巴哈U30赛车振动和噪声特性分析

贾春路，阮剑锋，张继五，王蒙，李红兵，王瑶，李占龙

摘 要：为了得到巴哈赛车振噪水平的分布情况，改善赛车的平顺性和乘坐舒适性，以巴哈U30赛车为研究对象，在实验室底盘测功机和越野路面两种工况下对整车的振动和噪声特性进行试验研究。测试巴哈U30赛车的发动机、发动机机架、座椅、座椅底板和车轮在X、Y、Z三个方向上的振动加速度，并进行时域和频域分析;对驾驶室内驾驶员耳旁和发动机噪声进行测试，获得A计权声压级。结果显示，X、Z向振动最为剧烈，且属低频振动;实验室模拟工况下，发动机到发动机安装机架的振动传递率为17.3%，发动机到座椅的振动传递率为69.3%;越野路面工况下，车轮到座椅在X、Y、Z三个方向的振动传递率分别为：101.2%、24.2%、133.9%;前5阶模态频率集中在4～70Hz;驾驶员耳旁噪声为62～83dB，发动机噪声为65～85dB。

关键词：巴哈赛车;振动;噪声;测试;舒适性

中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2019）23-153-06

Analysis of vibration and noise characteristics of baja U30 racing car*

Jia Chunlu， Ruan Jianfeng， Zhang Jiwu， Wang Meng， Li Hongbin， Wang Yao*， Li Zhanlong

（School of Mechanical Engineering， Taiyuan University of Science and Technology， Shanxi Taiyuan 030024）

Abstract： In order to obtain the distribution of the vibration and the noise level of baja racing cars， and improve the ride comfort， the vibration and the noise characteristics of the whole vehicle are studied under the two working conditions of laboratory chassis dynamometer and off-road road surface. The vibration acceleration of engine， engine frame， seat， seat bottom plate and wheel in X， Y and Z directions of baja U30 racing car are tested and analyzed in time domain and frequency domain. The sound pressure level of A weight is obtained by testing the noise of driver's ear and engine in the driving room. The results show that the vibrations in X and Z direction are the largest and belong to the low-frequency vibration. Under simulated laboratory condition， the vibration transfer rate from the engine to the engine mounting frame is 17.3%. And the vibration transfer rate from the engine to the seat is 69.3%. Under the off-road condition， the vibration transfer rate from wheel to seat in X， Y and Z directions is 101.2%， 24.2% and 133.9%， respectively. The first 5 modes are concentrated on 4～70Hz. The noise near the driver's ear is 62～83dB. The engine noise is 65～85dB.

Keywords： Baja racing; Vibration; Noise; Test; Comfort

CLC NO.： U467  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2019）23-153-06

前言

U30型號赛车是由太原科技大学万里车队按照 BSC（Baja SAE China）大赛规则自主研发与设计，在中国巴哈大赛上取得了优异成绩，但在操纵过程中仍存在较为严重的振动和噪声问题，对驾驶人员影响较大。

国内外学者对普通车辆振动噪声特性进行了大量的研究，而对巴哈赛车的振动和噪声特性研究较少。唐卓开展了悬架座椅系统振动控制和整车振动分析的研究，并建立悬架座椅的结构模型、提出悬架座椅系统的优化目标与目标函数、利用仿真软件AMESim建立了整车仿真模型仿等掌握整车的振动特性[1]。杨家友等对某MPV样车进行整车NVH测试，通过传递路径分析的方法，发现该工况下，车辆前围板（膨胀阀安装位置）在发动机第4阶频率处振动异常是怠速工况下空调开启时的车内前排噪声和方向盘振动不满足设计要求的主要原因[2]。马龙等针对某型新能源车用两挡变速箱的振动噪声问题，通过NVH试验、理论计算、仿真分析相结合的方法分析引起振动噪声的根源[3]。Aziz S A A等采用测试分析的方法来研究3吨重货车在行驶过程中振动和噪声对驾驶员的影响，得到振动和噪声压力水平随着重货车速度的增加而成比例增加[4]。李振远等利用有限元法对客车进行了动态特性分析，研究了发动机激励对客车振动的影响。建立客车有限元模型、谐波响应分析，分别考虑发动机垂向和横向激励2种工况，研究发动机输出的简谐力引起的车身位移响应问题[5]。

本文通过研究巴哈U30赛车的振动和噪声特性，为后期改善巴哈赛车驾驶平顺性及舒适性提供参考。

1 试验部分

1.1 试验样机

以巴哈U30赛车为试验对象，该车型主要应用于泥坑、飞坡、连续弯道、驼峰等恶劣路况的比赛，赛规要求车身必须由直或弯的钢管组成，两个支撑点之间的钢管不能超过711mm。

