試驗與仿真模態(tài)結(jié)果的對標工作是模態(tài)分解及匹配工作的重要基礎(chǔ)，在取得了較為準確的建模和計算方法后，就可以根據(jù)NVH開發(fā)的需要開展整車模態(tài)匹配工作了。承載式車輛由車體、動力驅(qū)動和底盤這三大總成組成，車體包含車身、內(nèi)外飾件和電器；底盤可細分為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、底盤附件、懸架系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等；動力驅(qū)動系統(tǒng)分為進/排氣系統(tǒng)、發(fā)動機、離合器、變速箱、傳動系和行駛系統(tǒng)。汽車上各系統(tǒng)以不同的方式相互連接在一起，比如動力總成、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和開閉件直接與車身相連，排氣系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)又與動力總成相連[4]。

動力總成系統(tǒng)的模態(tài)分布及振動問題需要從兩個方面進行考慮：一方面是動力總成的剛性體及彈性體模態(tài)振動頻率，一般說來，剛體振動模態(tài)（含動力懸置系統(tǒng)）頻率范圍大概為5～20Hz，要求相鄰模態(tài)的頻率間隔1Hz以上，解耦率70%以上。其中最為關(guān)重的Bounce（上下彈跳）和Roll（繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)）兩個主方向模態(tài)的解耦率要求大于90%，這兩階模態(tài)與相鄰模態(tài)之間的頻率間隔要求盡量大于2Hz，這樣的設(shè)置將會給動力總成的振動控制帶來較好的基礎(chǔ)。對于橫置發(fā)動機平臺的動力總成來說，其彈性體模態(tài)頻率一般大于200Hz，高于NVH的常規(guī)結(jié)構(gòu)振動、噪聲仿真分析的范圍。另一方面，由于發(fā)動機上的旋轉(zhuǎn)部件中心與旋轉(zhuǎn)中心的天生不一致帶來了慣性不平衡力，隨之引發(fā)發(fā)動機本體的振動并通過動力懸置系統(tǒng)傳遞至車體內(nèi)并引發(fā)部分結(jié)構(gòu)振動，這部分振動頻率與發(fā)動機缸數(shù)及轉(zhuǎn)速有關(guān)，通常600～1000r／min的怠速轉(zhuǎn)速對應(yīng)覆蓋的頻率（二階點火頻率）為20～33Hz。

對于車體來說，車身結(jié)構(gòu)的振動不僅容易引起自身結(jié)構(gòu)的疲勞損壞，還是車內(nèi)低頻結(jié)構(gòu)輻射噪聲的源頭，其關(guān)注的主要頻率范圍為10～80Hz。一般來說，其一階扭轉(zhuǎn)和一階彎曲振動模態(tài)均需避開發(fā)動機的怠速激勵頻率，以免引起怠速工況下的車內(nèi)抖動及轟鳴音；對于頂棚結(jié)構(gòu)，要求其第一階模態(tài)盡可能高于50Hz；對于地板模態(tài)也是盡可能避開怠速激勵頻率。如設(shè)計中存在無法避開的頻率匹配問題點，則需要進行振動響應(yīng)分析評估風(fēng)險，如確實無優(yōu)化空間可以通過加裝阻尼墊或阻尼發(fā)泡材料的方式減低結(jié)構(gòu)振動幅值并進行振動、噪聲的實車驗證。

車輛上操縱機構(gòu)的振動主要是由駕駛員或乘員操縱的需求使得結(jié)構(gòu)剛度不高或是車體自身的振動過大而產(chǎn)生，操縱機構(gòu)的振動容易使駕駛員產(chǎn)生疲勞，嚴重時可能甚至可引起操縱失控。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（包含方向盤和轉(zhuǎn)向管柱總成）的振動方向通常為上下點頭或是左右橫擺型式，其模態(tài)頻率主要受儀表板管梁的支撐剛度及其與轉(zhuǎn)向管柱之間的連接剛度影響，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是駕駛操縱最多的車上系統(tǒng)，其整車狀態(tài)下模態(tài)頻率一般要求35Hz以上，對其振動幅值的要求也是十分嚴格的。換擋機構(gòu)也是車上操縱動作較多的部件，其振動水平的控制也是影響整車振動評價的重要因素。

