天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲解耦試驗(yàn)研究及噪聲優(yōu)化評價(jià)方法

劉杰 馮浩

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

主題詞：電動天窗 噪聲解耦 試驗(yàn) 評價(jià)方法

1 前言

汽車電動天窗前、后排框架上裝有驅(qū)動玻璃板或遮陽簾運(yùn)行的電機(jī)，會引入振動噪聲。目前在售車型的車身和天窗之間鮮見柔性解耦措施，天窗電機(jī)與車頂鈑金間的振動噪聲解耦效果一般，天窗電機(jī)運(yùn)行時(shí)易引起車頂鈑金共振，使整車的NVH 性能惡化。為解決這一問題，本文提出橫向筋和縱向筋2 種噪聲解耦方案，通過試驗(yàn)驗(yàn)證其噪聲解耦的有效性，并借助本文提出的噪聲優(yōu)化評價(jià)方法，研究解耦裝置各影響因素對解耦效果影響的顯著性。

2 天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲解耦

天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲傳遞路徑如圖1所示：電機(jī)轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生不平衡振動，碳刷與換向器高速摩擦也會引起振動，二者和其他因素結(jié)合引起電機(jī)整體振動，該振動通過電機(jī)固定螺栓在天窗前、后排框架上擴(kuò)散，并通過天窗前、后排固定螺栓傳遞到車頂加強(qiáng)框，最終引起車頂鈑金的鼓面振動。

圖1 天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲傳遞路徑

天窗電機(jī)需要通過齒輪精準(zhǔn)地輸出動力，因此在電機(jī)的固定螺栓處解耦，會影響電機(jī)輸出動力，最終影響天窗運(yùn)行。另外，天窗前、后排框架多為背面加筋的單層或多層小面積蓋板結(jié)構(gòu)，傳遞到此處的振動，鼓面放大效果并不明顯。因此在電機(jī)的固定螺栓處添加解耦措施是不合適的。

天窗前、后排框架固定螺栓是將振動傳遞到車頂鈑金的關(guān)鍵位置，在此處解耦可以消除或減弱車頂鈑金的鼓面振動，因此選擇在此處解耦。

天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲解耦裝置主要包括解耦件和支撐件，該裝置在天窗前、后排框架上的安裝方式如圖2 所示：解耦件9嵌在天窗前、后排框架11與鈑金連接的安裝孔1～安裝孔8內(nèi)，支撐件10安裝在解耦件9內(nèi)部。天窗與車頂鈑金裝配時(shí)，緊固螺栓12依次壓緊支撐件10、解耦件9、天窗前、后排框架11、車頂鈑金，在實(shí)現(xiàn)天窗前、后排框架與鈑金固連的同時(shí)，柔性的解耦件可以吸收或緩和電機(jī)的振動，從而改善天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲問題。

圖2 天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲解耦裝置示意

支撐件由11SMnPb30 鋼制成，解耦件由Shore A 20～60 硬度范圍內(nèi)的硅橡膠制成，可以起到高頻減振作用。解耦件通孔內(nèi)壁有若干條橫向或縱向筋，該結(jié)構(gòu)允許解耦件內(nèi)壁與支撐件外壁的接觸力動態(tài)變化，在軸向或徑向具有柔性，起到軸向或徑向解耦的作用。另外，考慮到車輛在寒冷環(huán)境下使用的情況，硅橡膠在低溫條件下也有較好的柔性，可起到解耦作用。2種形式的解耦件如圖3所示。

圖3 解耦件和支撐件示意

支撐件下部的法蘭帶有錐度，在壓緊解耦件的同時(shí)，支撐件與解耦件的接觸力在軸向也可以動態(tài)變化，起到軸向解耦作用。在解耦件和支撐件的共同作用下，該裝置可以在多個方向?qū)⑻齑半姍C(jī)的振動與車頂鈑金解耦，起到減振降噪作用。

3 天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲解耦試驗(yàn)

3.1 噪聲解耦裝置有效性試驗(yàn)