1.2 试验仪器

主要测试仪器见表1。

表1  试验仪器列表

1.3 试验工况

巴哈赛车的振动主要来源于发动机的振动和路面的高低不平引起的激振等。因此试验工况包括实验室模拟工况和越野道路两大工况。实验室模拟工况在测功机上模拟赛车行驶阻力，依此调节发动机转速;越野路工况选择泥土路路面，发动机转速控制为1700r/min。试验工况对应发动机转速如表2所示。

表2  试验工况

1.4 传感器安装位置和方向

为方便表述，在车身建立广义坐标系，坐标系方向与ISO2631（以驾驶员为基准的坐标轴）的规定方向一致。基于巴哈U30赛车车身结构，确定加速度传感器的安放位置，如表3所示。噪声传感器放置于驾驶员耳旁和发动机附近，分别测试驾驶员耳旁和发动机噪声。为减小环境中存在的与测试无关的背景噪声，选择背景噪声较小的环境测试噪声[6]，本次噪声测试选择在晚上十点后，在没有行人的宽广场地上进行。

表3  传感器安装位置和方向

1.5 试验过程

本次试验采用简洁性和连续性原则，采用以下试验步骤：

（1）安装传感器，所测位置与传感器不产生相对活动作为标准。

（2）测功机上调节发动机转速，依次测试1700r/min、2000r/ min、2300r/min、2600r/min转速下各位置振动，每组测试时间75s。

（3）选择泥土路面开启U30赛车，保持发动机转速为1700r/ min，持续30s。

（4）选择没有行人的宽广场地，依次测试不同转速下发动机附近和驾驶员耳旁噪声。

以上试验过程采样频率为512Hz，记录试验数据并分析。

2 分析与讨论

本文主要从时域、频域和A计权声压级来分析巴哈U30赛车振动和噪声特性。

2.1 时域分析

由于测试现场存在环境噪声等干扰源，对原始数据进行预处理，选取测试位置在各工况下稳定运行时间段的时域数据进行分析。

2.1.1 实验室模拟工况

实验室模拟工况下，对比测试位置在X、Y、Z方向时域曲线，选取发动机、座椅在Z向和发动机安装机架、座椅底板X向在1700r/min、2000r/min、2300r/min、2600r/min转速下振动时域图，如图1所示。

a.发动机Z向

b.发动机安装机架X向

c.座椅底板X向

d.座椅Z向

图1  实验室模拟工况不同位置振动时域图

分析计算实验室模拟工况振动数据，统计相关振动特性参数，发动机、发动机安装机架、座椅底板和座椅X、Y、Z方向统计结果见表4、5、6、7。

由同一转速下三个方向振动加速度的均方根值可知，发动机振动在X、Z向最大;随着转速增加，振动加速度呈先增后减趋势，在2300r/min时最大，振动最为剧烈，此时X、Z向振动加速度的均方根值分别为8.8692和13.1770。

表4  发动机振动特性参数

表5  发动机安装机架振动特性参数

发动机安装机架振动在X和Z向最大;随着转速增加，振动加速度呈增加趋势，振动逐渐激烈，在2300r/min和2600r/min振动最为剧烈。

表6  座椅底板振动特性参数

由同一转速下三个方向振动加速度的均方根值可知，座椅底板振动在X向最大;随着转速增加，振动加速度呈先增后减趋势，在2300r/min时最大，振动最为剧烈，X向振动加速度的均方根值为9.6747。

表7  座椅振动特性参数

同一转速三个方向振动特性参数显示座椅振动主要是Z向振动;随着转速增加，振动加速度呈先增后减趋势，在2300r/min时最大，振动最为剧烈，Z向振动加速度的均方根值为9.1295。

实验室模拟工况下，发动机和发动机安装机架主要为X和Z向振动，座椅底板主要为X向振动，座椅振动主要在Z方向;转速的增加各位置的振動波形呈先增后减趋势，在2300r/min时最大，振动亦最为激烈;2300r/min时，X向振动传递率：发动机到发动机安装机架为38.2%，发动机到座椅底板为109.1%，Z向传递率：发动机到发动机安装机架为17.3%，发动机到座椅为69.3%。产生上述现象，是由巴哈赛车车身管状结构和座椅底板薄板结构导致的。

2.1.2 越野路工况

越野道路工况，截取发动机、座椅、左右后轮和左右前轮稳定在1700r/min转速下各个方向的振动时域图，如图2所示。

图2  越野道路工况不同位置振动时域图

对越野道路工况振动信号分析计算，统计相关振动特性参数，见表8。

表8  巴哈U30泥土路行驶时振动特性参数

巴哈U30赛车在越野道路工况下，发动机、发动机安放机架、座椅、座椅底板的振动在X、Z向最大，振动最剧烈;左右后轮和左右前轮在三个方向的振动波动不明显，主要来自路面激励。

