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新能源汽車減振橡膠件異響機理與測試方法研究

嘉峪檢測網(wǎng) 2025-12-16 12:05

摘要：隨著新能源汽車（含混合動力、增程及純電動類型）動力系統(tǒng)運行噪聲大幅降低，減振橡膠件的異響問題在這類車型上愈發(fā)凸顯。經(jīng)長期研究，已總結(jié)出一套針對減振橡膠件異響的機理分析與測試驗證方法：首先在整車上采集異響路況下的原始信號，再分析異響傳遞路徑，隨后運用數(shù)字信號處理與高通濾波技術(shù)轉(zhuǎn)化為臺架模擬試驗條件，以此再現(xiàn)與整車一致的異響現(xiàn)象，進而精準識別異響根源并制定解決方案。該研究融合理論分析與實測數(shù)據(jù)，為解決新能源汽車減振橡膠件異響問題提供了切實可行的理論指導。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；減振橡膠件；異響；傳遞路徑；數(shù)字信號處理技術(shù)

當前行業(yè)內(nèi)針對異響的研究多聚焦于整車級與系統(tǒng)級（如底盤系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等）[1-3]，對零件級異響的專項研究仍存在明顯缺口。鑒于此，本文以新能源汽車減振橡膠件為研究對象，針對性地開展異響機理與測試方法研究：基于振動傳遞路徑理論，系統(tǒng)剖析整車異響的空氣傳播與結(jié)構(gòu)傳播機制。針對減振橡膠件的六類典型異響（金屬接觸異響、粘滑異響、限位塊撞擊異響、解耦膜拍擊異響、空穴異響及共振異響），結(jié)合低摩擦涂層、流道優(yōu)化設(shè)計、模態(tài)調(diào)頻等行業(yè)前沿異響抑制技術(shù)，提出“快速排查－臺架驗證－整車評價”的全流程解決方案。在此基礎(chǔ)上，研究進一步驗證了“材料-結(jié)構(gòu)-工藝”協(xié)同優(yōu)化策略的有效性，為行業(yè)提供了可復用的異響控制方法論。

本研究充分響應(yīng)ISO 10846-1－2008等國際標準對異響測試規(guī)范化的要求，融合高精度傳感器與數(shù)字信號處理技術(shù)，如快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT）分析、高通濾波，構(gòu)建起高效的異響定位與評價體系。研究成果不僅可為新能源汽車輕量化設(shè)計提供技術(shù)支撐，更能為高靜謐性座艙開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)，具備顯著的工程應(yīng)用價值與行業(yè)參考意義。

1 減振橡膠件異響傳播機理

1.1 異響傳遞路徑

減振橡膠件廣泛裝配于整車各系統(tǒng)，其產(chǎn)生的異響通常通過空氣傳播與結(jié)構(gòu)傳播兩種路徑傳遞至人耳，且僅當異響頻率處于20～20 000 Hz（人耳可聽聲范圍）時可被感知；而頻率低于20 Hz的次聲波與高于20 000 Hz的超聲波，因超出人耳感知閾值，均無法被人體聽覺系統(tǒng)捕捉。

1）空氣傳播：經(jīng)空氣傳播的異響易被路噪、胎噪等環(huán)境噪聲覆蓋，導致其在車內(nèi)的辨識度較低，難以精準捕捉。

2）結(jié)構(gòu)傳播：經(jīng)結(jié)構(gòu)傳播的異響會沿車身等剛性結(jié)構(gòu)部件傳遞，且在傳遞過程中易因結(jié)構(gòu)共振或振動放大效應(yīng)增強，最終轉(zhuǎn)化為可清晰感知的噪聲，因此在車內(nèi)更易被識別[4]。具體傳遞路徑可分為兩類：一類是動力系統(tǒng)振動激勵產(chǎn)生的異響，沿“懸置－車身縱梁/副車架－方向盤/地板/座椅”路徑傳遞至駕駛艙；另一類是路面激勵產(chǎn)生的異響，沿“輪胎－懸掛系統(tǒng)－車身－方向盤/地板/座椅”路徑傳遞至駕駛艙。

1.2 振動放大效應(yīng)