如圖2a 所示，天窗前、后排框架有8 個與車頂鈑金連接的安裝孔位。本文所述的天窗玻璃板和遮陽簾電機(jī)分別安裝在孔2、孔3 以及孔6、孔7 之間。為了驗(yàn)證天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲解耦裝置的有效性，針對遮陽簾電機(jī)運(yùn)行噪聲解耦，設(shè)計(jì)如表1 所示的對比試驗(yàn)。其中，對照組E使用原車螺栓剛性連接，為無解耦狀態(tài)，E去除后排框架4顆螺栓，僅靠天窗左右導(dǎo)軌上的螺栓與車頂連接，是一種完全解耦的理想狀態(tài)。前排框架4個固定螺栓均為剛性連接。

表1 天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲解耦裝置有效性試驗(yàn)表

試驗(yàn)前，將天窗玻璃板和遮陽簾電機(jī)換裝成噪聲明顯的問題件，將某型SUV車頂切割，在半消聲室中按照表1中E～E依次進(jìn)行天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲測量試驗(yàn)。為測量駕駛員和乘客頭部耳旁位置的噪聲，在車頂左前和右后側(cè)天窗下方30 cm 處布置麥克風(fēng)，如圖4 所示。分別記錄遮陽簾開啟和關(guān)閉工況下，前、后2 個麥克風(fēng)所測量的聲壓級時(shí)程，并對其進(jìn)行噪聲頻域分析。噪聲聲壓級（Sound Pressure Level）定義為：

圖4 天窗運(yùn)行噪聲測試情況

式中，為采樣點(diǎn)聲壓有效值；為參考聲壓，即人的聽覺下限聲壓，取=2×10Pa。

3.2 正交試驗(yàn)因素選擇

本文選擇解耦件邵氏硬度、法蘭邊緣厚度、支撐件外徑、橫向筋圓角、縱向筋圓角及其數(shù)量作為試驗(yàn)因素，部分因素如圖5 所示。法蘭邊緣厚度可以控制法蘭面的錐度（法蘭根部尺寸不變），從而控制解耦件與支撐件在軸向的接觸力；支撐件外徑可以控制解耦件筋條與支撐件配合的過盈量；縱向筋的均布數(shù)量和筋圓角可以控制解耦件與支撐件的徑向接觸力。

圖5 各因素示意

3.3 橫向筋解耦裝置正交試驗(yàn)

為了研究解耦件硬度、支撐件法蘭錐度、解耦件內(nèi)壁橫向筋過盈量、橫向筋圓角等因素對天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲解耦效果的影響，針對只有1 條橫向筋的解耦件，設(shè)計(jì)如表2 所示的四因素三水平正交試驗(yàn)。F～F每組分別使用8個相同橫向筋解耦裝置，將其安裝在圖2所示的8 個孔處，開關(guān)玻璃板和遮陽簾時(shí)，測量其動態(tài)聲壓均方根值。

表2 橫向筋解耦裝置正交試驗(yàn)表

3.4 縱向筋解耦裝置正交試驗(yàn)

為了研究解耦件硬度、支撐件法蘭錐度、解耦件內(nèi)壁縱向筋數(shù)量、縱向筋圓角等因素對天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲解耦效果的影響，針對縱向筋解耦件，設(shè)計(jì)如表3 所示的四因素三水平正交試驗(yàn)。與3.3節(jié)類似，G～G每組分別使用8個相同的縱向筋解耦裝置，將其安裝在圖2中的8 個孔處，開關(guān)玻璃板和遮陽簾時(shí)，測量其動態(tài)聲壓均方根值。

表3 縱向筋解耦裝置正交試驗(yàn)表

4 天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲解耦裝置關(guān)鍵影響因素分析

4.1 噪聲解耦裝置有效性分析

3.1 節(jié)對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，分別展示了遮陽簾開、關(guān)工況下2 個麥克風(fēng)測量的聲壓級頻譜。由圖6可見，在后排框架與車頂鈑金采用4個螺栓剛性連接的情況下，麥克風(fēng)采集的聲壓級峰值集中在500～1 000 Hz范圍內(nèi)，且人耳對1 000 Hz的聲音最為敏感，與該遮陽簾電機(jī)的主觀噪聲評價(jià)較差的情況一致。