发动机到座椅在X、Y、Z三个方向的振动传递率分别为：19.1%、23.6%、46.4%;计算右后轮到座椅在X、Y、Z三个方向的振动传递率分别为：101.2%、24.2%、133.9%。对比发现整车对路面激励的隔振效果不明显。

2.2 频域分析

2.2.1 实验室模拟工况

实验室模拟工况下，对发动机，发动机安装机架，座椅，座椅底板在1700r/min、2000r/min、2300r/min、2600r/min转速下各方向的振动数据进行频域分析，统计频谱图前5阶振动特征频率，如表9、10、11、12所示。

表9  测功机上发动机前5阶特征频率统计

发动机在各方向上1阶特征频率范围为4～20Hz之间，2阶特征频率范围为8～30Hz，前5阶特征频率范围为4～70Hz。

表10  测功机上发动机底板前5阶特征频率统计

表11  测功机上座椅前5阶特征频率统计

统计发动机底板在各方向上的前5阶振动特征频率。在各方向上1阶特征频率范围为4～7Hz，2阶特征频率范围为7～15Hz，前5阶特征频率范围为4～45Hz。

座椅各方向上的1阶振动特征频率受到转速的影响较大，各方向的振动频率随着转速的增加而变大。

表12  测功机上座椅底板前5阶特征频率统计

由表12可以得到座椅底板在各转速下的各个方向上的振动特征频率。座椅底板的1阶特征频率较大，而且受到发动机转速的影响也较大，其前5阶振动特征频率范围为4～70Hz。

2.2.2 越野道路工况

越野道路工况下，发动机、座椅、左右后轮和左右前轮在各方向的振动数据频域分析，统计频谱图前5阶振动特征频率，如表13所示。

表13  泥土路上前5阶特征频率统计

越野工况下发动机处相较于其他测试点的特征频率较高，一阶振动特征频率为29Hz，前5阶振动特征频率范围为29～65Hz;座椅和车轮处的一阶振动特征频率范围为5～15Hz，前5阶振动特征频率范围为5～60Hz，属于低频振型。另外，就座椅而言，Y和Z向的一阶振动特征频率为5Hz，包含在人体敏感频率段4～8Hz之间，对驾驶人员舒适性产生较大影响。

2.3 噪声分析

测试发动机转速为1700r/min、2000r/min、2300r/min、2600r/min时，发动机附近噪声和驾驶员耳旁噪声，处理声压信号，获得A计权声压信号，统计结果见表14。

表14  发动机和驾驶员耳旁噪声值

噪声统计结果显示，随着转速的增加，噪声由65dB逐渐增高到85dB，且驾驶室内驾驶员耳旁噪声略小于发动机处噪声，长期处于该环境下，会对人的听力造成损伤。

3 结论

本文对U30赛车振动噪声特性进行了分析，得到以下结论：

（1）巴哈U30赛车行驶时X、Z向的振动最剧烈，主要的振源为发动机和路面激励。

（2）实验室模拟工况下，发动机到发动机安装机架的振动传递率为17.3%，发动机到座椅的振动传递率为69.3%。上述现象是由巴哈赛车自身的车身结构决定的，车身管状结构和座椅底板薄板结构具有较大弯曲刚度，因此整车的振动特性相对复杂，导致整车的振动在传递过程中存在放大现象。

改进车身结构或选择合适的材料可有效减小车身振动。

（3）越野道路工况下，车轮到座椅在X、Y、Z三个方向的振动传递率分别为：101.2%、24.2%、133.9%。振动传递率较大，即该车对路面激励的隔振效果不明显，采用新型隔振器或对隔振器的装配角度做出调整，可改善赛车的乘坐舒适性。

（4）前5阶模态频率集中在4～70Hz，属于低频轻载振型，且包含在人体敏感频率段4～8Hz之间，对驾驶人员舒适性产生较大影响。

（5）发动机旁噪声为65～85dB，驾驶员耳旁噪声为62～83dB，隔音效果较差。

参考文献

[1] 唐卓.悬架座椅水平振動控制与整车振动分析[D].湖南大学， 2016.

[2] 杨家友，张攀.某乘用车车内噪声与方向盘振动分析与改进[J].噪声与振动控制， 2017， 37（2）： 207-212.

[3] 马龙，李玉山.某型汽车变速箱的振动噪声分析[J].机械设计与制造， 2018（2）： 68-70.

[4] Aziz S， Nuawi M， Mohd Nor M， et al. Study of Noise， Vibration and Harshness （NVH） for Malaysian Army （MA） 3-Tonne Trucks[J]. Applied Mechanics and Materials， 2013， 471： 74-80.

[5] 李振远，黄俊杰，刘文彬，汪小朋.基于发动机激励的客车振动分析[J].湖北汽车工业学院学报，2010， 24（3）： 18-21.

[6] GB/T14365-2017，声学机动车辆定置噪声声压级测量方法[S].