摘要：為解決某電動汽車車速在4 0 ～6 0 k m／h 時車内存在明顯的“咚咚聲”和低頻壓耳感問題，進行整車主客觀試驗，發現是由背門一階模态被路面激勵導緻車内噪聲被放大。針對存在的問題進行背門模态試驗，識别出了背門模态參數。根據模态分析理論和動力吸振器原理，對問題進行确認，并設計了1 款動力吸振器。對比加裝動力吸振器前後車内噪聲及背門振動幅值的變化，結果表明：加裝動力吸振器後，同樣工況下3 7 Hz 附近共振帶明顯消失，前排噪聲峰值降低3 d B （A ），後排噪聲峰值降低5 .6 d B （A ），背門振動峰值降低0 .0 5 g ，主觀不适感消失。

關鍵詞：振動與波；電動汽車；低頻噪聲；模态分析；動力吸振器

随着新能源汽車的發展，汽車市場對純電動汽車的需求已不僅僅在于滿足續駛裡程及安全性等基本性能，對其品質感、舒适性的要求日漸提高，直接導緻各大車企對旗下産品N V H性能也愈發重視。雖然近年來汽車N V H控制技術得到了較快的發展，使得汽車舒适性得到了明顯提高。但純電動汽車動力總成由傳統燃油車的發動機轉變為電動機後，一方面電機産生的低頻振動噪聲對車内的貢獻已十分輕微，另一方面由于電動汽車沒有了發動機噪聲的掩蔽，路噪、胎噪等問題變得更為突出[1 ]。因此，路面激勵引起的車内低頻噪聲問題，在純電動汽車上顯得尤為重要。

本文以國内某新能源車企推出的5 座純電動S U V 為研究對象，針對其在中低速（4 0 ～6 0 k m／h ）行駛時車内存在的明顯“咚咚聲”和壓耳感問題進行分析與優化。通過在車内駕駛員右耳和後排座位中間安裝麥克風，利用頻譜分析和模态試驗方法，識别出問題原因為背門一階模态被路面激勵所緻。應用擴展定點理論設計了1 款動力吸振器，并對方案效果進行了驗證。

1 低頻壓耳問題産生機理

由于汽車車身主體結構是由鋼闆沖壓焊接而成，不僅具有自身結構的振動模态，而且在乘員艙封閉的空腔内車身振動擾動空氣也會産生許多的振動模态和聲腔模态[2 －3 ]。當車内空氣體積變化時，會與車身壁闆的結構振動在低頻範圍内産生很強的耦合作用[4 －5 ]。

當駕駛汽車在城市道路行駛時，中低速往往是使用最多的工況，此時路面激勵會通過輪胎懸架直接傳至車身[6 ]。若與車身闆件或車内聲腔模态産生耦合，此時車内噪聲将出現較高的峰值，給乘員的耳膜一種強烈壓迫的感覺，即壓耳感，其産生機理如圖1 所示。若長時間在此環境下，會使車内乘員産生疲勞和煩躁等不舒适感，極易導緻消費者對汽車品質的抱怨。

2 模态分析原理

多自由度系統的強迫振動可用如式（1 ）所示的振動微分方程描述：

式中：M、C 、K分别為系統的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；̈x 、x 、x 分别為系統的加速度響應、速度響應和位移響應；f 為外界激勵[7 ]。将式（1 ）進行拉普拉斯變換得：

式中：s ＝j ω為拉普拉斯算子；X（s ）、F （s ）分别為系統位移和激勵力的拉氏變換，式（2 ）變換為：

引入如下的模态矩陣和模态坐标：

将X（ω）＝ΦQ代入式（3 ），經過變換可得模态坐标系下系統第r 階的解耦方程：

式中：Mr 、C r 、Kr 為系統的模态參數，由式（6 ）可知，系統第r 階模态坐标的響應如下：

3 動力吸振器原理

動力吸振器是利用共振系統吸收主系統振動能量以減小主系統本體振動的一種裝置。其實質是在主振系統上（M1 ）附加一個質量彈簧子振動系統（M2 ），該附加系統在共振時可産生一個與主系統相位相差1 8 0 °的反作用力，從而将主系統某頻率下振動減小[8 ]。其動力學模型如圖2 所示，系統微分方程為[9 ]

