乘用車備胎艙對路噪的影響和優化

黃靈河 羅穎 劉國彬 陳祝建 吳文棟

摘? 要：針對某SUV車型低頻路噪轟鳴聲問題，實車道路排查測試發現備胎艙與車內轟鳴聲存在強相關，并結合前期的仿真分析結果，識別出備胎艙是引起車內轟鳴聲主要原因。通過充分利用截面幾何力學特性指導結構優化，提高備胎艙剛度，使其模態頻率與問題頻率避頻，達到改善駕乘人員的乘坐舒適度。同時也為后續車型開發過程中提供借鑒，備胎艙結構設計開發，不僅要滿足承重的性能指標要求，還要兼顧NVH性能指標，特別是在共平臺車型開發過程中，此性能指標制定尤為重要，如果舒適性能指標制定合理，可以有效避免共用底盤件不同車型由于配置產生的其他NVH問題，也可以間接減少物理試驗的投入，降低開發成本。

關鍵詞：路噪；轟鳴聲；截面；測試

中圖分類號：U463.1；TB535? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2024）02-0099-05

Influence and Optimization of Passenger Car Spare Tire Compartment on Road Noise

HUANG Ling-he1， Luo Ying1， Chen Zhu-jian1， Liu Guo-bin1， Wu Wen-dong2

（1. Liuzhou Kaiyue Technology Co.Ltd.， Liuzou 545616， China; 2.Dongfeng Liuzhou Automobile Company Limited.， Liuzou 545005， China）

Abstract： Aiming at the problem of low-frequency road noise roar of a certain SUV model， it is found that there is a strong correlation between the spare tire compartment and the roar inside the vehicle through the road test of the real vehicle， and then the spare tire compartment is identified as the main cause of the roar inside the vehicle through simulation analysis. Then the structural optimization is guided by the geometric properties of the section to improve the stiffness of the spare tire cabin， avoid the modal frequency and the problem frequency， and improve the ride comfort of the drivers and passengers. NVH performance indicators should be taken into account in the configuration design of the spare tire compartment for the follow-up model development process. Especially in the development process of common platform models， this performance index is more important. Reasonable performance index formulation in the whole vehicle development process can effectively avoid other NVH problems caused by different models due to configuration， and can also indirectly reduce the investment in physical testing and reduce development costs.

Key Words： Road Noise; Booming Noise; Cross Section; Test

1? ? 前言

車身備胎艙是整車白車身的重要組成部分，也是下車體地板結構設計考慮的重要一部分，它不僅承受備胎與行李物品的重量，也會承受汽車行駛時底盤傳遞到它的振動。乘用車SUV車型備胎艙一般與車身后排乘員艙是相連的，如果備胎艙的結構設計不合理，將直接影響后排乘客的乘車感受，因此備胎艙結構設計不僅要考慮承重的問題，還要考慮避開產生振動噪聲相關的舒適性問題[1]。所以，SUV車型備胎艙結構設計，不僅需要滿足承重的剛強度指標外，還要兼顧滿足乘員舒適性指標要求，使其避免產生振動噪聲相關的問題。

備胎艙作為白車身平面鈑金覆蓋率比較大的部件之一，其屈服強度都比較低，而且備胎艙為深沖壓區。由平板的振動理論可知，平板的厚度增加，其抗彎曲能力會增加。但在實際工程當中，單一的增加厚度來達到某個性能指標不是最佳選擇，因為材料厚度的增加，不僅會增加開發投入成本，還增加整車的車身重量，會對整車動力性、經濟性產生直接影響。工程上對某個部件性能提升，首先要考慮的是在不增加成本的條件下作為首選方案，其次就是要滿足整車開發的各項性能指標。平臺化車型備胎艙設計要考慮不同配置性能指標問題，如果只考慮單一車型成本問題，由配置發生差異而引起的其他NVH性能問題，對企業來說也是增加成本投入的。

2? ? 問題概述

對某SUV乘用車進行整車NVH道路噪聲評價，汽車在粗糙路上行駛時，車內后排乘員位置有較強的低頻轟鳴聲，主觀無法接受，前排無明顯轟鳴聲，并且路面越粗糙、車速越快車內轟鳴聲越明顯。為了排查這一問題是否是動力總成引起，針對不同檔位不同工況和路面進行多次對比評價，當樣車在粗糙路面行駛時，無論帶檔勻速、帶檔滑行或者空檔滑行該問題一直存在，而在光滑路面行駛，車內轟鳴聲明顯減弱。從以上評價結果可判斷此問題與動力系統相關性較小，主要與路面激勵相關，可以初步判定轟鳴聲為路噪問題。

為了確定轟鳴聲具體頻率，通過數采前端采集樣車問題工況數據，從樣車客觀數據分析來看，粗糙路勻速50km/h工況，車內后排在43Hz、89Hz、101Hz多個頻率存在噪聲峰值，如圖1所示。其中43Hz峰值達到了52.7dB（A），通過試驗數據回放和結合實車主觀評測，確認后排轟鳴聲主要是由43Hz峰值引起，需要對其進行詳細排查和優化[2]。

