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与低频道路噪声相关的悬架传递力变化机理研究

摘要

车厢安静是汽车舒适性的重要影响因素。特别的，近年降低道路噪声的重要性日益提高。降低声学灵敏度的方法以及降低从悬架传递到车身（悬架传递力）的方法均用作降低道路噪声的方法。减少车身悬架安装点的柔度已被广泛用作降低声音灵敏度的方法，但是在某些情况下，即使用此方法降低了声音灵敏度，道路噪声也没有降低，该机理仍不明确。本研究集中于悬架传递力，并使用传递函数综合方法分析了这种变化的机理，结果表明，车身悬架安装点、悬架衬套和悬架臂尖柔度之间的平衡是影响悬架传递力变化的重要因素。例如在多连杆悬架后下臂轴向上100-300Hz的频率范围内，悬架传递力很容易增加，在这种情况下，车身悬架安装点和悬架衬套的柔度彼此接近，并且悬架臂尖的柔度较小，为了在这种情况下减小道路噪声，降低声音灵敏度的有效方法是不降低车身悬架安装点的柔度以避免增加悬架传递力的对策。

引文：引用：Ichikawa，K.，“与低频道路噪声有关的悬架传递力变化机理的研究”，SAE Int.J.Passeng。汽车-机械.系统.8（1）：2015，doi:10.4271/2015-01-0667。

介绍

降低车内噪音是车辆产品性能的重要方面之一。特别是近年来，随着发动机输入相关的噪声降低，降低道路噪音变得越来越重要。通常用于降低道路噪音的技术包括降低车身声学灵敏度和悬架传递给车身的力。提出了几种降低人体声学灵敏度的方法，包括降低激励柔度，降低激励点传导（1）,以及利用优化技术实现低灵敏度、低重量的平衡（2）。降低悬架传递力的方法包括控制悬架振型（3）和控制轮胎的特征值（4）。通常，在开发车辆时，目标值是作为响应侧的车身和作为输入侧的悬架单独确定的。然而，当改变车身以减少车身声学敏感度时，在某些情况下，道路噪音不降低，反而实际上会增加。在这些情况下，悬架传递力预计将增加。本研究侧重于悬架传递力的变化，因为不清楚在什么情况下，悬架传递力会改变。采用一种称为传递函数综合法的子结构合成方法（5），得出了悬架传递力变化的理论公式。结果表明，车身悬架安装点、悬架衬套和悬架臂尖之间的平衡是影响悬架传递力变化的重要因素。例如，在多连杆悬架的后下臂轴向上，22 悬架传递力在 100-300 Hz 的频率范围内轻松增加。在这里，车身悬架安装点与悬架衬套的柔度彼此接近，而悬架臂尖的柔度则较低。在这种情况下，为了降低道路噪音，降低声学灵敏度的有效方法是不降低车身悬架安装点的柔度，以避免增加悬架传递力。为了验证这种机制，使用有限元法计算悬架传递力，但很少使用车辆试验进行精确测量。此外，还提出了一种方法，以确定是否可以降低车身悬架安装点的柔度，以避免增加悬架传递力。该方法明确了车身对道路噪声的对策方向，从而在调查降低悬挂安装点柔度时减少重新加工，从而提高了本田的开发效率。

悬架传递力变化机制分析

悬架传递力理论公式的推导

传递函数综合法是一种子结构合成方法，用于研究悬架传递力变化的机理。如图1所示，车辆分为三个部分：车身、悬架和悬架衬套。分解后，这些组件各节点的边界条件不受约束，悬架传递力可作为外力处理。

图 1.分解到三个子结构

车身悬架安装点位移 [X_b] 在分离的体内表示为以下方程，使用悬架传递力 [F] 和车身的悬架安装点柔度矩阵 [G_b].所有这些矩阵都很复杂，每个元素都包含振幅和相位信息。

(1)

图2显示了人体悬架安装点柔度矩阵[G_b]的示意图 。下标i 和 j 表示关节，而 G_bij 表示安装点之间的柔度特征。

图 2.车身柔度矩阵的原理图

类似在悬架中，臂尖位移 [X_s] 用悬架臂尖传递力{-F}的反力、道路输入D、从轮胎-地面接触点到悬架臂尖的转移特性{Gst}以及悬架中悬架臂尖之间的柔度矩阵[Gs] 表示为以下方程式。

(2)

图3显示了悬架臂尖 [G_s]、从轮胎接地接触点到悬架臂尖的转移特征和{G_st}道路输入 D之间的柔度矩阵的示意图。

图3.从轮胎接地接触点到连接点的悬架合规性矩阵和传递功能的原理图

其次，如果衬套的动态刚度（在某些接头j处加入_s悬架）表示为K_bj，则根据胡克定律，悬架传递力 [F]可以表示为以下等式，使用悬架安装点位移的相对位移位 [X_b]和悬架臂位尖 [X _s]表示。

(3)

使以上等式（1） ，（2） ，（3）以，通过编译主体中的悬架传递力 [F]得出以下方程。

(4)

更进一步，通过编译上述方程的逆矩阵的中间部分，得出以下方程。

(5)