圖6 遮陽簾開、關(guān)工況2個麥克風(fēng)測量的聲壓級頻譜

由于人腦對瞬時(shí)聲壓幅值波動不敏感，但對動態(tài)聲壓的均方根值（RMS）敏感，因此計(jì)算4組試驗(yàn)工況的聲壓級，匯總結(jié)果如表4所示。由表4可知：完全去除4顆固定螺栓是一種理想的解耦情況，對照組E的聲壓級都處于較小水平；使用2個解耦裝置時(shí)（E）的聲壓級介于剛性連接和無任何連接的完全解耦狀態(tài)之間；使用4個解耦裝置時(shí)（E）的聲壓級較使用2個解耦裝置時(shí)（E）小，與去除4 顆固定螺栓的完全解耦狀態(tài)幾乎相當(dāng)，且該解耦裝置在500～2 000 Hz 的頻段具有明顯的降噪效果。由此可見：該解耦裝置對天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲解耦有效，使用4個解耦裝置時(shí)的噪聲水平優(yōu)于使用2個解耦裝置時(shí)的噪聲水平。

表4 橫向筋解耦裝置有效性試驗(yàn)聲壓級 dB(A)

4.2 噪聲優(yōu)化評價(jià)方法

本文采用加權(quán)均方誤差對試驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行處理。在解耦裝置優(yōu)化噪聲水平基礎(chǔ)上，其值越大，解耦效果越好。定義式為：

式中，為評價(jià)結(jié)果，即A 計(jì)權(quán)聲壓級的加權(quán)均方誤差；為3.3 節(jié)和3.4 節(jié)橫、縱向筋解耦裝置正交試驗(yàn)中玻璃板和遮陽簾開關(guān)工況下左前、右后麥克風(fēng)的測量次序，且當(dāng)取奇數(shù)時(shí)代表左前麥克風(fēng)測量值，當(dāng)取偶數(shù)時(shí)代表右后麥克風(fēng)測量值；=8 為一組解耦裝置噪聲測量總數(shù)；W為不同位置測得的A 計(jì)權(quán)聲壓級的權(quán)重系數(shù)，W=（當(dāng)取奇數(shù)），W=（當(dāng)取偶數(shù)）；依次取原車剛性連接狀態(tài)E第次測得的A計(jì)權(quán)聲壓級；=1,2,…,9為F～F或G～G9組正交試驗(yàn)，為第組樣件的第次測量值。

4.3 橫向筋解耦裝置關(guān)鍵影響因素分析

3.3 節(jié)對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。其中，樣件組E是在前后排框架與車頂之間使用8 顆螺栓剛性連接狀態(tài)下測量的聲壓級。

表5 橫向筋解耦裝置正交試驗(yàn)聲壓級 dB(A)

針對天窗電機(jī)不同布置方案和不同級別車型，噪聲優(yōu)化評價(jià)準(zhǔn)則應(yīng)體現(xiàn)出差異：當(dāng)玻璃板電機(jī)和遮陽簾電機(jī)都布置在天窗前排框架或針對A0 和A 級車時(shí)，＞；當(dāng)玻璃板電機(jī)和遮陽簾電機(jī)都布置在后排框架或針對B和C級車時(shí)，＜；當(dāng)玻璃板電機(jī)和遮陽簾電機(jī)分別布置在前后排框架或車型因素不重要時(shí)，=。為了研究工程實(shí)踐中可能出現(xiàn)的上述3種全部情況，本文分別取歸一化的權(quán)重系數(shù)=2/3、=1/3，==1/2，=1/3、=2/3討論解耦裝置降噪效果及各影響因素的顯著性。使用式（2）對表5中的測量結(jié)果進(jìn)行分析，繪制如圖7所示的不同權(quán)重時(shí)橫向筋解耦裝置噪聲優(yōu)化評價(jià)結(jié)果。綜合表5和圖7不難發(fā)現(xiàn)，9組橫向筋解耦裝置均有噪聲優(yōu)化效果，且在=1/3、=2/3時(shí)，噪聲優(yōu)化評價(jià)結(jié)果更好，故橫向筋解耦裝置對后排遮陽簾電機(jī)運(yùn)行噪聲有較大改善。