3? ? 路面噪聲產生機理

整車路噪是指汽車行駛時，由于路面與輪胎摩擦變形產生的激勵，使輪胎結構特性引起的振動，經由懸架系統結構件和空氣介質的傳遞，最終作用于車身結構系統，引起的車內噪聲。路面噪聲根據傳遞路徑的不同，可分為結構傳遞和空氣傳遞兩種。在車內噪聲頻譜特征中，低頻主要成分為結構聲，高頻主要成分為空氣聲[3]。車內轟鳴聲的表現頻帶為20～200Hz，因此，結構貢獻所占比重較大，重點從結構傳遞路徑去排查問題。當汽車行駛時輪胎受到路面激勵作用，產生的振動通過輪胎傳遞到軸頭，再從軸頭分別通過懸架、副車架等部件傳遞到車身，最終引起車身鈑金件共振并作用于聲腔，產生的轟鳴聲。

由于整車開發過程中，輪廓尺寸開發初期已定，車內聲腔又由整車輪廓尺寸決定，因而車內聲腔模態也已經固定，很難再進一步優化。因而，在實際工程方案中，解決低頻路噪問題的主要途徑主要從三個方向去考慮：一是從激勵源上優化，降低振動源，例如使用靜音輪胎，降低激勵源振動；二是從傳遞路徑上優化，降低傳遞到車身的激勵力，例如優化懸架系統的襯套，提高襯套隔振效率，削減作用在車身上的激勵力；三是從響應端進行優化，提高響應部件結構剛度，降低板件自身振動響應和表面輻射噪聲，例如大鈑金件局部增加支撐梁提高板件剛度。

3.1? ?問題排查

結合實車測試和前期仿真結果，下列是低頻35～50Hz頻率子系統一階模態頻率，如表1所示，大部分是大鈑金覆蓋率高的系統。

為進一步確認哪個系統是引起車內轟鳴問題，對上述系統逐一排查。工程上大鈑金件的振動噪聲問題排查手段，主要通過增加質量或者貼阻尼片的方式快速開展排查。在對備胎艙系統進行初步排查發現發現，移除備胎或改變備胎艙承重時，實車主觀車內后排轟鳴聲有明顯變化，其他子系統在排查過程中，車內轟鳴聲均無明顯變化。

綜合各個系統客觀數據分析和主觀評測結果，確認備胎艙是引起車內后排轟鳴聲的主要原因。

3.2? ?優化和改進措施

3.2.1 模型校核

為優化備胎艙的結構，首先要對備胎艙CAE原狀態模型校核，保證仿真結果與實測結果誤差在5%內。裝車狀態備胎跟地板接觸的部分是輪胎胎皮區域，仿真模型接觸部分采用CBUSH單元模擬連接，備胎中心固定螺栓連使用剛性單元模擬，點焊連接使用rbe3+hex8單元模擬。

由仿真和測試結果可知，備胎艙仿真結果一階模態為44.6Hz，試驗測試結果為42.8Hz，仿真與試驗結果誤差為4.2%，誤差在5%以內滿足指標要求，驗證仿真模型的準確性?？梢允褂迷撃Ｐ蛯罄m進行結構優化并指導試驗方案。

從測試結果看，是備胎艙一階模態被激發引起的車內后排轟鳴聲，需要對其結構進行優化，在工程上通常大鈑金提高剛度最直接有效的方法是在大平板上沖壓筋[4]，或者增加加強件。從部件截面幾何結構的角度看，無論是沖壓筋條或者增加加強件，都是改變截面的幾何形狀。因此，充分了解幾何截面力學性能，就很好指導和優化部件的結構。

3.2.2 典型截面理論基礎

車身骨架是由很多不同形狀的梁構成，梁的結構性能很大程度上影響整車的性能。其梁的截面幾何性能直接影響梁的力學特性，進而也影響整車性能。因此，整車設計過程中，梁截面的幾何結構設計非常重要，用最少的材料，設計出性能優異的結構，是所有工程設計要考慮的問題。

在材料力學中，截面幾何屬性主要有形心、面積、軸慣性矩、極慣性矩、靜矩、慣性積、彈性和塑性截面模量等。其中的面積、慣性矩直接影響梁的力學性能。車身骨架梁截面屬于典型的薄壁梁結構截面，影響薄壁梁結構截面性能主要參數是截面的面積A和形心主慣性矩Ix（Iy）、扭轉常數It。

