汽車底盤加裝功能性護(hù)板對(duì)噪聲控制分析

姚艷春，王國(guó)權(quán)，杜春英，李向楠，仝雄康

(1.北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192;2.五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020;3.天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222;4.陜西新豐泰汽車責(zé)任有限公司，陜西 西安 710016)

0 前言

近年來(lái)，汽車自身噪聲被控制得不斷降低，但隨著車速不斷提高，輪胎－路面噪聲對(duì)通過(guò)噪聲的貢獻(xiàn)越來(lái)越大，在通過(guò)噪聲法規(guī)為71 dB時(shí)的不久將來(lái)成為汽車的主要通過(guò)噪聲［1］，行駛速度超過(guò)80 km/h時(shí)，風(fēng)激勵(lì)噪聲逐漸占主導(dǎo)地位，汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲、齒輪嚙合噪聲在實(shí)際中是一種哀鳴聲，對(duì)車內(nèi)駕駛員的乘坐舒適性具有重要影響。這些噪聲都不可避免地向車內(nèi)傳遞，因此需要采取措施對(duì)以上噪聲進(jìn)行直接或間接控制來(lái)達(dá)到車內(nèi)人員乘坐舒適性的要求。

作者提出在汽車底盤加裝封蓋裝置，使其在滿足流線型的基礎(chǔ)上具有減少噪聲作用。這種裝置不僅具有目前汽車底盤噴涂或加裝防塵擋泥板的優(yōu)點(diǎn)，還具有較好的強(qiáng)度、剛度、耐熱要求和減少噪聲的功能。在航空聲學(xué)領(lǐng)域，出于對(duì)質(zhì)量控制的要求，常常使用結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕又有一定強(qiáng)度的蜂窩夾層板和褶皺夾層板來(lái)隔聲降噪［2］。對(duì)于蜂窩夾層板和褶皺夾層板應(yīng)用于飛機(jī)上的隔振降噪作用，前人進(jìn)行了很多的研究，有試驗(yàn)研究［3］和有限元數(shù)值仿真［4］，并且阻尼減振降噪材料已成功用于汽車、潛艇減振降噪［5］。文中底盤封蓋采用GMT(Glass Mat Reinforced Thermoplastics)玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。這種GMT材料具有密度小［6］、質(zhì)量輕、彎曲強(qiáng)度高、耐溫好、抗腐、隔音性好等優(yōu)良性能，其原料來(lái)源豐富，力學(xué)及電學(xué)性能良好，特別是價(jià)格相對(duì)低廉、加工方便。提出底盤功能性護(hù)板結(jié)構(gòu)和建立汽車整體噪聲控制的系統(tǒng)模型，來(lái)減少車內(nèi)噪聲和通過(guò)噪聲，并對(duì)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析研究。

1 汽車主要噪聲源及振動(dòng)源簡(jiǎn)介

1.1 汽車整體主要噪聲源

汽車的乘坐舒適性越來(lái)越成為駕駛員所關(guān)心的問(wèn)題。汽車通過(guò)噪聲不僅造成周圍環(huán)境的污染，影響人們的工作和生活，車內(nèi)的噪聲與振動(dòng)也是降低車輛舒適性的主要因素之一。為了提高車輛的舒適性，世界各大汽車公司都把車內(nèi)噪聲的控制作為一個(gè)重要的研究方向，特別是轎車，車內(nèi)噪聲狀況更是衡量轎車檔次的標(biāo)準(zhǔn)之一。任何噪聲都是由振動(dòng)產(chǎn)生的，因而噪聲、振動(dòng)與舒適性，是衡量汽車制造質(zhì)量的一個(gè)綜合性問(wèn)題。汽車在實(shí)際行駛過(guò)程中，來(lái)自車身與車外的噪聲構(gòu)成了汽車的整體噪聲，其中輪胎－路面噪聲對(duì)汽車整體噪聲的貢獻(xiàn)越來(lái)越大，其主要噪聲源如圖1所示。

1.2 對(duì)車輛乘坐舒適性影響較大噪聲源分析

汽車在行駛速度超過(guò)80 km/h時(shí)，風(fēng)噪逐漸占主導(dǎo)地位。根據(jù)Lighthill空氣動(dòng)力聲學(xué)理論，空氣動(dòng)力噪聲可以由以下3種線性聲學(xué)中典型聲源構(gòu)成［8］:單極子聲源，雙極子聲源，四極子聲源。而在汽車底盤部分，由于汽車表面溝、縫、偏激和其他幾何表面過(guò)渡處的不平整引起噪聲，尤其是汽車底部突出結(jié)構(gòu)引起噪聲等。作者設(shè)計(jì)這種裝置時(shí)，要防止將底盤的凸出物外露，減少汽車行駛時(shí)在底盤位置產(chǎn)生的風(fēng)激勵(lì)噪聲傳遞到車內(nèi)，同時(shí)對(duì)于底盤處的空氣動(dòng)力學(xué)也有益處。