結(jié)構(gòu)件固有頻率與激勵頻率耦合時，振動能量通過共振效應(yīng)放大，形成可識別的異響。研究表明，減振橡膠件的動態(tài)剛度特性直接影響振動傳遞率[5]。

1.3 聲音在不同介質(zhì)中的傳遞速度

聲音在不同介質(zhì)中的傳遞速度是不同的，尤其是一些硬質(zhì)材料（彈性模量高的材料）中的傳遞速度更快（如金屬、橡膠）。裝配于整車特定位置的減振橡膠件若產(chǎn)生異響，會以結(jié)構(gòu)傳播為主要路徑，通過金屬材質(zhì)的車身結(jié)構(gòu)件快速傳導至駕駛艙內(nèi)，最終被駕乘人員的聽覺系統(tǒng)清晰感知，聲音在不同介質(zhì)中的傳遞速度如表1所示。

表1 聲音在不同介質(zhì)中的傳遞速度

2 減振橡膠件異響與解決方案

2.1 異響分類及發(fā)生機制

1）金屬接觸異響：減振橡膠件在整車長期運行過程中，橡膠材料會因持續(xù)運動產(chǎn)生磨損，當磨損導致內(nèi)部金屬骨架裸露后，裸露部位與周邊金屬部件發(fā)生磕碰，易產(chǎn)生尖銳的高頻金屬異響。此外，在新能源汽車底盤系統(tǒng)中，由于其動力系統(tǒng)運行噪聲遠低于傳統(tǒng)燃油車，原本被燃油車環(huán)境噪聲掩蓋而未被發(fā)現(xiàn)的異響問題得以凸顯，具體表現(xiàn)為底盤襯套的外套在偏擺運動時，與配合部件（對手件）產(chǎn)生相對變形，進而引發(fā)金屬異響。

2）粘滑異響：當橡膠與橡膠或橡膠與表面柔軟的電泳漆層、噴涂漆層發(fā)生滑動摩擦時，因橡膠表面摩擦系數(shù)較高，在相對位移過程中，橡膠會隨接觸的對手面同步產(chǎn)生追隨變形。當這種變形量超過橡膠自身的變形臨界點后，橡膠的復原力會驅(qū)動其快速反彈回初始位置，這一反彈過程會引發(fā)異響。

3）限位塊撞擊異響：當減振橡膠件的限位塊橡膠與金屬部件或其他橡膠部件發(fā)生撞擊時，由于橡膠材質(zhì)本身的硬度顯著低于金屬，撞擊過程中產(chǎn)生的振動頻率會遠低于金屬與金屬撞擊的異響頻率，最終表現(xiàn)為低頻振動異響。

4）解耦膜拍擊異響：當液壓懸置的浮動式解耦膜承受高頻大振幅輸入力，且輸入振幅超過解耦膜與流道板之間的上下間隙時，若解耦膜存在剛度偏高（過硬）或與流道板接觸面積過大的情況，其與流道上下板發(fā)生拍擊的概率會顯著增加，進而引發(fā)高頻振動異響。

5）空穴異響：當整車行駛過臺階、過坎等凸起路面時，動力總成會帶動懸置向上進行大位移拉伸，由于拉伸速度過快，副液室內(nèi)的液體無法及時通過流道流入主液室，主液室因此形成負壓并產(chǎn)生真空氣泡。待整車駛過凸起路面后，動力總成隨即帶動懸置向下進行大位移壓縮，此時主液室內(nèi)的真空氣泡會瞬間炸裂，產(chǎn)生振動沖擊波，進而引發(fā)異響。此外，空穴異響的產(chǎn)生具有明顯的環(huán)境關(guān)聯(lián)性（在臨界氣壓較低的高溫氛圍下，其發(fā)生概率顯著更高）。

6）共振異響：當整車上的結(jié)構(gòu)件處于固有模態(tài)狀態(tài)時，若受到與該固有頻率相同的工況力激勵，且共振現(xiàn)象（伴隨阻尼峰值出現(xiàn)）未得到有效抑制，會導致振動幅度顯著增大，進而產(chǎn)生異響。例如，減振橡膠件中的部分支架結(jié)構(gòu)，因自身剛性較弱且質(zhì)量較大，固有頻率偏低，易與整車工況力的頻率形成共振耦合，從而被激勵產(chǎn)生異響。

