1 概述

    近年來中國汽車工業(yè)迅速發(fā)展，中國已成為世界上最大的汽車生產(chǎn)國和消費國，天窗版汽車成為多數(shù)購車者的首選,主要因為天窗能夠有效地使車內(nèi)空氣流通，增加新鮮空氣的進入，為車主帶來健康、舒適的享受。同時汽車車窗也可以開闊視野，也常用于移動攝影攝像的拍攝需求。隨著汽車安全性、動力性的提升，消費者對汽車舒適性也有了較高的要求，天窗作為汽車的重要組成部分，其NVH (Noise、 Vibration、Harshness)性能對乘員的舒適性有重要的影響。

    2 汽車天窗噪聲

    當天窗產(chǎn)生振動和噪音的時候，首先必須尋找天窗振動噪音源及產(chǎn)生機理，然后針對各種振動噪音源采取相應(yīng)對策。天窗噪聲振動激勵源主要有：發(fā)動機激勵、路面激勵、風扇等旋轉(zhuǎn)機械激勵、風激勵、摩擦和撞擊激勵。下面將簡單的介紹這些振動源和應(yīng)對措施。

    2.1 發(fā)動機和路面噪聲等振動源

    汽車在使用的過程中，發(fā)動機和路面等激勵通過車輛的傳動系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)，經(jīng)過車身傳給天窗，若天窗的模態(tài)頻率與發(fā)動機怠速和路面等激勵的頻率重合，將會導致明顯的振動或因為振動產(chǎn)生異響，如怠速的轟鳴聲，加速時天窗的抖動等等，這些天窗的問題都會影響乘員的舒適性，從而影響消費者對整車質(zhì)量的評價。因而，在天窗開發(fā)的過程中，天窗的模態(tài)是成為一個關(guān)鍵的考核指標。

    在整車開發(fā)前期階段，為了使各個系統(tǒng)的模態(tài)分離和解耦，必須制定整車模態(tài)規(guī)劃表來嚴格規(guī)范各個子系統(tǒng)的開發(fā)。因此在天窗前期開發(fā)階段也必須基于整車的發(fā)動機類型，怠速范圍，風扇轉(zhuǎn)速，道路情況和天窗等因素，確定天窗各在各個狀態(tài)下的頻率，必須滿足一個重要的基本原則：天窗的固有頻率與激勵頻率之間要差3Hz以上。

    發(fā)動機激勵源 ：對于汽車常用的四缸發(fā)動機來說，通怠速轉(zhuǎn)約為750 ～850r/min, 其怠速時的頻率為25～28 Hz 。加速和巡航時候的轉(zhuǎn)為1000~6000r/min, 其激勵頻率為33.3~200Hz。

    路面與輪胎激勵 ：與汽車行駛速度和輪胎尺寸大小有關(guān)，第一階動不平衡激勵頻率一般為10~20Hz。

    旋轉(zhuǎn)機械激勵源 ：風扇、發(fā)電機水泵等旋轉(zhuǎn)械通過車身傳給天窗,其中風扇的激最為常見。風扇的轉(zhuǎn)速范圍一般為1500~3000r/min, 對應(yīng)的一階動平衡頻率為25.5~50Hz。

    2.2 風激勵引起的噪聲振動源

    在長時間的駕駛過程中，天窗打開可以改善車內(nèi)的空氣質(zhì)量,但是天窗的打開會引起氣動噪聲，它的頻率低（<20Hz）強度卻很高（>100dB）,雖然它不易被人耳聽到，但是它產(chǎn)生脈動壓力卻使駕乘人員感到煩躁和疲倦，影響駕乘的舒適性。由于天窗打開后，車廂內(nèi)形成空腔。車外高速的氣流與車內(nèi)相對靜止的氣體存在一個剪切層。當車內(nèi)外的氣流速度差超過一個臨界值后，剪切層就會處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，最終形成漩渦，并周期性散發(fā)，當漩渦的發(fā)散頻率與車廂的空氣固有頻率一致時，就會產(chǎn)生了風振噪聲[2]。控制風振噪聲最基本的方法就是打破氣流在天窗前后邊緣的運動，或者不讓氣流吹到天窗。通常在天窗的前邊緣加擋風條和側(cè)邊加擋風板如圖1和2所示。

    2.3 摩擦和撞擊異響噪聲源

    天窗異響噪聲是指汽車在行駛中或天窗在運動過程中出現(xiàn)的非正常、沒有規(guī)律的聲音。異響的隨機性強，重復一致性差。天窗的異響通常分為兩類：尖叫異響和撞擊異響。