式中：X1 、X2 分别為主系統和動力吸振器的位移；K1 、K2 分别為主系統和動力吸振器的剛度；C 為動力吸振器的阻尼；F （t ）為主系統的激勵力。

定義質量比μ＝M2 ／M1 、調諧比α＝ω2 ／ω1 、頻率比λ＝ω／ω1 、阻尼比ξ＝c ／（2 M2 ω2 ）、系統固有頻率ω1 ＝K1 ／M槡1 、ω2 ＝K2 ／M槡2 。

當主系統做諧和運動時，由式（8 ）可得出主系統位移X1 對應激勵力F （t ）的動力放大系數：

動力吸振器最佳調諧比

最優阻尼比：

将式（1 0 ）、（1 1 ）代入式（9 ）得：

由式（1 2 ）可知：質量比μ與放大系數A 成反比，μ越大，系統放大系數越小，即動力吸振器的減振效果越好。由μ＝M2 ／M1 可知，動力吸振器質量大小與主振系統振幅衰減量呈正相關。但考慮吸振器質量增加對整車輕量化、能耗等的影響及其制造成本的增加，通常将動力吸振器設計為主振系統質量的0 .1 ～0 .3 倍。

4 應用實例

4 .1 問題識别與分析

某純電動汽車在中低速行駛（4 0 ～6 0 k m／h ）時車内存在明顯的“咚咚聲”，且有較明顯的壓耳感，主觀評價給人感覺極不舒服，尤其是在粗糙路面上行駛時。根據“源—路徑—響應”的分析方法，對車内噪聲頻譜進行分析發現，問題頻率約為3 7 Hz ，如圖3 所示。參考本公司同平台其他車型，車身钣金件模态頻率在3 5 ～5 0 Hz 。進一步通過排查發現，分别對背門上鎖和解鎖2 種狀态下進行測試，解鎖背門後，噪聲峰值明顯降低，測試結果如圖4 所示。D R 表示駕駛員右耳處，R M表示後排中間位置左耳處。

由于本問題發生于純電動汽車上，無發動機激勵頻率的幹擾，且問題頻率在3 7 Hz 附近，屬于低頻範圍（＜5 0 Hz ）。由此猜測本問題的激勵源是車身上某闆件被路面－輪胎激勵所緻。通過調查整車模态規劃表發現，背門一階模态為3 8 .3 5 Hz ，與問題頻率接近，建議對背門進行實車約束狀态下的模态試驗驗證，背門一階模态結果如圖5 所示。

4 .2 背門模态測試及問題确認

試驗模态分析是指對結構上某點進行激勵，測得響應後得到其頻率響應特性，根據激勵不同又可分為脈沖激勵、階躍激勵、快速正弦掃描[1 1 ]。按約束狀态的不同可分為自由模态分析及約束模态分析。自由模态分析主要對物體自身的參數進行識别，用于評價其動力學性能；約束模态分析則考慮了物體實際工作時的約束狀态，表現的是物體工作狀态下的性能，更具參考價值。利用L MS T e s t .L a b 軟件對背門進行實車約束條件下的錘擊法模态試驗，得到背門模态參數，如表1 所示，一階模态振型如圖6 所示。由此可知，背門在約束狀态下一階模态頻率為3 8 Hz ，從而确認該問題是背門一階模态被路面激勵導緻背門振動被進一步放大後産生輻射噪聲引起車内壓耳。

由式（7 ）可知，要想使背門模态不被路面激勵起來，可通過調整背門剛度、阻尼和質量來對背門模态進行控制。此外，當上述方法均不能滿足要求時，還可以通過動力吸振器對背門模态進行調整。考慮到現階段調整背門剛度相對困難，根據上述思路及方案實施的難易程度，首先對背門增加質量和貼阻尼片方案進行了驗證。對背門内闆加2 k g 質量塊後驗證結果如圖7 ～9 所示，從圖可知：加質量塊後，前排噪聲無改善，後排噪聲峰值降低2 d B （A ），背門振動無改善。由于阻尼主要用于改善2 0 0 ～5 0 0 Hz 的中高頻噪聲，對低頻噪聲改善效果并不明顯[7 ]，故不考慮。