2.2 異響初步判斷方法及抑制策略

通過行業(yè)內(nèi)的整車驗證及市場反饋，針對發(fā)生概率較高的六類減振橡膠件異響，對其發(fā)生的工況及初步判斷方法進行了梳理，如表2所示。

表2 減振橡膠件異響分類

根據(jù)大量的實際經(jīng)驗，總結(jié)出減振橡膠件六類異響問題的抑制策略如下：

1）金屬接觸異響：通過橡膠包覆或柔性材料隔離接觸面，降低沖擊能量[6]。

2）粘滑異響：采用低摩擦系數(shù)涂層（如硅脂或聚四氟乙烯）及自潤滑橡膠配方，減少界面摩擦振動[7]。

3）限位塊撞擊異響：在限位面增加凸點、魚鱗紋、溝槽等特征，或調(diào)整接觸面結(jié)構(gòu)，減少初步接觸時的接觸面積；增大限位塊橡膠體積以降低其剛度，從而減小接觸瞬間的振動傳遞力。

4）解耦膜拍擊異響：降低解耦膜硬度，并對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化（如增設(shè)凸點、筋條等特征），以此減小解耦膜接觸流道板時的剛度；采用非浮動式解耦膜結(jié)構(gòu)，從根源上避免與流道板的常規(guī)接觸，例如，采用解耦膜與流道板斜面接觸的設(shè)計。

5）空穴異響：液壓懸置可以在解耦膜或者流道上設(shè)計單向開放閥，液壓襯套可以在主簧背面設(shè)計單向泄壓閥，在產(chǎn)生負壓時自動開閥避免空穴產(chǎn)生；也可以通過將懸置倒置設(shè)計將異響導致的傳遞力隔離在懸置主動端，避免或降低向被動端的傳遞。

6）共振異響：通過模態(tài)分析調(diào)整剛度或質(zhì)量，避開激勵頻率范圍。

在減振橡膠件品類中，液壓懸置的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)最為復雜，前述六類異響均有發(fā)生可能。因此，研究并攻克液壓懸置的異響解決方法，其技術(shù)思路與方案可橫向拓展應(yīng)用于其他減振橡膠件，為同類問題提供參考。

3 液壓懸置異響及其測試方法體系

3.1 液壓懸置異響

如圖1所示，當汽車以5～10 km/h的速度行駛過繩索路、鵝卵石路、搓衣板路等特殊路面，或以30～40 km/h的速度通過帶有大型臺階、減速帶的凹坑路面時，動力系統(tǒng)會產(chǎn)生大幅晃動，進而使懸置承受較大位移。尤其是液壓懸置，在承受大位移的情況下，有時會產(chǎn)生明顯振動與噪聲，這些振動和噪聲會經(jīng)懸置傳遞至車身，最終形成車內(nèi)可聞的異響。近年來，隨著汽車室內(nèi)靜肅性要求提升、懸置向高性能化（阻尼性能增強）、低剛度化、小型化發(fā)展，以及輪胎大徑化導致路面輸入力增加等因素疊加，進一步加劇了此類異響的發(fā)生。

圖1 汽車行駛過典型異響路況

3.2 液壓懸置異響的判別方法

通過使用整車采集到的原始波形隨機譜對產(chǎn)品進行加振，測試產(chǎn)品被動端的振動加速度。根據(jù)初步判斷得出的不同類型異響，進行高通濾波（High-Pass Filter, HPF），通過FFT處理得出頻率分布，對異響發(fā)生峰值頻率帶進行判定。將位移于HPF載荷在時域譜上對齊后，觀察HPF載荷峰值發(fā)生位置可以分辨出液壓懸置異響主要為空穴異響與解耦膜拍擊異響。