圖7 不同權(quán)重橫向筋解耦裝置噪聲優(yōu)化評價(jià)結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[11]提供的方法，對表5 中的測量結(jié)果進(jìn)行直觀分析，并繪制各因素的影響趨勢，如圖8 所示。綜合對比圖8可見，不論評價(jià)方法中權(quán)重系數(shù)、取值如何，影響解耦裝置噪聲優(yōu)化的因素從顯著到不顯著的排序依次為解耦件硬度、橫向筋圓角、法蘭邊緣厚度、支撐件外徑，說明該噪聲優(yōu)化評價(jià)方法可以客觀反映不同解耦裝置影響因素的顯著性，而與權(quán)重系數(shù)的選擇無關(guān)。解耦件硬度對噪聲優(yōu)化的影響最大，并且硬度值取45 時(shí)，噪聲優(yōu)化效果最好。針對橫向筋解耦裝置，并非解耦件硬度越小越好，這與解耦件橫向筋結(jié)構(gòu)有關(guān)。取橫向筋圓角=0.5 mm 時(shí)，噪聲優(yōu)化效果最好，說明橫向筋圓角越小，橫向筋軸向接觸力越小，越接近完全解耦的狀態(tài)。

圖8 不同權(quán)重時(shí)橫向筋解耦裝置影響因素趨勢

4.4 縱向筋解耦裝置關(guān)鍵影響因素分析

3.4節(jié)對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。使用式（2）對表6中的測量結(jié)果進(jìn)行分析，繪制如圖9所示的不同權(quán)重縱向筋解耦裝置噪聲優(yōu)化評價(jià)結(jié)果。綜合表6和圖9可以看出，9 組縱向筋解耦裝置均有噪聲優(yōu)化效果，且在=1/3、=2/3 時(shí)，噪聲優(yōu)化評價(jià)結(jié)果更好。更重要的是，對比圖7和圖9可見，多個縱向筋解耦裝置的噪聲優(yōu)化評價(jià)結(jié)果普遍較單個橫向筋解耦裝置的評價(jià)結(jié)果大，說明多個縱向筋解耦裝置比單個橫向筋擁有更加優(yōu)異的噪聲優(yōu)化性能。

表6 縱向筋解耦裝置正交試驗(yàn)聲壓級 dB(A)

圖9 不同權(quán)重縱向筋解耦裝置評價(jià)結(jié)果

同上，對表6 中的測量結(jié)果進(jìn)行直觀分析，并繪制各因素的影響趨勢圖，如圖10所示。

圖10 不同權(quán)重時(shí)縱向筋解耦裝置影響因素趨勢

由圖10 可見，不論評價(jià)方法中權(quán)重系數(shù)、取值如何，影響解耦裝置噪聲優(yōu)化的因素從顯著到不顯著的排序依次為解耦件硬度、法蘭邊緣厚度、縱向筋數(shù)量、縱向筋圓角，說明該噪聲優(yōu)化評價(jià)方法同樣適用于縱向筋解耦裝置。解耦件硬度對噪聲優(yōu)化的影響最大，并且硬度值越小，越接近完全解耦的狀態(tài)，噪聲優(yōu)化效果越好。法蘭邊緣厚度=1 mm 時(shí)，縱向筋與該法蘭錐面的接觸狀態(tài)最優(yōu)，噪聲優(yōu)化效果最好；縱向筋數(shù)量越少，解耦件越接近完全解耦狀態(tài)，噪聲優(yōu)化效果越好。

5 結(jié)束語

本文通過天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲解耦裝置有效性試驗(yàn)和影響因素正交試驗(yàn)，并借助天窗噪聲優(yōu)化評價(jià)方法研究了天窗電機(jī)運(yùn)行噪聲解耦裝置的有效性和相關(guān)影響因素的顯著性，可以得出以下結(jié)論：

a.本文提出的橫向筋和縱向筋解耦裝置和原車剛性連接狀態(tài)相比均有噪聲優(yōu)化效果。

b.本文提出的噪聲優(yōu)化評價(jià)方法可以客觀反映橫向筋和縱向筋解耦裝置各影響因素的顯著程度，定性分析結(jié)果不隨權(quán)重系數(shù)取值而改變。

c.多個縱向筋解耦裝置的降噪效果明顯優(yōu)于單個橫向筋解耦裝置，影響縱向筋解耦裝置降噪效果因素分類，依據(jù)顯著性從高到低依次為：解耦件硬度、法蘭邊緣厚度、縱向筋數(shù)量、縱向筋圓角。