排氣系統(tǒng)與發(fā)動機直接相連，其振動主要由發(fā)動機振動和其自身排氣氣流沖擊激勵所引起，通常長度達到3~5米，通過掛鉤和吊耳與車身底板相連，這樣的布置特點導(dǎo)致其極易將發(fā)動機的振動放大或是將本體振動傳至車身地板進而產(chǎn)生車內(nèi)噪聲，因此科學(xué)規(guī)劃排氣系統(tǒng)的模態(tài)特性，合理設(shè)計其懸掛點的位置及控制振動的傳遞率是消除這部分振動的有效途徑。

通過上面對幾大總成的分析，汽車各系統(tǒng)振動模態(tài)匹配的重點是做好動力總成、車身、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等幾大系統(tǒng)的模態(tài)頻率規(guī)劃與分布，模態(tài)匹配的頻率范圍一般為5～100Hz[5]。

2.1 模態(tài)匹配策略

整車模態(tài)匹配的首要原則是在設(shè)計上保證各子系統(tǒng)的模態(tài)頻率首先不與發(fā)動機怠速激勵頻率發(fā)生共振。白車身及各子系統(tǒng)主要的振動頻率都在5～80Hz以內(nèi)，模態(tài)匹配的目標是各系統(tǒng)自身的模態(tài)彼此解耦，同時與所有相鄰的系統(tǒng)的模態(tài)彼此解耦，模態(tài)之間頻率相隔1Hz以上，相連系統(tǒng)之間的模態(tài)頻率要求至少相隔3Hz以上?；谝陨贤ㄓ玫目紤]原則并總結(jié)工作中積累的相關(guān)經(jīng)驗，在上述基礎(chǔ)之上提出一種以整車模態(tài)規(guī)劃表為基礎(chǔ)、把車體作為整車模態(tài)匹配的關(guān)重點、綜合考慮采購部件系統(tǒng)和車身附件系統(tǒng)的模態(tài)匹配策略[6][7]。

2.1.1 模態(tài)規(guī)劃表

在汽車的開發(fā)過程中，為了在設(shè)計時避免系統(tǒng)之間產(chǎn)生共振，由NVH工程師作為主責(zé)方協(xié)調(diào)各專業(yè)工程師制定出各個系統(tǒng)的模態(tài)頻率范圍并繪制成表格，標出各個系統(tǒng)的模態(tài)頻率范圍，把相連系統(tǒng)的模態(tài)頻率錯開，即得到整車模態(tài)頻率規(guī)劃表。各系統(tǒng)振動模態(tài)頻率目標值的制定過程即是模態(tài)規(guī)劃的過程，在模態(tài)匹配過程中以規(guī)劃表為各個系統(tǒng)的設(shè)計指南，各部門按照規(guī)劃表來進行設(shè)計，當(dāng)其中一個系統(tǒng)的模態(tài)頻率發(fā)生變化時，需根據(jù)總表來調(diào)整與之相連系統(tǒng)的模態(tài)頻率[8]。

模態(tài)規(guī)劃表包含的內(nèi)容應(yīng)有：白車身彎曲、扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率、門開閉件模態(tài)頻率、車內(nèi)聲腔模態(tài)頻率、動力總成剛體模態(tài)頻率、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及方向盤模態(tài)頻率以及排氣系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)等的模態(tài)頻率等，排氣系統(tǒng)還應(yīng)做好吊掛點位置的優(yōu)化選擇。

2.1.2 車身系統(tǒng)

整個上車體系統(tǒng)作為一個多自由度的彈性系統(tǒng)，其固有頻率也就相應(yīng)的表現(xiàn)為無限多的固有模態(tài)，其低階模態(tài)振型多為整體振型，高階模態(tài)振型多為一些局部模態(tài)，合理的車身振動模態(tài)分布對汽車的NVH性能有著十分重要的影響。

