自行式C型旅居车的NVH性能分析与优化.pdf

第 6卷第 4期2023年 8月Vol.6 No.4Aug.2023汽 车 与 新 动 力AUTOMOBILE AND NEW POWERTRAIN自行式 C型旅居车的 NVH性能分析与优化刘影（上海汽车集团股份有限公司 商用车技术中心，上海 200438）摘要：针对某自行式 C 型旅居车的噪声-振动-声振粗糙度（NVH）性能分析与优化开展相关研究。结合旅居车功能属性和客户使用场景，定义了 10个旅居车主要声源评估工况矩阵，识别出空调噪声最易引起客户不满。按区域使用功能特点和环境质量要求，制定了旅居车内部噪声控制评价指标，即昼间噪声（A 声压级）55 dB，夜间噪声（A 声压级）45 dB。基于NVH 测试手段，采用声源特性分析、传递路径分析和因果图分析方法，提出了 5种旅居车空调噪声优化方案，其中加强空调外机支架强度方案可将空调噪声从 48.3 dB降低到 45.5 dB，噪声优化的效果最显著。关键词：旅居车；自行式 C型；空调噪声0前言旅居车简称为“房车”，是一种装备有睡具（可由桌椅转换而来）及其他必要的生活设施、用于旅行 宿 营 的 汽 车，主 要 分 为 自 行 式 和 拖 挂 式 两 大类1-2。自行式房车自身具备驱动力，又可分为自行式 A 型、自行式 B 型和自行式 C 型房车；其中，自行式 C 型房车是目前国内房车市场最受欢迎的房车类型。近年来随着国民收入水平不断提高，人们的生活方式和消费结构呈现出多元化发展，在物质和时间上更自由的 50后和 60后人群的生活观念悄然发生着变化，越来越多的老年人选择房车出行方式。80 后和 90 后也逐渐成为消费主力军，年轻消费者试图释放新的消费需求。据统计，截止到 2021 年12 月，国内房车保有量约 28.8 万辆3，中国的房车市场相较于欧洲和美国虽然起步较晚，但是发展潜力非常大。在国家相关部门和行业的努力下，中国的房车行业标准体系也在逐渐完善；为了促进房车行业快速健康发展，国家及地方政府也在不断加快提高行业标准的步伐。房车的使用场景与普通商务车的使用场景有着显著的差异，由于房车内部有空调、暖风、水泵等装置，尤其是在夜间睡眠场景下，如果噪声控制不当，极易引起客户不满，短期的噪声会影响睡眠，长期的噪声甚至会影响身心健康。因此，房车的噪声-振动-声振粗糙度（NVH）性能是房车客户最关注的性能之一。国内外学者在房车 NVH 领域开展的研究极少，可以借鉴的经验有限。因此，本文以某自行式 C 型房车为例，综合运用汽车噪声控制、环境声学等基本原理，以房车客户实际使用场景为立足点，运用 NVH 测试技术，开展房车 NVH 性能研究，填补了房车 NVH性能领域研究的空白。1房车主噪声源构成为了能满足客户在出行中的衣食住行等要求，自行式 C 型房车通常都会设置起居室、厨房、盥洗室、卧室等空间，同时车内会配备冷暖系统、整车水循环系统、通风循环系统和家电系统（包括洗衣机、微波炉、油烟机、冰箱等）。在满足客户对房车多种功能需求的情况下，各系统独立运转或同时工作时必然会产生很多复杂的噪声，进而会引起客户对房车内部噪声的不满。因此，对房车内部各个系统作者简介：刘影（1984），女，硕士，工程师，主要研究方向为车辆工程、振动噪声技术。噪声振动第 4期刘影：自行式 C型旅居车的 NVH性能分析与优化进行噪声源识别、噪声测试、噪声评价和噪声优化是十分有必要的。本研究自行式 C 型房车的噪声源由空调、暖风、水循环、通风和家电等五大系统的 10个声源组成，声源构成如图 1所示。空调系统的主要功能为酷热气候下降低房车内部温度，其主要的噪声源由空调外机工作噪声引起；暖风系统的主要功能为寒冷气候下升高房车内部温度，其主要的噪声源由鼓风机噪声和驻车加热器噪声组成；水循环系统的主要功能是为全车提供整个水路的水循环，其主要噪声源为水泵噪声；通风系统的主要功能是为了实现车内与车外新鲜空气的交换，其主要噪声源由排风扇噪声和新风噪声组成；家电系统的主要噪声源由洗衣机噪声、微波炉噪声、油烟机噪声和冰箱噪声组成。2声源识别与噪声测试房车声源较多，噪声控制较为复杂，本文制定了一种房车内部噪声的测试方法，通过对该车型的各噪声源进行客观测试，进一步识别房车主要噪声源，并 针 对 存 在 用 户 不 满 的 噪 声 进 行 声 源 特 性分析。2.1NVH 测试系统在房车行业，绝大多数改装企业在房车 NVH性能方面未进行系统化的控制，少数改装企业会针对存在客户不满的噪声采用手持式声级计设备进行测试，但手持式声级计测量结果误差较大，无法进行声源识别与声源特性分析。