因輪胎花紋與路面之間形成空腔，對(duì)空氣突然的施壓與降壓，在卸荷時(shí)將產(chǎn)生泵氣噪聲以及膠條滾壓后因形狀釋放而產(chǎn)生膠條回彈噪聲。在50～800 Hz范圍內(nèi)，粗糙路面車內(nèi)噪聲比平路面平均高出10 dB左右。而汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)源與噪聲源如圖2所示。

此外，還包括排氣管噪聲等。變速箱的噪聲主要是齒輪噪聲，包括不完美嚙合和安裝誤差引起的噪聲，這在實(shí)際中都是不可避免的。齒輪嚙合噪聲在實(shí)際中是一種哀鳴聲，這在實(shí)際中是車內(nèi)人員所無(wú)法忍受的。

2 噪聲控制設(shè)計(jì)方案

為防止輪胎－路面噪聲、風(fēng)激勵(lì)噪聲、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等產(chǎn)生的噪聲直接或間接傳入車內(nèi)，作者提出設(shè)計(jì)一種具有防噪聲處理的GMT材料結(jié)構(gòu)板，使最主要的輪胎－路面噪聲聲波傳遞到板的介質(zhì)面時(shí)一部分被吸收，最終變成熱能，另一部分被反射，使傳播到車內(nèi)的噪聲大大減少，達(dá)到減少車內(nèi)噪聲的目的。又因結(jié)構(gòu)板吸收了噪聲，它向外輻射的噪聲相對(duì)就減少了，也達(dá)到減少通過(guò)噪聲的目的，這對(duì)滿足越來(lái)越嚴(yán)格的噪聲法規(guī)也有很多好處。同時(shí)對(duì)于因底盤的不平整產(chǎn)生的噪聲也具有一定的控制作用，對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲可以起到通過(guò)間接的方法進(jìn)行控制的目的。

2.1 底盤功能性護(hù)板噪聲控制兩種方案

方案一:在GMT材料板中直接添加防振吸收材料，制作成夾層結(jié)構(gòu)，高分子長(zhǎng)鏈的黏性運(yùn)動(dòng)對(duì)噪聲、振動(dòng)有很好的阻尼衰減作用。

其縱向斷面如圖3所示。

對(duì)于一般的中型車，GMT功能性護(hù)板蓋板厚度可以為3～5 mm，中間添加的夾層(泡沫)可以為5～7 mm，因?yàn)樘畛鋵雍穸仁巧w板厚度2～3倍時(shí)效果較好，具體添加情況還要根據(jù)實(shí)際的材料制造工藝情況來(lái)處理。做成厚夾層結(jié)構(gòu)可根據(jù)汽車底盤實(shí)際高低不平情況做成非等厚度的夾層板結(jié)構(gòu)，有利于減少結(jié)構(gòu)空腔噪聲。該方案設(shè)計(jì)主要依靠材料內(nèi)部無(wú)數(shù)細(xì)小而深入內(nèi)部的相互貫穿的孔洞引起細(xì)孔內(nèi)空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，空氣本身的黏滯作用和空氣與孔隙及纖維之間的摩擦作用，使聲能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。同時(shí)小孔中的空氣和孔壁與纖維之間的熱傳導(dǎo)而引起的熱損失也是聲衰減的原因。無(wú)論是何種噪聲產(chǎn)生的聲波，在經(jīng)過(guò)GMT功能性護(hù)板蓋板后對(duì)聲波都有較好的吸收作用，從而達(dá)到減少綜合噪聲的目的。

