具有较强

的相关性，如图7所示。由此推断,传动系的扭振

激励前风挡振动，使车内空气压力脉动升高,进而

产生低频轰鸣声。图6前风挡玻璃振动加速度传感器布置5552(vrap49、<賢

M46出

434000.05

0.1

0.15

0.2

0.25前风挡玻璃Z向振动加速度/（m/s2）图7前风挡振动加速度与车内噪声的关系其次，分别对前风挡玻璃的模态进行测试,

得到前风挡玻璃的模态频响曲线，如图8所示。

该MPV的前风挡玻璃在50

Hz内存在两阶模态:

第一阶是43

Hz,对应1.5阶点火阶次的发动机

转速为1

720

r/min；第二阶为49

Hz,对应1.

5阶

?30?点火阶次的发动机转速为1

960

r/mino这两阶

模态频率对应的1.5阶发动机转速与抱怨工况

的发动机转速（1

700

r/min和1

950

r/min附近）

—致。因此可推断，在1

700

r/min和1

950

r/min

附近的噪声峰值是由于前风挡玻璃模态与动力总

成的1.5阶激励频率耦合共振，进而产生了车内

低频轰鸣声。O.M

(迦旦」迪O.暮o.o

亦粤0.00

u3035

40

4550频率/Hz图8前风挡玻璃的模态频响曲线3车内低频轰鸣声优化为了降低抱怨工况时的前风挡玻璃振动幅

值，进而降低车内低频轰鸣声，常采用的方法为在

车顶前横梁位置安装质量块，或者与前风挡玻璃

约束模态频率一致的动力吸振器。由于动力吸振器的安装空间有限，成本较高,

且只能对系统的某一阶频率进行吸振。因此本文

针对在车顶前横梁位置安装质量块的方法进行试

验研究，车内噪声测试方案如图9所示。该图示

为安装方式,仅为了验证质量块对车内轰鸣声的

改善效果，实车设计会将该质量块安装在车顶前

横梁内部。由图10可知：（1）通过在车顶前横梁位置安

装质量块，在1

400

-2

000

r/min发动机转速区

间,噪声整体降低了

2-4dB（A）；（2）车内低频轰

鸣声的幅值随着质量块质量的增加而增加；（3）相

比1

400

-

1

600

r/min

转速区间和

1

700

r/min

附

近的噪声的降低幅值,1

950

r/min转速区间的噪

声改善不明显。对该MPV车型的一阶空腔模态上海汽车2021.

04

图9车顶前横梁质量块布置进行仿真分析发现，其一阶空腔模态频率为

50.4

Hz,如图11所示，较为接近1

950

r/min对应

的48.

75

Hzo因此推断，1

950

r/min附近的噪声

峰值可能是前风挡玻璃约束模态和一阶空腔模态

与传动系扭振激励频率耦合共振而共同作用的

结果O(V)HP、<1!国出---车内噪声一车顶前横梁加1

kg质量块5—■车内噪声-车顶前横梁加3

kg质量块1

400

1

500

1

600

1

700

1

800

1

900

2

000发动机转速/(r/min)图10车内低频轰鸣声优化图11第一阶空腔模态振型图(50.4

Hz)4结语本文首先针对某型三缸机中型MPV的中油

上海汽车2021.

04技术导向门加速，在1

400

-2

000

r/min发动机转速时发生

的车内低频轰鸣声问题，开展了试验研究和分析,

得出以下结论：(1)通过对传动系扭振和车内低频轰鸣声的

试验研究分析，锁定了传动系扭振是引起车内低

频轰鸣声问题的主要激励源；(2

)通过传递路径分析和相关性分析,确定了

前风挡玻璃和车内一阶空腔模态的振动是引起车

内空气压力脉动升高，进而产生车内低频轰鸣声

的根本原因；(3

)在车顶前横梁位置增加质量块，可以有效

降低前风挡玻璃的振动幅值，进而降低车内低频

轰鸣声2

-4

dB(

A)，显著提升车内声品质。本文为由扭振引起的车内NVH问题的激励

源和传递路径的识别方法以及传动系扭振发生机

理的研究奠定了基础，对车内低频轰鸣声问题的

优化提供了重要指导。参考文献[1]

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