增加結構阻尼塊對汽車關門聲品質提升的分析

王 榮 高志雙

吉利汽車研究院(寧波)有限公司 浙江寧波 315336

1 分析背景

客戶在現場挑選車輛時,第一步的操作往往是開關車門,關門聲品質會直接影響用戶對一臺車的主觀感受,包括高檔與低檔、運動感與舒適感、悅耳與沉悶等。由此,關門聲品質越來越受到汽車制造業界的重視,研究內容包括主觀評價、客觀衡量指標、特定聲品質的實現等[1-3]。

美國福特汽車公司采用尖銳度、響度、振顫等指標來評價關門聲品質。尖銳度是噪聲頻率分布的度量,反映了高頻段與低頻段聲音成分的比例關系。響度是聲音強度的度量,考慮了特征頻帶分布和人耳的掩蔽效應對聲音的影響。振顫反映了車門關閉首次沖擊時產生音調的持續時間長度[4-6]。除了以上客觀評價指標外,往往還要進行主觀評價,主觀評價從1分到10分進行評分。

關門聲品質主觀評價評分見表1。

表1 關門聲品質主觀評價評分

1分到4分表明關門聲品質差,絕大多數客戶無法接受。5分、6分為過渡階段,部分客戶可接受,而另一些客戶無法接受,所以6分為及格線。7分及以上表示關門聲品質比較好,大部分客戶都可以接受。10分表示關門聲品質非常好,無可挑剔,人們對這種聲音有極大的滿足感[7-9]。

影響關門聲品質的因素很多,主要包括關閉力、關閉速度、車門密封條剛度、鎖性能、鉸鏈與限位器布置及性能、鈑金件剛度、車門內間隙、氣流場路徑等。設計初期,可以通過控制以上因素提升關門聲品質,主要措施包括四方面。第一,控制鉸鏈位置及結構形式。鉸鏈與限位器集成一體,更加有助于減小關閉力,而減小關閉力可有效降低壓耳感。第二,提升密封條截面形狀、剛度和布置,有助于提升關門聲品質,改善關門振顫情況。第三,提升車門鈑金件的剛度。車門的模態對關門聲品質及關門抖動問題可以起到較大影響。第四,優化車門內間隙,改善氣流場環境,從而提升關門聲品質。

年款及小改款車型模具與布置基本確定,無法大范圍對車身及車門結構進行更改。對此,通過在適當的位置增加結構阻尼塊,來提升側門模態及窗框剛度,為改善關門振顫,提升關門聲品質提供了一種新思路。筆者對此進行分析。

2 結構阻尼塊仿真模型

以某款車型后門為例,實車感知車門在關閉過程中窗框抖動明顯。經計算機輔助工程軟件仿真,發現窗框剛度較低。增加結構阻尼塊后,窗框剛度提升明顯。隨后進行的噪聲、振動、聲振粗糙度指標試驗結果表明,結構阻尼塊可有效抑制關門振顫,在同等關門速度下,振幅減小約20%。由此建立了車門振顫與窗框剛度的等效關系。

結構阻尼塊由骨架、發泡膠構成。骨架一般是塑料材質,可以設計為不同結構形式。發泡膠膨脹后將骨架與鈑金件緊密接合,起到提升結構剛度與強度的作用[10]。結構阻尼塊仿真模型如圖1所示,鈑金件與膠、膠與骨架之間采用共節點或RBE3進行連接。

圖1 結構阻尼塊仿真模型

3 車門仿真模型建立

計算機輔助工程軟件分析車門窗框剛度的模型包括白車門及鉸鏈總成,取正常關閉位置,分三種工況進行約束。

工況1為約束車身側鉸鏈安裝點SPC123456,側門鉸鏈繞鉸鏈軸自由旋轉,鎖約束SPC2356,但允許繞鎖扣旋轉,如圖2所示。

圖2 工況1

工況2為約束車身側鉸鏈安裝點SPC123456,側門鉸鏈繞鉸鏈軸自由旋轉,鎖約束SPC2356,但允許繞鎖扣旋轉,緩沖塊約束SPC2法向,如圖3所示。

圖3 工況2

工況3為約束車身側鉸鏈安裝點SPC123456,側門鉸鏈繞鉸鏈軸自由旋轉,鎖約束SPC2356,但允許繞鎖扣旋轉,窗框下端約束SPC123456,如圖4所示。

圖4 工況3

三種工況的加載采用同一種方法,即在窗框上均勻選取加載點,在25 mm×25 mm范圍內用RBE2連接,分別在耦合點施加100 N力,方向指向車門外側。

測量加載點在對應加載力方向下投射到車門外板處點的位移,則可以得到窗框剛度。窗框剛度的評價標準為工況1大于30 N/mm,工況2大于40 N/mm,工況3大于70 N/mm。

4 增加結構阻尼塊對車門窗框剛度影響

計算機輔助工程仿真發現,車門B、C、D、E位置窗框剛度小,不滿足設計目標。在實車感知中,B、C、D、E區域的關門抖動明顯。分析結構發現,這一區域支撐不足。在適當位置增加結構阻尼塊,進行仿真分析,如圖5所示。

圖5 增加結構阻尼塊位置

增加結構阻尼塊后,車門窗框剛度明顯提升,結果見表2、表3、表4。尤其是位置1處的結構阻尼塊,對窗框剛度的貢獻量很大?？紤]到成本問題,僅增加位置1的結構阻尼塊進行實車驗證。

表2 僅增加位置1結構阻尼塊剛度提升結果

表3 制動力測試結果

表3 僅增加位置2結構阻尼塊剛度提升結果

表4 增加位置1、2結構阻尼塊剛度提升結果

5 噪聲、振動、聲振粗糙度指標試驗驗證

試驗車輛如圖6所示。試驗車輛狀態為空調內循環,測試設備采用八通道便攜式數據采集器、關門速度傳感器和分析軟件。

圖6 試驗車輛

1.2 m/s關閉速度下,車門窗框右上角的窗框振顫曲線如圖7所示,對應位置D,g為重力加速度。試驗結果顯示,增加結構阻尼膠塊之后,振動幅值減小明顯。增加結構阻尼塊前后,在1.2 m/s的關閉速度下,車內外耳感知到的響度、聲壓級、尖銳度的變化情況依次如圖8、圖9、圖10所示。

圖7 車門窗框振顫曲線

圖8 響度變化

圖10 尖銳度變化

增加結構阻尼塊前后,關門聲品質變化情況對比見表5。

表5 關門聲品質變化對比

試驗表明,增加結構阻尼塊有效抑制了關門振顫,對關門聲品質的其它指標也有貢獻。

6 結束語

結構阻尼塊能有效提升車門剛度、模態、碰撞安全性能,近年來正在整車上得到廣泛使用。筆者通過計算機輔助工程軟件仿真及試驗,從兩個方面驗證了增加結構阻尼塊對提升關門聲品質的有效性,為汽車車門設計和優化車門性能提供了新思路。