方案二:底盤功能性護(hù)板做成GMT材料，在GMT材料上添加阻尼材料或附加阻尼，其縱向斷面圖如圖4所示。

由減振機(jī)制可知:將一定厚度的阻尼層材料黏合或噴涂在基板上組成阻尼結(jié)構(gòu)，由于阻尼的作用，系統(tǒng)的一部分振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，從而抑制系統(tǒng)的振動(dòng)。因阻尼材料要緊密附在功能性護(hù)板表面上，阻尼層的厚度一般為基板厚度的2～4倍時(shí)阻尼效果最好［7］。所以作者建議GMT功能性護(hù)板蓋板厚度為3～5 mm，阻尼層則可根據(jù)實(shí)際需要采用6～10 mm。隔熱墊能較好地防止材料溫度過(guò)高，隔音墊主要是針對(duì)已經(jīng)進(jìn)一步減弱的噪聲聲波阻止其向車內(nèi)傳遞的最后防線，在實(shí)際應(yīng)用中由于吸聲材料吸濕吸水性較大，而受潮后吸聲性能下降，故有時(shí)需要在其表面進(jìn)行防水處理，但這需要考慮成本的問(wèn)題。

作者因考慮在汽車的實(shí)際應(yīng)用中成本問(wèn)題，采用目前常選用的吸聲添加材料，也可選擇以下材料:多孔吸聲材料，包括纖維狀吸聲材料，如毛氈、泡沫狀吸聲材料、海綿等。此外也可以具體選擇:(1)橡膠和塑料阻尼板;(2)橡膠和泡沫塑料;(3)阻尼復(fù)合材料;(4)高阻尼合金等。

2.2 兩種方案優(yōu)勢(shì)對(duì)比分析

方案一:該方案主要借助材料的工藝制造水平，將附加阻尼和添加材料(泡沫)等直接通過(guò)復(fù)合材料做成一體，即直接添加在GMT基體材料的內(nèi)部。此種方案設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)為:相對(duì)于方案二，當(dāng)汽車底盤功能性護(hù)板安裝于車上后隨車一體運(yùn)動(dòng)中不會(huì)發(fā)生板與阻尼層之間相對(duì)滑動(dòng)，甚至因摩擦而出現(xiàn)分離的現(xiàn)象。但如果進(jìn)一步考慮空氣動(dòng)力學(xué)因素將材料板設(shè)計(jì)成一定的曲率后，將產(chǎn)生空腔。因這種空腔而產(chǎn)生的附加空腔噪聲則還需要采取添加阻尼層的方案來(lái)減少。

方案二:該方案中，GMT材料板與附加阻尼層之間存在相互摩擦而可能產(chǎn)生更多的熱，在實(shí)際中如果相互之間摩擦力過(guò)大還可能對(duì)材料本身有損害，但可以有效地減少噪聲，尤其是空腔噪聲。要求GMT材料板與阻尼層之間要很好地結(jié)合。

通過(guò)比較兩種方案的優(yōu)勢(shì)，可以直接做成GMT材料夾層，在其空腔的部分添加附加阻尼層，綜合方案一、方案二的優(yōu)點(diǎn)來(lái)消除空腔噪聲，在實(shí)際中的成本會(huì)相應(yīng)增加。但這要根據(jù)具體廠家的具體車型來(lái)分析。

3 汽車整體噪聲控制系統(tǒng)模型的建立

3.1 噪聲控制系統(tǒng)模型的建立與分析

綜合上述對(duì)噪聲控制的分析，為減少汽車在高速行駛過(guò)程中車內(nèi)噪聲和通過(guò)噪聲，防止風(fēng)激勵(lì)噪聲、輪胎－路面噪聲、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等產(chǎn)生噪聲直接或間接傳入車內(nèi)，建立整車噪聲控制系統(tǒng)模型，如圖5所示。

由于實(shí)際中輪胎－路面噪聲將不可避免地產(chǎn)生并向車內(nèi)輻射，通過(guò)加裝這種特殊處理的底盤功能性護(hù)板結(jié)構(gòu)，使噪聲在向車內(nèi)輻射時(shí)被底盤功能性護(hù)板吸收掉絕大部分。同時(shí)因底盤功能性護(hù)板蓋蓋住汽車底部，對(duì)汽車底部突出物外露有明顯的好處，這樣則可以減少汽車的風(fēng)激勵(lì)噪聲進(jìn)一步傳到車內(nèi)來(lái)以減少車內(nèi)噪聲，提高車內(nèi)人員的乘坐舒適性。在總噪聲量相同的情況下，對(duì)輪胎－路面噪聲、風(fēng)激勵(lì)噪聲進(jìn)行吸收和控制，實(shí)際上就相對(duì)減少了汽車的通過(guò)噪聲。

