攻擊角對雨刮器摩擦噪聲影響的試驗分析

樊鳴曉

（同濟大學(xué)；上海大眾汽車有限公司產(chǎn)品工程部）

雨刮刮片的噪聲和使用壽命是用戶抱怨的兩大重點內(nèi)容。并且噪聲偏大的刮片往往伴隨工況不良。攻擊角是描述刮片和玻璃的相對位置關(guān)系，是雨刮刮片中線和玻璃法線間的夾角。在實車上由于造型和風(fēng)阻需要，前風(fēng)窗玻璃均為曲面，肯定存在攻擊角。實踐表明，攻擊角布置不合理會造成刮片工況不良，對刮片的噪聲會帶來一定的影響。文章試圖分析兩者相關(guān)性，尋找是否有從設(shè)計初始就用攻擊角參數(shù)優(yōu)化噪聲的可能。

1 試驗概述

1.1 試驗背景

為了改善雨刮工況，提高雨刮刮片壽命，目前國內(nèi)外在刮片的噪聲抖動方面做了大量研究。根據(jù)研究結(jié)果，雨刮刮片噪聲集中在500 Hz以下[1-2]。并且已有國內(nèi)外學(xué)者將雨刮刮片和玻璃之間的噪聲主要歸為3類[2-3]。

1）尖銳的高頻噪聲。一般由膠條和玻璃間潤滑不足而產(chǎn)生的摩擦導(dǎo)致。文獻(xiàn)[4]對此進行了分析，并結(jié)合有限元和Matlab對刮片和玻璃間的接觸力分布參數(shù)進行優(yōu)化，控制高頻噪聲。同時雨刮在使用有效涂層后，新件以及設(shè)計壽命內(nèi)基本可以避免尖銳的高頻噪聲產(chǎn)生。

2）翻轉(zhuǎn)噪聲。雨刮在上下2個極限位置發(fā)生膠條翻轉(zhuǎn)時，會帶來500 Hz以下的換向噪聲。文獻(xiàn)[5]對其分歧特性進行了研究。

3）抖動噪聲。主要是粘滑現(xiàn)象導(dǎo)致的噪聲。在水潤滑不足或者速度不夠的情況下易發(fā)生。通常在100 Hz以下。文獻(xiàn)[6]對其進行了比較系統(tǒng)地分析。但抖動噪聲和膠條截面形狀也存在一定的關(guān)系。文獻(xiàn)[7-9]運用有限元和相關(guān)試驗對其關(guān)系進行了分析及驗證。

但現(xiàn)階段研究結(jié)果主要有3點不足：1）在理論分析時基于平面進行分析，未引入攻擊角概念；2）使用自制臺架試驗時，臺架為平板玻璃，其攻擊角只能為某一特定角度，無法模擬實車攻擊角實時改變的情況；3）實車測試沒有基于攻擊角進行分析，對不同攻擊角參數(shù)未進行對比試驗。

基于以上情況，設(shè)計了一組基于不同攻擊角的實車高低兩擋雨刮速度噪聲測試，并對試驗數(shù)據(jù)進行綜合分析，尋求攻擊角和噪聲間的相關(guān)性，為設(shè)計優(yōu)化和更進一步的理論分析提供支持。

1.2 試驗對象

本次試驗采用調(diào)整刮桿扭角的方式制作了3組攻擊角不同且壓力一致的刮桿，在一國產(chǎn)轎車上進行實車對比測試。除刮桿外，攻擊角、刮片、雨刮四連桿機構(gòu)總成及電壓等條件均一致。測試用刮桿壓力值分配也盡量保持一致，表1示出測試用刮桿壓力參數(shù)。實測雨刮系統(tǒng)高低速兩擋轉(zhuǎn)速分別為60，42 r/min。

表1 測試用刮桿壓力參數(shù)

將3組刮桿裝在實車上呈3組不同攻擊角曲線，如圖1所示。

試驗的3組攻擊角曲線中，第1組攻擊角曲線為產(chǎn)品設(shè)計狀態(tài)，其0°角出現(xiàn)在刮角為65～75°；第2組刮角攻擊角曲線相對于第1組攻擊角曲線往正角方向移動；第3組攻擊角曲線相對于第1組攻擊角曲線往負(fù)角方向移動。

1.3 測量采集設(shè)備

測量設(shè)備采用型號為HEAD BHSII的采集麥克風(fēng)及型號為HEADSQuadrigaII的A/D轉(zhuǎn)換器。

1.4 試驗描述

試驗在半消音室進行。半消音室本底噪聲小于32 dB。試驗前清潔玻璃同時采用全新刮片，確保試驗數(shù)據(jù)不會被玻璃表面臟污或刮片質(zhì)量缺陷干擾。試驗時整車發(fā)動機關(guān)閉，同時關(guān)閉車上所有噪聲源。電瓶并聯(lián)12 V外接電源，確保每次采集工作電壓一致。