在車身結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計階段，對車身進行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析后，其結(jié)果不一定能滿足模態(tài)規(guī)劃表制定的目標值，為了同時保證必要的車身結(jié)構(gòu)強度、剛度和結(jié)構(gòu)的耐撞性，對車身進行模態(tài)靈敏度分析就顯得十分有必要，通過靈敏度分析找出影響車身結(jié)構(gòu)模態(tài)的重要部件并校核其變化對剛度、強度及碰撞性能的影響。車身是整車中最大的系統(tǒng)，其設(shè)計過程需要很長的時間，其結(jié)構(gòu)參數(shù)也是隨著設(shè)計過程逐漸固化下來的。因此，在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計后期，當(dāng)車身NVH性能已滿足目標值時，對車身進行較大的修改方案應(yīng)該慎重考量。

2.1.3 采購系統(tǒng)

通常主機廠為了縮短開發(fā)周期及降低開發(fā)成本，一些系統(tǒng)和部件會采取直接從供應(yīng)商采購或是聯(lián)合開發(fā)的方式來進行加快開發(fā)進度和降低研發(fā)成本，如懸置、進/排氣系統(tǒng)、座椅、動力傳動系統(tǒng)等。在采購過程中，主機廠與零部件供應(yīng)商應(yīng)充分協(xié)調(diào)合作，確定合理的采購部件NVH性能指標并寫進采購技術(shù)開發(fā)要求，保證各系統(tǒng)合理匹配，實現(xiàn)整車NVH性能的最優(yōu)。

由于NVH問題通常比較復(fù)雜，多個環(huán)節(jié)相互關(guān)聯(lián)和耦合，當(dāng)一個零部件改動設(shè)計后，有可能對整車NVH性能產(chǎn)生影響。根據(jù)振動模態(tài)頻率規(guī)劃表，當(dāng)一個系統(tǒng)或部件的設(shè)計發(fā)生改變后，應(yīng)相應(yīng)地調(diào)整與其相連系統(tǒng)或部件的目標值。因此當(dāng)零部件采購?fù)瓿珊?，?yīng)盡量少修改與其相連系統(tǒng)的目標值，如確需調(diào)整，則需要綜合評價修改帶來的影響并與供應(yīng)商協(xié)同工作將設(shè)計變更帶來的不利影響降至最低。零部件采購技術(shù)開發(fā)要求是整車模態(tài)匹配過程中一個重要的環(huán)節(jié)。

2.2 模態(tài)匹配流程

根據(jù)汽車NVH設(shè)計流程及模態(tài)匹配策略，編制了整車模態(tài)匹配流程圖，見圖1。將整個匹配過程分成目標制定、設(shè)計優(yōu)化和制造驗證3個階段，在各個階段應(yīng)采取相應(yīng)的控制措施遵守模態(tài)匹配的策略。

圖1 整車模態(tài)匹配流程

在汽車開發(fā)的概念設(shè)計階段，需要充分收集核心競爭車型的NVH數(shù)據(jù)，目標客戶的喜好及習(xí)慣，綜合研發(fā)機構(gòu)自身建立的數(shù)據(jù)庫制定開發(fā)車型的NVH各級指標（VTS/STS/SSTS/CTS），從中提取出多項核心的NVH指標作為項目的一級開發(fā)目標，制定可以有效執(zhí)行的計劃進行管控。

汽車開發(fā)的第二個階段就是設(shè)計與優(yōu)化，分解出來的各級NVH目標就要與設(shè)計工作充分融合起來，要主動參與到設(shè)計中。對于采購的系統(tǒng)和部件應(yīng)將指標加入技術(shù)開發(fā)要求文件當(dāng)中，供應(yīng)商的交付物中應(yīng)包括產(chǎn)品的NVH性能試驗報告及分析報告[9]。如果可以，NVH工程師應(yīng)該參與到供應(yīng)商的DV試驗中去。

進入制造及驗證階段后，在物理樣車制造出來后，需要全面測試樣車的NVH性能，并與設(shè)計之初所設(shè)立的目標值進行對比，找出差異項并與設(shè)計部門一起提出改進方案。對仿真分析中未暴露出來的問題，要進行原因查找及改進設(shè)計。對這一階段的開發(fā)工作，需定期進行主觀評估和客觀測試的綜合評價工作，圍繞前期制定的目標開展對標及優(yōu)化。