本研究采用 Simcenter Acoustic Testing声学试验与分析软硬件系统作为 NVH 测试系统，该系统测量精度高（测试误差小于 0.5 dB），可进行多通道倍频程分析、声源识别及声品质分析等，是 NVH 领域最专业的测试设备之一。该系统硬件部分主要由高精度前端数据采集系统和麦克风传感器硬件组成，其中前端数据采集系统采样率为 51.2 kHz，每个通道的有效带宽为 21 kHz；麦克风传感器的温度范围为40+120。2.2测试工况及传感器位置结合房车功能属性和客户使用场景，定义坐姿、卧姿和站姿 3 种状态分别为测点 A、测点 B、测点 C，根据不同噪声源的工作特点，差异化定义各声源测试工况矩阵，见表 1。针对传感器位置的设定，主要参考汽车行业车内噪声测量方法中传声器位置的布置，分别对坐姿、卧姿和站姿 3个状态对应的传感器测量点进行规定。坐姿状态下传感器测点 A 相对于卡座的位置如图 2所示，传感器的垂直坐标是卡座座椅表面与靠背表面交线以上（0.700.05）m 处，水平坐标在2 个座椅的中心面上4。卧姿状态下传感器测点 B相对于床的位置如图 3所示，传感器放在枕头的中部以上（0.150.02）m处。站姿状态下传感器测点 C 相对于房车内部地板平面的位置如图 4所示，传感器的垂直坐标在地板平面以上（1.60.1）m 处，水平坐标根据不同测量对象的位置选取。图 1房车声源构成图表 1各声源测试工况矩阵序号12345678910噪声源空调噪声鼓风机噪声加热器噪声水泵噪声排风扇噪声新风噪声洗衣机噪声微波炉噪声油烟机噪声冰箱噪声测点 A测点 B测点 C注：表示在该测点测试噪声源噪声。59第 6卷汽 车 与 新 动 力2.3噪声评估及测试按照表 1 的测试工况矩阵，使 110 号噪声源独立运转，分别对各声源进行主观评估和客观测量，客观测量使用 Simcenter Acoustic Testing 声学试验与分析软硬件系统，在测点 A、测点 B、测点 C对应位置进行客观噪声测试，测点示意图如图 5所示。主观评估方法的评分标准见表 25。结合表 1 工况矩阵开展主观评估和客观测试，结果见表 3。2.4噪声识别房车内部存在多种声源，各个声源工作时均会产生噪声，当噪声过大时会引起用户不满。目前，在房车 NVH 领域，缺乏对房车内部噪声明确的、量化的评价标准。本文结合对房车内部 10个主要噪声源的客观测试结果和主观评估结果，参考国家环保机构对于声环境质量标准的相关要求，制定该车型内部噪声的客观评价指标。按照区域的使用功能特点和环境质量要求，房图 2测点 A相对于卡座位置图 3测点 B相对于床的位置图 4测点 C相对于地板平面的位置图 5房车内部测点示意图表 2主观评估评分标准主观评分10987654321表现优秀非常好好满意可以接受不满意不好很不好差极差评分描述受过专业训练的人也察觉不到只有受过专业训练的人能察觉到挑剔的顾客才能注意到所有顾客都能感受到某些顾客有抱怨所有顾客有抱怨所有顾客认为是缺陷所有顾客抱怨的缺陷影响功能失效引起客户退车情况无抱怨无抱怨挑剔的顾客挑剔的顾客挑剔的顾客一般的顾客大多数顾客所有顾客所有顾客所有顾客表 3各声源噪声主观评分与客观测试结果序号12345678910噪声源空调噪声鼓风机噪声加热器噪声水泵噪声排风扇噪声新风噪声洗衣机噪声微波炉噪声油烟机噪声冰箱噪声声压级/dB测点 A51.248.045.045.546.638.5测点 B48.345.043.042.143.440.2测点 C49.251.444.549.8主观评分6.57.07.07.07.07.07.07.57.07.560第 4期刘影：自行式 C型旅居车的 NVH性能分析与优化车内部的使用环境属于 1 类声环境功能区6，即以居民住宅、医疗卫生、文化教育、科研设计、行政办公为主要功能，需要保持安静的区域。针对 1类声环境功能区规定的环境噪声等效声压级要求，即客观评价指标推荐为：昼间噪声（A 声压级）55 dB，夜间噪声（A 声压级）45 dB，主观评分7分。按此标准对该车型车内 10 个噪声源进行综合评估，其中：测点 A 和测点 C 的使用场景主要为昼间使用，其噪声需要控制在 55 dB以下；测点 B的使用场景主要为夜间使用，其噪声需要控制在 45 dB以下。