    尖叫異響通常是由于材料之間的摩擦而引起的聲音。比如在某天窗運行停止和啟動的時候，機械組滑塊和導軌之間的相互摩擦并存在黏滑效應(yīng)，容易產(chǎn)生尖叫異響。

    撞擊異響是指兩個零件相互發(fā)生碰撞而發(fā)出的敲擊的聲音。比如，汽車在凹凸路面行駛的時候，路面的沖擊會引起天窗遮陽板撞擊中橫梁，發(fā)出撞擊異響。

    產(chǎn)生天窗異響的原因有很多,主要是：間隙設(shè)計不合理、尺寸公差控制不好、裝配精度不高和安裝不牢靠、接觸面材料兼容性差、結(jié)構(gòu)的剛度和模態(tài)不合理等。

    天窗異響通常通過試驗來識別，也可以通過CAE來預測。試驗識別異響主要是在實際的道路和試驗室臺架的兩個環(huán)境中通過主觀評價和客觀測試來識別異響。異響CAE分析主要通過剛度和模態(tài)等分析方法。比如天窗版汽車在道路上進行風載測試時，天窗的整體剛度不足導致天窗密封條與車頂之間產(chǎn)生縫隙，車外的噪聲就會穿過此縫隙傳到車內(nèi)，這種透過縫隙的噪聲就被定義為氣吸噪聲，因此可以通過CAE分析天窗在高速風載下密封條與車頂之間是否有間隙，就可以預測天窗的氣吸噪聲。還有關(guān)于天窗密封條在天窗開啟過程中是否產(chǎn)生噪音，請參閱我已經(jīng)發(fā)表的文章《汽車天窗密封條分析與優(yōu)化》。

    3 汽車天窗掃頻測試

    正如前面所述，在汽車天窗開發(fā)階段，天窗的固有頻率成為一個重要的指標，為了在天窗前期開發(fā)階段能夠利用CAE技術(shù)校核天窗的固有頻率，首先需要驗證CAE分析的可信度。偉巴斯特(Webasto)中國在2013年選取了某款汽車天窗為研究對象，進行了天窗固有頻率測試，同時也利用了OptiStruct進行了頻率響應(yīng)CAE分析，下面先簡單的介紹天窗固有頻率測試。

    3.1 振動臺掃頻測試

    振動臺掃頻激勵是測試系統(tǒng)固有頻率和阻尼的常見方法，其測試方法可以概括為：用振動臺以基礎(chǔ)激勵的方式對天窗進行正弦掃頻激勵，掃頻范圍為10～100 Hz，振動量級為：0.9g、0.5g、0.1、0.05g (g=9.8m/s2)。掃頻測試裝置如圖（3）所示。

    圖3 天窗掃頻測試裝置圖

    在對實驗數(shù)據(jù)分析時候，將天窗系統(tǒng)簡化為彈簧、阻尼器、質(zhì)量塊的單自由度模型，其結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)相對于基礎(chǔ)的振幅放大因子β及最大值βmax為：

    圖4 頻譜圖半功率帶寬點示意圖

    對汽車天窗進行了不同能量下的激勵測試，其中0.05g 測試結(jié)果如圖5所示，表1列出了在不同振動能量級下天窗系統(tǒng)固有頻率及相對阻尼系數(shù)的實驗結(jié)果。

    從表1可以看出，隨著基礎(chǔ)激勵量級的增大，系統(tǒng)固有頻率減小，相對阻尼系數(shù)增大，呈現(xiàn)出較明顯非線性現(xiàn)象，即“頻率漂移”現(xiàn)象。

    3.2 影響因素

    汽車天窗中使用了大量的金屬，玻璃，塑料和橡膠許多種材料，通常有幾百個零件組成，機構(gòu)的運動主要是通過接觸來連接的。影響天窗頻率非線性的主要因素是材料和接觸的非線性，其中接觸連接非線性是造成“頻率漂移”的主要原因。

    任何材料特別是塑料和橡膠在大變形的情況下不滿足胡克定律，即受力和變形或應(yīng)力和應(yīng)變是非線性關(guān)系。

    汽車天窗運動是通過接觸來連接，隨著振動量級的增加，接觸之間就會出現(xiàn)間隙，因此汽車天窗存在接觸連接非線性。

    因此在測試天窗的固有頻率時激勵能量盡可能小，否則天窗表現(xiàn)出明顯的非線性現(xiàn)象。

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本文標題：汽車天窗噪聲源介紹和模態(tài)分析與優(yōu)化（一）

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