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汽车天窗噪声源介绍和模态分析与优化(一)

2017/10/20    来源:互联网    作者:蒋振宇      
关键字:汽车天窗  振动  非线性  模态应变能  OptiStruct  
本文在汽车天窗前期开发阶段利用CAE技术准确的预测汽车天窗的固有频率,并介绍了根据模态应变能结果优化天窗模态的案例。

    1 概述

    近年来中国汽车工业迅速发展,中国已成为世界上最大的汽车生产国和消费国,天窗版汽车成为多数购车者的首选,主要因为天窗能够有效地使车内空气流通,增加新鲜空气的进入,为车主带来健康、舒适的享受。同时汽车车窗也可以开阔视野,也常用于移动摄影摄像的拍摄需求。随着汽车安全性、动力性的提升,消费者对汽车舒适性也有了较高的要求,天窗作为汽车的重要组成部分,其NVH (Noise、 Vibration、Harshness)性能对乘员的舒适性有重要的影响。

    2 汽车天窗噪声

    当天窗产生振动和噪音的时候,首先必须寻找天窗振动噪音源及产生机理,然后针对各种振动噪音源采取相应对策。天窗噪声振动激励源主要有:发动机激励、路面激励、风扇等旋转机械激励、风激励、摩擦和撞击激励。下面将简单的介绍这些振动源和应对措施。

    2.1 发动机和路面噪声等振动源

    汽车在使用的过程中,发动机和路面等激励通过车辆的传动系统、排气系统和悬架系统,经过车身传给天窗,若天窗的模态频率与发动机怠速和路面等激励的频率重合,将会导致明显的振动或因为振动产生异响,如怠速的轰鸣声,加速时天窗的抖动等等,这些天窗的问题都会影响乘员的舒适性,从而影响消费者对整车质量的评价。因而,在天窗开发的过程中,天窗的模态是成为一个关键的考核指标。

    在整车开发前期阶段,为了使各个系统的模态分离和解耦,必须制定整车模态规划表来严格规范各个子系统的开发。因此在天窗前期开发阶段也必须基于整车的发动机类型,怠速范围,风扇转速,道路情况和天窗等因素,确定天窗各在各个状态下的频率,必须满足一个重要的基本原则:天窗的固有频率与激励频率之间要差3Hz以上。

    发动机激励源 :对于汽车常用的四缸发动机来说,通怠速转约为750 ~850r/min, 其怠速时的频率为25~28 Hz 。加速和巡航时候的转为1000~6000r/min, 其激励频率为33.3~200Hz。

    路面与轮胎激励 :与汽车行驶速度和轮胎尺寸大小有关,第一阶动不平衡激励频率一般为10~20Hz。

    旋转机械激励源 :风扇、发电机水泵等旋转械通过车身传给天窗,其中风扇的激最为常见。风扇的转速范围一般为1500~3000r/min, 对应的一阶动平衡频率为25.5~50Hz。

    2.2 风激励引起的噪声振动源

    在长时间的驾驶过程中,天窗打开可以改善车内的空气质量,但是天窗的打开会引起气动噪声,它的频率低(<20Hz)强度却很高(>100dB),虽然它不易被人耳听到,但是它产生脉动压力却使驾乘人员感到烦躁和疲倦,影响驾乘的舒适性。由于天窗打开后,车厢内形成空腔。车外高速的气流与车内相对静止的气体存在一个剪切层。当车内外的气流速度差超过一个临界值后,剪切层就会处于不稳定的状态,最终形成漩涡,并周期性散发,当漩涡的发散频率与车厢的空气固有频率一致时,就会产生了风振噪声[2]。控制风振噪声最基本的方法就是打破气流在天窗前后边缘的运动,或者不让气流吹到天窗。通常在天窗的前边缘加挡风条和侧边加挡风板如图1和2所示。

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    2.3 摩擦和撞击异响噪声源

    天窗异响噪声是指汽车在行驶中或天窗在运动过程中出现的非正常、没有规律的声音。异响的随机性强,重复一致性差。天窗的异响通常分为两类:尖叫异响和撞击异响。

    尖叫异响通常是由于材料之间的摩擦而引起的声音。比如在某天窗运行停止和启动的时候,机械组滑块和导轨之间的相互摩擦并存在黏滑效应,容易产生尖叫异响。

    撞击异响是指两个零件相互发生碰撞而发出的敲击的声音。比如,汽车在凹凸路面行驶的时候,路面的冲击会引起天窗遮阳板撞击中横梁,发出撞击异响。

    产生天窗异响的原因有很多,主要是:间隙设计不合理、尺寸公差控制不好、装配精度不高和安装不牢靠、接触面材料兼容性差、结构的刚度和模态不合理等。

    天窗异响通常通过试验来识别,也可以通过CAE来预测。试验识别异响主要是在实际的道路和试验室台架的两个环境中通过主观评价和客观测试来识别异响。异响CAE分析主要通过刚度和模态等分析方法。比如天窗版汽车在道路上进行风载测试时,天窗的整体刚度不足导致天窗密封条与车顶之间产生缝隙,车外的噪声就会穿过此缝隙传到车内,这种透过缝隙的噪声就被定义为气吸噪声,因此可以通过CAE分析天窗在高速风载下密封条与车顶之间是否有间隙,就可以预测天窗的气吸噪声。还有关于天窗密封条在天窗开启过程中是否产生噪音,请参阅我已经发表的文章《汽车天窗密封条分析与优化》。

    3 汽车天窗扫频测试

    正如前面所述,在汽车天窗开发阶段,天窗的固有频率成为一个重要的指标,为了在天窗前期开发阶段能够利用CAE技术校核天窗的固有频率,首先需要验证CAE分析的可信度。伟巴斯特(Webasto)中国在2013年选取了某款汽车天窗为研究对象,进行了天窗固有频率测试,同时也利用了OptiStruct进行了频率响应CAE分析,下面先简单的介绍天窗固有频率测试。

    3.1 振动台扫频测试

    振动台扫频激励是测试系统固有频率和阻尼的常见方法,其测试方法可以概括为:用振动台以基础激励的方式对天窗进行正弦扫频激励,扫频范围为10~100 Hz,振动量级为:0.9g、0.5g、0.1、0.05g (g=9.8m/s2)。扫频测试装置如图(3)所示。

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    图3 天窗扫频测试装置图

责任编辑:张纯子
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