如果将车身悬架悬置点柔度矩阵[G_b]、衬套动态刚度[K^-1]和悬架臂尖柔度矩阵[G_s]的倒数相加的矩阵定义为总悬置点柔度矩阵[G_total]，则应用以下方程式。。

(6)

然后，等式（4） 转化为等式 （7）。

(7)

基于式（7），悬架传递力 [F]由总安装点柔度矩阵 [G_total]、从轮胎接地接触点到悬架中悬架臂尖的传递特性确定 [G_st]和道路输入 D确定。此外，上述情况显示，即使道路输入D 和从轮胎到悬架臂尖的传递特性 [G_st]不变，如果总安装点柔度矩阵 [G_total] 发生变化，悬架传递力也会发生变化。换句话说，悬架传递力的变化，因为它受到车身悬挂安装点柔度、衬套的动态刚度和悬架的手臂尖柔度变化的影响。

道路降噪的概念

将车身的声灵敏度从悬架安装点到驾驶员耳点表示为 [H_b]，驾驶员耳点 {P} 处的声压可以表示为以下等式。

(8)

为了简化讨论，在本章中，研究了一个只结合具有一个自由度衬套的情况。图4给出了原理图。

图 4.在一个衬套中连接的汽车的示意图

在这种情况下，悬挂传递力F 可以表示如下：

(9)

在这种情况下，驾驶员耳点处的声压P如下所示：

(10)

通常，工程师试图通过寻找降低车身声学灵敏度的方法来降低声压。但是，由于式 （10）中的分母还包括车身的悬挂安装点柔度 G_b，因此有必要根据每个安装点的柔度与总安装点柔度的平衡来考虑车身对策的方向。

为了理解道路降噪的概念，研究了三种柔度平衡方案。

在这里，式（10）的分母简单地写成 G_total。

(11)

方案A：G_b相对于G_total足够小

如果G_b在总安装点柔度方面足够小，则声音压力 P 如下所示：

(12)

即使车身悬架安装点柔度发生变化，悬架传递力也不会改变，因此降低车身声学灵敏度H_b 足以降低声压 P。因此，如果G_b相对于G_total足够小，则悬架传递力可视为均匀力的输入，因为即使车身特性发生变化也不会发生变化。

方案B：K ¹ G_s相对于G_total足够小

在这种情况下，K ¹ Gs_s 在总安装点柔度方面可以忽略，因此声压 P 如下所示：

(13)

如果是这样，分母是车身的悬挂安装点柔度，因此在考虑如何降低声学灵敏度时，如果车身悬架安装点柔度降低，悬架传递力就会增加。因此，在这种情况下，降低安装点柔顺性的声学灵敏度降低技术是无效的。换句话说，在这种情况下，为了降低声压，必须降低车身声学灵敏度并保持安装点柔顺性。

车身的悬架安装点位移X_b 如下所示：

(14)

由于这种位移是均匀的，无论车身特征如何，悬架传递力可以视为均匀位移的输入。

方案 C：对G_total的贡献分散在特征中

在这种情况下，每个柔度值大致相同，因此不能忽略组成 G_total的特征。因此，声音压力 P与式（ 10）相同。

(15)

此方案介于方案 A 和 B 之间，因此输入状态可能被视为既不是均匀力也不是均匀位移。

是否减少身体的悬挂安装点柔度的判断方法

如果每个柔度值对G_total的贡献分散在上述方案 C 中的特征中，则悬架传递力的变化程度将因车身悬架安装点柔度的变化而变化。因此，该研究接着观察了由于车身悬架安装点柔度的变化，悬架传递力的变化程度。如果G_b 和 K ¹ G_s的比表示为 A，则应用以下公式：

(16)

如果由于某些对策使车身悬架安装点符合性 G_b 降低 szlig; dB，则后对策 G_b 表示为 G_b^rsquo;。

如果 10^{minus;szlig;/10} = B，则应用以下公式：

(17)

如果对策后悬架传递力表示为 F ^rsquo;，则可以从以下方程中找到：

(18)

(19)

举例来说，如果车身悬架安装点柔度G_b降低10 dB，悬架传递力的变化速率与G_b与K^-1 G_s的比率之间的关系如图5所示。图 5显示当G_b减小时，G_b 与 K ¹ G的比率越大，悬架传递力的增加就越大。

图 5. G_b/K^-1 G_s 与输入力变化之间的关系 （G_b^rsquo;/G_b= -10 dB）

上述三种情况的考虑是基于具有一种自由度的衬套。但是，即使衬套具有多个自由度，结果似乎与仅评估总安装点矩阵 [G_total]的对角线项相同。

也就是说，在尝试车身对策以降低道路噪音时，有必要监控由于改变车身悬架安装点的柔顺性而降低声学灵敏度的数量以及悬架传递力的增加量。然而，在监测悬架传递力变化时考虑车身在车辆开发中提出了许多问题，因为在开发车身和悬挂时，分别确定了目标值，因此，有必要设置阈值，以评估悬架传递力是否可能发生变化，并确定是否可以降低车身的悬挂安装点柔顺性。图 5显示当G_b 与 K^--1 <em

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