3.2.1 空穴異響

空穴異響特征有：1）在懸置拉伸的時間段附近發(fā)生；2）載荷多含高頻成分（類似金屬聲）；3）主液室內(nèi)發(fā)生的氣泡炸裂（主要原因）。

從拉伸轉(zhuǎn)換為壓縮的時間節(jié)點，氣泡會瞬間溶入液體，此時會產(chǎn)生極大的沖擊波（液體與液體激烈碰撞）。該沖擊力傳遞到車身，在車艙內(nèi)被感知后便成為異響問題，液體溫度上升超過沸點時，會轉(zhuǎn)化為沸騰的氣體。眾所周知，降低壓力可使沸點下降，這一點從高山上氣壓下降導致沸點降低的現(xiàn)象中便能理解（見圖2）。當壓力降至真空附近時，即便在常溫下液體也會沸騰（氣化），這就是空穴現(xiàn)象，結(jié)合流體“流動界面處壓力更易下降”的性質(zhì)可知，流道進出口處特別容易產(chǎn)生氣泡。

圖2 空穴異響

3.2.2 解耦膜拍擊異響

解耦膜拍擊異響特征有：1）在懸置位移處于中立的時間段附近發(fā)生；2）載荷以中低頻成分為主（嗒嗒聲）；3）解耦膜與流道上下板拍擊產(chǎn)生（主要原因）。

液壓懸置激振時，帶有間隙的解耦膜拍擊流道板的窗口骨架，會產(chǎn)生碰擊音。該碰擊音會隨液壓變動增大、起振力增加而惡化，與空穴聲相比，其頻率更低，主要集中在100～500 Hz附近，如圖3所示。

圖3 解耦膜拍擊異響

圖4 PP2異響力值

圖5 PP8異響力值

通常情況下，當測試輸出結(jié)果超出下述目標值時，異響較易發(fā)生：PP2測試（振幅為±1 mm）要求時域最大力<10 N（見圖4）；PP8測試（振幅為±4 mm）要求時域最大力<40 N（見圖5）。

3.3 液壓懸置異響的臺架測試方法

3.3.1 在整車上進行異響工況數(shù)據(jù)采集

當駕駛整車行駛過異響發(fā)生路況時，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到，異響發(fā)生瞬間液壓懸置主動端振幅為±1 mm（見圖6）、頻率為10 Hz（見圖7），該數(shù)據(jù)被用作異響臺架試驗的輸入條件。

圖6 懸置主動端振幅（Z向）

圖7 懸置主動端頻率（Z向）

3.3.2 在臺架上激振再現(xiàn)異響

采用與整車實際位移完全一致的波形，或整車載荷相當、振幅為±1、±4 mm等的正弦波，對產(chǎn)品開展臺架激振試驗，如圖8所示。測試項目包括激振位移、載荷、HPF載荷，根據(jù)需求還可采集懸置加速度及近旁聲。原始懸置載荷主要集中在低頻（10 Hz附近），而異響成分則均在100 Hz以上。試驗機輸出信號經(jīng)HPF處理后，僅截取異響部分，以此實現(xiàn)對異響的精確評價。濾波頻率通常以100 Hz為基準，也可根據(jù)實際需求調(diào)整，100 Hz以上的HPF，可排除100 Hz以下的限位塊撞擊異響及20 Hz以下的粘滑異響。

圖8 臺架異響模擬試驗

3.3.3 對測試數(shù)據(jù)進行頻譜分析

為獲取HPF載荷更詳細的信息，還會借助FFT開展頻率分析。通過研究異響的頻率特性，既能識別異響成因，如與流道、解耦膜、支架共振等的關(guān)聯(lián)，還可明確與整車的匹配性、與車身靈敏度的關(guān)聯(lián)，如排除副車架共振及判斷二級隔振是否存在，進而設(shè)定各頻率的閾值。

4 典型液壓懸置異響案例分析

案例一為液壓懸置解耦膜拍擊異響的典型實測數(shù)據(jù)。臺架測試中，激勵力控制目標為PP2< 10 N、PP8<40 N（采用非浮動解耦膜可消除異響）。由圖9和圖10可知，實測激勵力均超出標準（PP2最大為25 N，PP8最大為80 N），此時異響明顯。圖11和圖12分別為PP2、PP8振幅下的FFT結(jié)果，從曲線可觀察到200～600 Hz頻段存在明顯峰值，據(jù)此可確定異響類型為解耦膜拍擊異響。