在整車目標值制定及分解過程中我們建立某SUV的車型模態(tài)頻率規(guī)劃表如圖2所示。

圖2 模態(tài)頻率規(guī)劃表

該車型的模態(tài)匹配分析如下：

1) 該車型使用直列四缸發(fā)動機，怠速轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn)/分，因此可計算發(fā)動機的怠速激勵頻率即發(fā)火階次基準頻率為25Hz，考慮怠速轉(zhuǎn)速波動及空調(diào)開關(guān)的影響，將23~27Hz帶寬設(shè)為頻率匹配紅色區(qū)域。

2) 該車帶內(nèi)飾車身的一階扭轉(zhuǎn)及彎曲模態(tài)頻率值分別為24.5Hz、31.3Hz，扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率與發(fā)動機怠速激勵頻率重合，但由于扭轉(zhuǎn)模態(tài)與怠速時的垂向激勵不一致，并未引起明顯問題；彎曲方向模態(tài)與怠速激勵頻率相隔6Hz以上。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤垂向振動與橫向振動的頻率與動力總成怠速激勵頻率和車身的彎曲模態(tài)頻率之間，均避開5Hz以上。但從設(shè)計角度來看，扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率應(yīng)盡可能避開怠速激勵頻率。

3) 動力總成六個剛體模態(tài)彼此相隔1Hz以上，對于Bounce和Roll兩階模態(tài)，解耦度達到90%以上，兩者頻率間隔2Hz以上。

4) 車身前圍板的模態(tài)頻率與車內(nèi)聲腔模態(tài)頻率值出現(xiàn)吻合，這說明該車體存在模態(tài)耦合的情況，加速到1700~1800rpm時，車內(nèi)確實存在一些轟鳴音，說明此處結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化。尾門總成模態(tài)頻率與聲腔模態(tài)相差5Hz以上，滿足要求。

5) 車輛作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，要做到所有的模態(tài)都能解耦并和相鄰系統(tǒng)的模態(tài)分離開是不可能實現(xiàn)的，當(dāng)一個系統(tǒng)與另一個系統(tǒng)的模態(tài)十分接近或是基本重合時，需要從物理結(jié)構(gòu)和相互之間的工作關(guān)聯(lián)度上仔細分析，如上表中所述，后門一階彎曲模態(tài)（30.42Hz）與排氣系統(tǒng)一階彎曲模態(tài)頻率（28.54Hz）比較接近，但兩者并非相鄰系統(tǒng)，物理空間上相隔也比較遠，即使出現(xiàn)耦合也不會帶來影響。相反，如果排氣系統(tǒng)的一階彎曲模態(tài)頻率與車身地板的模態(tài)出現(xiàn)了耦合，就要引起足夠的重視，盡量從模態(tài)頻率數(shù)值上使兩者相隔3Hz以上，并進行振動傳遞函數(shù)分析及實車驗證。

6) 該表只是該車型的部分模態(tài)頻率規(guī)劃表，未包括油箱、座椅等系統(tǒng)。對于模態(tài)頻率規(guī)劃表的正確性及合理性的判斷最終依據(jù)整車NVH主、客觀評價的結(jié)果來進行。

參考：

[1]范習(xí)民，陳劍，等?；谙到y(tǒng)工程原理的汽車NVH正向設(shè)計流程[J]，農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2007：vol.7。

[2]楊英，趙廣耀，孟凡亮。某轎車白車身模態(tài)分析與試驗研究[J]，東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008：vol.27。

[3]穆國寶, 張豐利，陳劍。基于有限元法的白車身模態(tài)和剛度研究[J]，機械設(shè)計與制造。2010：Vol.4。

[4] 龐劍，諶剛，何華。汽車噪聲與振動一理論與應(yīng)用[M]，北京理工大學(xué)出版社，2006。

[5] 陳劍, 穆國寶, 張豐利。 汽車NVH正向設(shè)計中的系統(tǒng)模態(tài)匹配策略研究[J]， 汽車工程, 2010：vol.32。

[6]黃天澤，黃金陵。 汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M]，機械工業(yè)出版社，北京，2000。

[7]田得旺，田冠男，等。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)避免怠速共振的模態(tài)優(yōu)化方法[C]，MSC中國用戶論文集，2007。