经评估，绝大部分声源均满足推荐的噪声评价指标，其中空调噪声在夜间使用场景下，测点 B 的噪声为 48.3 dB，可能引起客户不满，因此需要对该声源进行进一步的声源特性分析和噪声优化。3房车关键系统噪声控制房车内部声源通常有 10 个以上，每个声源都有其复杂的声学特性，以房车空调系统噪声为例，介绍关键系统噪声控制的研究方法，为房车内部其他声源控制提供一套系统的分析思路。针对该车型主要存在噪声抱怨的声源，开展对空调噪声研究，主要从系统构成、声源特性分析、优化方案及试验验证等方面展开研究。3.1空调系统构成空调系统主要由空调外机、空调管路、空调内机 3个部分组成，如图 6所示，其主要的噪声振动源为空调外机。空调外机结构如图 7 所示，由空调压缩机、空调压缩机管路、冷却风扇总成、空调外机壳体、空调外机支架组成。3.2噪声产生机理空调振动噪声的传递路线如图 8 所示。当空调工作时，主要的振动噪声源为空调外机内部的压缩机和冷却风扇。图 8 中实线箭头为压缩机振动传递路径，压缩机振动一方面通过压缩机悬置传递到空调外机壳体，然后经过橡胶垫块将振动传递到空调外机支架，另一方面通过压缩机管路直接传递到空调外机支架。2条路径传递的振动从空调外机支架通过连接螺栓传递到房车铝地板。图 8 中虚线箭头为冷却风扇总成振动噪声传递路径，冷却风扇振动直接传递到空调外机支架，通过橡胶垫块传递到空调外机支架，进一步传递到房车铝地板上。对车内测点 B及图 8中的关键传递路径上的传感器进行振动噪声测量，并进行声源特性分析及传递路径分析。经测量，车内测点 B 噪声为 48.3 dB，对应的车内噪声云图如图 9所示，主要抱怨频率如图 6空调系统示意图图 7空调外机结构图图 8空调振动噪声传递路线图61第 6卷汽 车 与 新 动 力图中方框所示，噪声主能量为 40 Hz声能量。从振动源头、传递路径等角度分析噪声产生的根本原因，空调噪声影响因素如图 10所示。在激励源方面，压缩机激励频率为 3050 Hz。冷却风扇为双风扇，根据压缩机的工作状态不同，冷却风扇分为 2档。冷却风扇档位位于 1档时 2个风扇的工作转速为 2 450 r/min，对应工作频率为40.8 Hz；冷却风扇档位位于 2 档时 2 个风扇的工作转速为 2 700 r/min，对应工作频率为 45 Hz。压缩机和冷却风扇工作频率如图 11所示。由图 11可以看出：当压缩机工作频率在 40 Hz工作点、冷却风扇档位位于 1档时，压缩机和冷却风扇的工作频率都在 40 Hz附近，产生共振点。在传递路径方面，压缩机管路、空调外机壳体和空调外机支架是 3个主要的振动传递路径，可以通过加强结构和增加隔振角度进行优化。3.3噪声优化方案及效果结合噪声产生机理，基于激励源和传递路径分析，制定解决方案，见表 4。3.3.1方案 1冷却风扇档位位于 1 档时，左右风扇的转速均为 2 450 r/min，对应的工作频率为 40.8 Hz，左右风扇之间自身会产生振动；当压缩机工作频率为40 Hz的工作点时，振动进一步叠加并放大，进而引起噪声加剧。因此可以通过优化冷却风扇工作策略，将 1 档风的工作转速进行调整，将左右风扇的转速错开。通过实际噪声测量，方案 1的优化效果见表 5。由表 5 可以看出：该方案可将测点 B 噪声从 48.3 dB降低到 46.9 dB，有效降低噪声 1.8 dB。3.3.2方案 2空调压缩机的振动通过管路可以直接传递到空调外机壳体，因此在管路上进行振动的衰减也是潜在的解决方案。空调压缩机主要的管路有吸气管和排气管，原始状态吸气管和排管均是 5 层管，管子刚度较大。从振动衰减的角度分析，减小管子刚度可以在一定程度上提高管路隔振效果。将吸气管从 5 层改为 3 层，将排气管从 5 层改为 4 层，可图 9空调噪声云图图 10空调噪声影响因素因果图图 11压缩机和冷却风扇工作频率表 4噪声优化方案序号12345解决方案优化冷却风扇工作策略，与压缩机工作频率避频空调压缩机管路优化空调外机壳体结构强度加强空调外机支架结构强度加强空调外机壳体和空调外机支架之间二级隔振表 5方案 1优化效果项目原始状态方案 1左风扇转速/（r min1）2 4502 150右风扇转速/（r min1）2 4502 450测点 B噪声/dB48.346.562第 4期刘影：自行式 C型旅居车的 NVH性能分析与优化以有效降低管子刚度，进而增强振动的衰减。通过实际噪声测量，方案 2的优化效果见表 6。由表 6可以看出：该方案可将测点 B 噪声从 48.3 dB 降低到47.5 dB，有效降低噪声 0.8 dB。