卡车加速行驶车外噪声单点阶次分析法源 识别与改进

张攀登，王军龙，殷金祥，孟娜，赵波，宋吉全

（1.潍柴动力上海研发中心，上海 201114；2.陕西法士特齿轮有限责任公司，陕西 西安 710119； 3.山东汽车制造有限公司，山东 莱阳 265200）

前言

随着汽车保有量的急剧增加，汽车产生的噪声污染问题突出，因此，国家制定和不断修订相应的强制车外噪声标准，规定了测试方法和限值[1]。在加速行驶车外噪声的研究上，大多采用试验分析的方法，对于可能的噪声源采取近场测量法、分别运行法、铅覆盖法、信号分析法、声强测量等[2-5]，识别出动力总成辐射噪声、冷却风扇辐射噪声、油底壳噪声、进气口辐射噪声、排气尾管辐射噪声、变速箱噪声和轮胎辐射噪声等[6-10]。除此之外，有文献利用了噪声的强度信息和相位信息的近场声全息技术和声场空间变换技术来用于研究车外噪声源识别[11-12]。

本文只采集一个评价点的噪声信号，根据加速行驶车外噪声试验过程，分析了该测点声压级曲线、colormap云图和时间切片，判断出变速箱噪声为主要来源，并改进和验证，工程上有一定参考意义。

1 加速行驶车外噪声测试

该轻型卡车设计总质量6t，长5.5m，宽2m，发动机额定功率为81kW，额定转速为3200rpm，车辆类型为N2类，总前进挡数为5。对于加速行驶车外噪声，国家标准和欧盟标准等均采用在测试区域内加速的操作方式，以3档2400rpm进线，出线转速为3000rpm，如图1所示[13]。

图1 加速行驶车外噪声测试示意图

采用一个测点，车辆跑8个来回则可获得包含左右侧的4次有效数据。在中汽研盐城汽车试验场测得的试验结果如表1所示。

表1 加速行驶车外噪声试验结果

由表1可见，该车加速行驶车外噪声左侧和右侧分别为83.6dB（A）和83.2dB（A），其中左侧较大，可判定加速行驶车外噪声为83.6 dB（A）。超过了国标规定的限值83dB（A），需要整改才能销售。

2 诊断分析

2.1 噪声影响因素分析

车辆上存在各种噪声源，包括发动机本体、进排气系统、变速箱、后桥、轮胎、风扇等，在试验时，车辆处于全油门加速状态，发动机转速上升，各噪声源的噪声大小和频率均发生变化。除此之外，各噪声源与加速行驶车外噪声测点的距离先近后远，由于噪声源辐射噪声与距离有关，因此，即使各噪声源大小不变，测点处的噪声也将发生变化。开展加速行驶车外噪声分析时需要考虑这两个因素。

如果将汽车上产生噪声的零部件视为点声源，将试验环境视为自由声场，点声源的声波遵循球面发散规律，则声功率级衰减量为[14]：

式中，△L为距离增加产生的衰减值，dB（A），r为点声源到受声点的距离，m。点声源辐射噪声与距离有关，距离增大一倍噪声将下降6dB。

2.2 评价点分析及流程

测试获得的噪声声压级曲线和colormap云图如图2、图3所示。

图2 加速行驶车外噪声声压级曲线

由图3可见，最大声压级对应的时刻为2.8s。

图3 加速行驶车外噪声随时间变化的clormap云图

图3 中，纵坐标为时间变量，主要包括3个部分，在0-t1时间段，车辆还未进入测试区域，车辆以稳定的挡位和转速接近到测试区域；在t1-t3区域，车辆位于测试区域内，此时油门处于最大开度，在t2时刻，加速行驶车外噪声出现最大值；在大于t3时间区域时，车辆驶出测试区域，油门踏板恢复到零位的状态，此时车辆处于减速状态。

图3中，该车加速行驶车外噪声主要有三个阶次亮线，分别为A阶次线、B阶次线和C阶次线，在最大值上依次为C线、B线和A线。

测试区域内，发动机转速为2400-3200rpm，发动机2阶主要频率范围为80-107Hz，根据t1时刻频率可判断，A阶次线为发动机二阶；对于图3，在声压级大约为最大的时刻的2.8s做时间切片，此时与A、B、C阶次线的交点分别为为94Hz、410Hz和750Hz，如图4所示。