因?yàn)槠噭?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)安裝在底盤功能性護(hù)板上，對(duì)此處的汽車車內(nèi)噪聲只能通過(guò)間接方法控制，主要目的是吸收動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)向外輻射產(chǎn)生的噪聲。因動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲在無(wú)底盤功能性護(hù)板時(shí)將直接向外輻射，傳播到地面后聲波不可避免地發(fā)生反射，將二次傳到車內(nèi)。作者采用底盤功能性護(hù)板直接吸收動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲，防止其傳播到地面后又返回車內(nèi)，同時(shí)也進(jìn)一步防止其直接向外輻射增加汽車的通過(guò)噪聲。因要求功能性護(hù)板板內(nèi)側(cè)有良好的吸收噪聲性能，能最大限度地避免反射而傳到車內(nèi)，對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)直接傳到車內(nèi)部分噪聲，可在汽車內(nèi)部地板上增加具體的減振吸聲處理措施，目前有人用地毯來(lái)做減振降噪。

通過(guò)以上的措施，一方面減少了汽車的車內(nèi)噪聲，另一方面也減少了通過(guò)噪聲。這對(duì)越來(lái)越嚴(yán)格的通過(guò)噪聲法規(guī)有很大的幫助，同時(shí)也提高了車內(nèi)人員乘坐舒適性。

3.2 實(shí)際應(yīng)用中考慮因素

底盤與加裝功能性護(hù)板可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合。由車身下部油底殼、懸架臂、排氣管的存在且車身下部不是一個(gè)平面，加裝功能性護(hù)板后會(huì)形成空腔。因密閉空腔內(nèi)的空氣受到壓縮時(shí)發(fā)生體積變化，出現(xiàn)很高的低阻抗，與車身產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合，產(chǎn)生一種轟鳴聲，對(duì)乘坐舒適性產(chǎn)生影響。

作者針對(duì)此情況提出以下解決方案:

(1)底盤功能性護(hù)板處可以采用厚夾層結(jié)構(gòu)，如方案一所示，可做成非等厚的板結(jié)構(gòu)，厚夾層可根據(jù)汽車底盤高度來(lái)確定，一方面可以減少空腔噪聲，同時(shí)對(duì)進(jìn)一步吸收噪聲也有很大幫助。

(2)在功能性護(hù)板上附加阻尼層，如方案二所示，盡量避免產(chǎn)生空腔。

(3)要求底盤與功能性護(hù)板之間密封要嚴(yán)。避免高速行駛時(shí)引起的風(fēng)激勵(lì)噪聲通過(guò)空腔向車內(nèi)輻射，另外功能性護(hù)板的設(shè)計(jì)要考慮空氣動(dòng)力學(xué)因素符合流線型，減少因棱角表面不平引起的氣動(dòng)分離，來(lái)達(dá)到減少氣動(dòng)噪聲的目的。

(4)因增加部分總體質(zhì)量不大，對(duì)于中型以上汽車的燃油經(jīng)濟(jì)型影響不大。因選用材料要具有質(zhì)量輕、密度小的特點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車的振動(dòng)與噪聲問(wèn)題是一個(gè)極具有實(shí)際意義的問(wèn)題，許多專家和學(xué)者已經(jīng)和正在進(jìn)行這方面的研究。作者主要針對(duì)目前研究較少的車內(nèi)噪聲和通過(guò)噪聲，建立減少車內(nèi)噪聲和通過(guò)噪聲的系統(tǒng)控制模型，并進(jìn)行了相關(guān)影響因素分析。因汽車底部噪聲測(cè)試試驗(yàn)難度較大，作者僅從理論層面上進(jìn)行了可行性分析，并提出汽車整車噪聲控制系統(tǒng)模型，旨在降低高速行駛的車內(nèi)噪聲和通過(guò)噪聲，來(lái)達(dá)到提高車內(nèi)、車外人員的舒適性。

初步探討了在汽車底部添加裝置來(lái)減少車內(nèi)噪聲和通過(guò)噪聲的方案，對(duì)于汽車企業(yè)，必須要系統(tǒng)考慮各方面的因素，同時(shí)要考慮實(shí)施的最優(yōu)方案。隨著人們對(duì)噪聲和舒適性要求提高，在汽車底盤添加裝置的噪聲防治與控制將被汽車企業(yè)所采用，這具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用意義。

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【3】邵長(zhǎng)林，王建兵．褶皺芯材結(jié)構(gòu)隔聲特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］．山東建材學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，13(4):302 －304．

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【5】樊鵬．工業(yè)噪聲與振動(dòng)的防治［M］．沈陽(yáng):沈陽(yáng)出版社，1997:338－358．

【6】吳人潔．復(fù)合材料［M］．天津:天津大學(xué)出版社，2000．

【7】陳秀娟．實(shí)用噪聲與振動(dòng)控制［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1996．