4 .3 動力吸振器設計

由上述分析可知：調整背門質量、剛度和阻尼均不能有效解決此問題。因此，考慮設計1 款動力吸振器來對背門模态進行控制。當主振系統問題頻率識别後，需要根據上述介紹的動力吸振器理論來設計其參數，從而減小主振系統的振動。在背門模态試驗中通過對背門各個響應點的頻響函數進行疊加，獲取背門的綜合頻響函數，利用L MS T e s t .L a b 軟件自帶的P o l y -ma x 對背門模态參數進行辨識[1 2 ]，背門等效質量為1 3 .6 9 k g 。由于擴展定點理論适用于主振系統不含阻尼或阻尼極小的情況下，而背門一階阻尼比僅為0 .0 3 6 6 ，故擴展定點理論适用于背門動力吸振器設計[1 3 ]。取動力吸振器質量比為0 .1 ，由M2 ＝μM1 得吸振器質量為1 .3 6 9 k g ，由一階模态頻率f 1 ＝3 8 .0 9 7 Hz 得ω1 ＝2 π×3 8 .0 9 7 r a d ／s ，由式（1 0 ）～（1 2 ）及質量比、調諧比α、頻率比λ、阻尼比ξ、系統固有頻率ω之間的關系可得動力吸振器的剛度約為7 8 3 6 2 N ／m，阻尼約為1 2 1 N ·s ／m。

為縮短問題驗證周期，節省整車開發時間，此處通過選擇一款現有的動力吸振器調整橡膠硬度、大小等進行快速驗證，其實物如圖1 0 所示。最終測試獲得動力吸振器的設計參數如表2 所示，實際參數與設計參數雖有一定誤差，但均在5 ％的可接受範圍内。

4 .4 方案驗證

動力吸振器設計好後，選擇背門闆結構一階模态變形最大的中間部位進行安裝，如圖1 1 所示。同樣在駕駛員右耳（D R ）和後排座位中間（R M）布置麥克風，在背門上布置3 向加速度傳感器，分别在試驗場光滑瀝青路和粗糙瀝青路進行試驗，試驗結果如圖1 2 ～1 4 所示（圖中結果為光滑瀝青路測試結果，粗糙瀝青路優化效果更明顯）。圖中紅色線為原狀态測試結果，綠色線為加裝動力吸振器測試結果。

由圖1 2 可以看出，加裝動力吸振器的方案相比于原狀态，在2 6 ～4 8 Hz 頻段範圍内，前排噪聲峰值降低3 d B （A ）。由圖1 3 可知，在3 7 Hz 附近，後排噪聲峰值降低5 .6 d B （A ），優化效果顯著。由圖1 4 可知，加吸振器後，3 7 Hz 附近共振帶明顯消失，背門振動峰值降低0 .0 5 g。

最後，通過對加裝動力吸振器的車輛進行主觀評價，上述“咚咚聲”和壓耳感現象基本消失，車内噪聲主觀上可接受，且其他車速段無新問題産生。由此可以确認該低頻壓耳感問題為路面激勵頻率與背門模态頻率耦合導緻。

5 結論

針對某純電動汽車4 0 ～6 0 k m／h 車内低頻壓耳問題，通過“源－路徑－響應點”查找問題并設計了背門動力吸振器進行快速驗證，使該車型N V H性能得到明顯改善。主要結論如下：

1 ）純電動汽車低頻壓耳問題主要由路面激勵，并通過輪胎／懸架系統傳遞，引起車内壓差變化或與聲腔模态耦合，導緻車内噪聲被放大，本文的研究對路面激勵引起的車内壓耳問題有參考意義。

2 ）車輛設計前期，做好整車模态規劃對後期N V H問題整改優化具有非常大的指導意義，可大大節省後期實車調校中分析解決問題的時間。

3 ）動力吸振器能有效降低背門共振，使背門模态與路面激勵解耦并降低背門振動響應，獲得由路面激勵引起的電動汽車車内低頻壓耳的優化方案，但後續還需對動力吸振器的結構與背門安裝位置進行匹配優化。

作者：李利明1 ，王恒1 ，申秀敏1 ，付江華2

作者單位：（1 .重慶金康賽力斯新能源汽車設計院有限公司，重慶4 0 1 1 3 5 ；2 .重慶理工大學車輛工程學院，重慶4 0 0 0 5 4

來源：重慶理工大學學報（自然科學）

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