图4 时间切片提取的频谱

发动机的噪声主要包括三种类型，即燃烧噪声、机械噪声和空气动力噪声[13]。机械噪声与燃烧噪声通过发动机表面对外辐射，空气动力噪声来着发动机附件进气和排气，均直接向大气辐射。发动机噪声频率按下式计算：

式中，f1为发动机噪声频率，Hz；n1为发动机转速，rpm； i为气缸数；τ为冲程系数，四冲程τ=2，二冲程τ=1。显然，A阶次线由发动机产生。图4中94Hz为发动机二阶频率，可计算出发动机转速为2820rpm。

风扇叶片噪声基频计算：

式中，f2为风扇叶片噪声基频，Hz；n2为风扇转速，rpm；z2为风扇叶片数。根据风扇与发动机速比可计算出风扇转速n2=2274rpm，z2=7，可计算出风扇叶片噪声为408Hz，由于加速过程采集的为瞬态信号，信号没有充分的平均，同时皮带、齿轮传递等也会存在一定传递误差，因此，切片的频谱图可能会与实际有几赫兹的偏差，初步判断B阶次线由风扇产生。

齿轮啮合频率为：

式中，f3为齿轮啮合噪声基频，Hz；n3为齿轮轴转速，rpm；z3为齿轮轮数。根据变速箱与发动机速比可计算出变速箱输出轴转速n3=1617rpm，变速箱3挡齿轮啮合频率为755Hz，与图4中750Hz接近，初步判断C阶次线由变速箱产生。 以上采用的分析流程如图5所示。

图5 分析流程图

2.3 近场测试和覆盖验证

将采集器移到车内，在变速箱近场布置传声器和加速度传感器，采集变速箱信号，如图6所示。

图6 变速箱近场噪声与振动测点

图7 变速箱近场噪声与振动频谱

发动机转速信号通过CAN数据读取，变速箱近场测量获得的噪声和振动频谱如图7所示，主要为16阶次，可见在发动机为2820rpm时变速箱的主要噪声和振动为750Hz，与图4中主要峰值相同。

变速箱传动如图8所示，相对于发动机转速（即变速箱输入轴）v1，第二对齿轮的啮合阶次为：

式中，i为第二对齿轮啮合阶次，z1z2z3分别为一轴和中间轴上齿轮的齿数，z1=22，z2=37，z3=28，可得i=16。

图7中，相对于发动机转速，变速箱振动噪声主要表现为16阶，由变速箱中间轴齿轮与二轴齿轮的啮合产生，则图3中clormap云图的C阶次线由变速箱产生。

图8 变速箱传动示意图

采用吸隔声材料将变速箱外表面包裹起来，阻止其对外辐射噪声，如图9所示。

图9 对变速箱进行包裹隔音处理

再次测试加速行驶车外噪声为82.4dB（A），较原状态降低了1.2dB（A），满足了国标限值要求，证明变速箱对于加速行驶车外噪声产生影响。

3 改进与测试

变速箱的速比在设计选型时，不仅需要考虑动力性、经济性因素，还需要考虑对于加速行驶车外噪声的影响。将三挡速比由1.74调整为1.57，速比调整会使测试的最高转速发生改变，噪声大小因此会发生变化。另一方面，调整优化了齿轮参数，加大了齿轮的重合度，可降低了变速箱的噪声。

再次测试，车辆出线时发动机转速降为2950rpm，加速行驶车外噪声试验结果为80.3dB（A），较原状态降低了3.3dB（A），满足国标限值要求，同时该方案可以在量产车上推广。

4 结语

（1）根据加速行驶车外噪声试验过程，采集一个评价点 的噪声信号，根据加速行驶车外噪声试验过程、声压级曲线、colomap云图及其时间切片分析判断出噪声主要频率的来源，并提出了分析流程；

（2）对于频谱分析结果采用通过近场测试分析和覆盖法进行了验证；

（3）对于变速箱重新选型匹配，适当降低了三挡速比，同时加大了齿轮重合度，重新试验后噪声下降了3.3dB（A），满足了国标的要求。