慣性矩定義：截面上所有點至坐標軸距離平方的和。它是一個幾何量，反映截面上的點相對于軸的分布情況。通常被描述為截面抵抗彎曲的特性，其單位為（m^4）。

由材料力學可知，梁受到外力作用時其變形有：

其中，M為梁受到的力矩，E為材料彈性模量，Iz為梁慣性矩。式中EI為梁的抗彎剛度， 其中E為定值，材料抗彎剛度主要是由慣性矩大小決定。

由圓形軸受到扭矩作用時，兩截面相對扭轉角有：

其中，M為軸受到的扭矩，L為作用軸的長度，G為材料剪切模量，Ip為軸慣性矩。式中GI為圓形桿的抗扭剛度， 其剪切模量G一定，材料抗扭剛度主要是極慣性矩大小決定。

由材料受力變形理論可知，部件抵抗彎曲或者扭轉的主要參數是慣性矩。為了對比不同形狀的截面性能參數，對相同材料尺寸圍成不同形狀截面參數對比，如表2所示：

其中：IX . IY慣性距； It扭轉常數。

通過結果對比可知，相同尺寸的材料，圍成不同形狀的幾何截面，開口截面，其扭轉常數很小，說明抗扭剛度小，封閉截面的扭轉常數變得非常大，其抗扭得到大幅提高，說明結構穩定性越好。所以在整車結構設計過程中重要骨架部分都采樣封閉梁形式。

3.2.3 備胎艙結構優化

要對部件進行優化，首先要確認所要評價的幾何截面。截面選取原則是，找出部件在安裝狀態下最薄弱的部位，評價的幾何截面必須要通過該部位。

該SUV車型備胎艙結構是倒“U”結構，要對其結構進行優化，首先確定備胎艙比較弱的部位，再對其進行優化。從備胎艙模態試驗測試結果看，備胎艙振幅最大的是備胎安裝中心點，也是結構的薄弱位置，且備胎安裝位置為圓形，選定通過備胎艙中心點的幾何截面作為評估備胎艙的結構性能。本案選取整車坐標X-Z平面（A-A）和Y-Z平面（B-B）作為優化基準，如圖3a所示：

對截面性能評估時，其截面各個部件要求相連，所以在獲取截面后要對截面進行必要連接處理，板件之間連接用點焊模擬，如圖3b：

從上述方案結果可知，在原狀態沒有加強梁的X-Z截面抗扭常數較低。方案一增加地板厚度X-Z截面抗扭常數相對原狀態有所提升，但提高幅度不明顯，且該板件增加厚度對成本投入較大，方案不予采納；

方案二增加橫梁厚度，X-Z截面抗扭常數也未得到大幅提高，方案不通過；方案三相當于改變截面長寬比，X-Z截面抗扭常數也未得到大幅提高，方案也不予采納；

方案四在增加縱梁，在X-Z幾何平面形成一個封閉的梁截面，抗扭常數得到大幅提高，且該方案在其它數模都鎖定的狀態下，該方案工程化方案最容易實施，方案予以采納；

綜合上述優化方案，截面抗扭常數不會因為板厚的增加或者增加起筋高度而大幅提高，只有在幾何截面有封閉形狀的情況下，抗扭常數才大幅提高。初定方案四作為工程化方案的驗證方案，首先要對方案進行CAE驗證，關注優化方案結果是否與車內聲腔或其它部件模態存在耦合，若存在模態耦合，會引起其它的振動噪聲問題。通過仿真分析，優化后備胎艙一階模態由44.6Hz提升至49.5Hz，且與其它車身系統模態未存在耦合現象，推薦在樣車進行手工方案驗證，如圖4a所示：

4? ? 樣車驗證

針對仿真方案的改善效果，在問題樣車上進行手工改制驗證，如圖4b所示。實車在備胎艙增加縱梁方案后，樣車以相同條件進行路試驗證，客觀數據采集的同時開展主觀評測，客觀測試數據結果顯示，車內后排乘員耳旁位置在43Hz噪聲峰值下降6.9dB（A），車內總聲壓級降低1.8dB（A），如圖5所示，客觀數據轟鳴聲有顯著改善；對車內進行主觀評測，車內轟鳴聲壓耳感改善明顯，評測可接受。

5? ? 結論

針對某SUV車型路噪車內轟鳴問題[5]，通過測試識別引起轟鳴聲是備胎艙，再利用幾何截面力學屬性，對結構進行優化，得出以下結論：

（1）備胎艙對車內噪聲影響主要表現為低頻壓耳的轟鳴聲，主要表現頻率范圍為35～45Hz；

（2）充分利用幾何截面力學屬性特征，對部件結構進行優化，零部件關鍵部位，建議采用封閉梁截面形式；

（3）備胎艙設計除了要滿足剛強度性能指標外，還要滿足駕乘人員的舒適性需求，在開發過程要兼顧兩者的性能指標，其舒適性指標要求一階模態與聲腔模態頻率解耦。

參考文獻：

[1]龐劍. 汽車車身噪聲與振動控制[M]. 北京：機械工業出版社，2015.1，156-159.

[2]劉東明，方健，趙敬義等.車身板件對車內噪聲的貢獻量分析[J].噪聲與振動控制，2011，4：48-51.

[3]余雄鷹，閔福江，文偉，等. 輪胎/路面噪聲的結構傳遞路徑分析.汽車工程，2013；35（11）：1030—1034.

[4]吳仕斌. 基于有限元汽車支架拓撲優化設計[D].吉林：吉林大學，2005.

[5]劉顯臣. 汽車NVH綜合技術[M]. 北京：機械工業出版社，2014．