3.3.3方案 3空调外机壳体由 3 个部分组成，分别为顶盖板、外壳板和底板，如图 12所示。空调外机壳体是空调压缩机和冷却风扇的载体，2 个主要激励源都是通过该壳体将振动向上传递的，因此加强壳体强度可以在一定程度上衰减振动的传递。通过实际噪声测量，方案 3的优化效果见表 7。由表 7可以看出：该方案可将测点 B噪声从 48.3 dB降低到 46.8 dB，有效降低噪声 1.5 dB。3.2.4方案 4空调外机框架是承载空调外机总成与铝底板连接的核心结构，其强度直接影响整个系统的振动噪声水平，因此加强支架强度可有效衰减振动的传递。空调外机支架优化前后结构对比如图 13 所示。通过实际噪声测量，方案 4 的优化效果见表 8。由表 8 可以看出：该方案可将测点 B 噪声 从 48.3 dB 降 低 到 45.5 dB，有 效 降 低 噪 声2.8 dB。3.3.5方案 5空调外机壳体与空调外机支架之间仅用垫块安装，垫块几乎没有隔振作用。从振动衰减角度分析，在空调外机壳体与空调外机支架之间安装 1个橡胶悬置可在一定程度上衰减振动的传递，如图 14所示。通过实际噪声测量，方案 5的优化效果见表 9。由表 9可以看出：该方案可将测点 B噪声从 48.3 dB降低到 47.1 dB，有效降低噪声 1.2 dB。各方案效果汇总见表 10。由表 10 可以看出：表 6方案 2优化效果项目原始状态方案 2压缩机进气管层数53压缩机出气管层数54测点 B噪声/dB48.347.5图 12空调外机壳体构成图表 7方案 3优化效果项目原始状态方案 3顶盖板壁厚/mm0.71.5外壳板壁厚/mm1.02.0底板壁厚/mm1.53.0测点 B噪声/dB48.346.8图 13空调外机支架优化前后结构对比图表 8方案 4优化效果项目原始状态方案 4结构形式U形折弯支架方管支架尺寸/mm2.530.020.02.5材料牌号Q235Q235测点 B噪声/dB48.345.5图 14空调外机悬置表 9方案 5优化效果项目原始状态方案 5安装方式垫块橡胶悬置测点 B噪声/dB48.347.163第 6卷汽 车 与 新 动 力各个方案均能不同程度地降低噪声，可结合更改难度和更改成本在各个方案中有选择性地实施或组合实施，以达到有效降低噪声的目的。4结论综上所述，对某自行式 C 型房车进行 NVH 性能研究，可以得出以下结论：（1）结合房车功能属性和客户使用场景，根据不同噪声源的工作特点差异化定义了房车 10个主要声源评估测试工况矩阵，并测量了各主要声源工作时对应的车内噪声测点 A、B、C 的噪声水平，其中空调噪声测点 B 的噪声达 48.3 dB，会引起客户不满。（2）结合客观测试和主观评估，按区域使用功能特点和环境质量要求，制定了房车内部噪声控制评价指标：测点 A、测点 C 的噪声声压级55 dB，测点 B的噪声声压级45 dB。（3）以房车空调系统噪声控制研究为例，提出了 5种噪声优化方案，其中加强空调外机支架强度方案的优化效果最显著，可将空调噪声从 48.3 dB降低到 45.5 dB。本研究为房车内部声源控制提供了一套系统化的控制方法，可为国内自行式 C 型房车产品的NVH性能开发与控制提供参考。参考文献1 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.机动车运行安全技术条件:GB 72582017S.北京:中国标准出版社,2017.2 中华人民共和国公安部.道路交通管理 机动车类型:GA 8022019S.北京:中国标准出版社,2019.3 观研报告网.中国房车行业发展趋势分析与投资前景研究报告(20232030 年)EB/OL.(2023-05-12)2023-05-19.https:/ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.声学 汽车车内噪声测量方法:GB/T 186972002S.北京:中国标准出版社,2002.5 刘影.发动机进气啸叫降噪研究J.内燃机工程,2016,37(6):133-137.6 环 境 保 护 部.声 环 境 质 量 标 准:GB 30962008S.北京:中国环境科学出版社,2008.表 10方案效果汇总方案12345优化后噪声/dB46.547.546.845.547.1噪声降低量/dB1.80.81.52.81.264