濕度會對噪聲產(chǎn)生影響，因此試驗將基于完全潤滑工況進行。玻璃表面潤滑液體采用自來水，試驗全程水均用手動噴壺噴灑。噴壺出水呈霧化狀，確保噴水時給噪聲采集帶來的影響最小。試驗會根據(jù)高低兩種雨刮電機轉(zhuǎn)速分別進行，同步采集噪聲和加速度。

音頻采集方面，首先將主駕駛座椅調(diào)整至H點位置，同時安排一位測試人員模擬駕駛員坐在主駕駛位。噪聲采集話筒戴在測試人員頭部，采集麥克風(fēng)位于測試人員左右耳部位置，同時可以記錄人的左右耳聽感。分析時按照車內(nèi)噪聲國標(biāo)，僅分析駕駛員左耳音頻數(shù)據(jù)。

2 試驗數(shù)據(jù)處理與分析

采集音頻數(shù)據(jù)后，對多組測量數(shù)據(jù)整理對比后進行時域和頻域分析。

2.1 時域分析

時域分析是直接在時間域中對系統(tǒng)進行分析，所以時域分析具有直觀和準(zhǔn)確的優(yōu)點。雨刮噪聲呈明顯周期性，因此針對不同工況各截取4個完整周期進行時域?qū)Ρ取Ｍㄟ^時域?qū)Ρ瓤梢灾庇^看出各攻擊角噪聲信號的周期性差異。

時域分析將根據(jù)雨刮高低轉(zhuǎn)速各取4個周期進行分析，每個周期均按照圖2順序從下翻轉(zhuǎn)位開始直至下刮階段完成。高速和低速由于頻率不同，因此每周期時間有所區(qū)別。通過ArtemiS求取3組攻擊角時域幅值A(chǔ)計權(quán)包絡(luò)曲線后，對各工況噪聲周期性變化進行直觀對比。圖3示出雨刮完全潤滑時域圖。

從圖3a可以看出，低速時第1組攻擊角和第2組攻擊角在上行階段聲音相差不大，但是在下行階段第2組攻擊角聲音大于第1組攻擊角。第3組攻擊角下翻轉(zhuǎn)位噪聲比第1組攻擊角和第2組攻擊角稍有提高，但是從上刮過程開始后，3個過程噪聲均較另2組攻擊角有大幅提高。

從圖3b可以看出，在高速完全潤滑工況，第1組攻擊角和第2組攻擊角的噪聲情況基本一致，第3組攻擊角同樣噪聲偏大，特別是上行和上翻轉(zhuǎn)位。但是整體差值要小于低速時，上翻轉(zhuǎn)位和第1組峰值相比，相差約6 dB。

高速時，攻擊角曲線往正角方向移動對噪聲稍有影響，在上翻轉(zhuǎn)位和下翻轉(zhuǎn)位峰值區(qū)域約有2 dB的影響。但是往負(fù)角方向移動對噪聲影響很大。除了下翻轉(zhuǎn)位噪聲和以前基本接近外，全區(qū)域噪聲都較其余攻擊角狀態(tài)有較大幅度增加，在極端情況可以增加10 dB以上噪聲。

2.2 頻域分析

利用頻域的功率譜密度可以對噪聲來源進行分析。通過時域可以看出，攻擊角對上下行噪聲有著不同程度的影響。因此將利用功率譜密度對上行和下行分別進行頻域分析，找出不同階段噪聲影響區(qū)域。

根據(jù)以往對雨刮系統(tǒng)噪聲的分析結(jié)果，歸納出雨刮在整個頻域段噪聲成分。主要分為100 Hz以下的膠條摩擦和抖動噪聲，100～500 Hz的上下翻轉(zhuǎn)位換向噪聲，此外還有因工藝問題導(dǎo)致的膠條高頻尖銳噪聲以及高頻電機噪聲。通過研究頻域功率譜密度，可以直觀看出攻擊角改變對刮片不同噪聲源的影響。由于根據(jù)時域分析結(jié)果，3組攻擊角在上下行階段噪聲分布有明顯不同，因此將對上下行階段分別進行分析。

圖4示出雨刮在低速完全潤滑情況下的功率譜密度。從圖4a可以看出，上行時各組攻擊角在1 000 Hz以下功率譜密度分布比較接近。但是在下行時第3組攻擊角能量明顯大于前2組，其在82，188，293 Hz均存在峰值。實際測試第3組攻擊角時明顯感到雨刮下刮過程刮片異常抖動，82 Hz的噪聲能量峰值是由于此異常抖動所導(dǎo)致。在整個500 Hz以下的刮片摩擦和換向噪聲頻率區(qū)段內(nèi)，上行時第1組攻擊角能量密度曲線基本在第2組攻擊角下方，但是下行時落到了第2組攻擊角的上方。在能量分布上可以看出，攻擊角曲線正向移動帶來雨刮運動上行噪聲能量增加，下行噪聲能量減少。

圖5示出雨刮在高速完全潤滑情況下的功率譜密度。從圖5a可以看出，攻擊角改變對高速的影響明顯小于低速，和時域觀察結(jié)果一致。第1組攻擊角上行在152 Hz和258 Hz存在峰值。第2組攻擊角和第3組攻擊角上行噪聲能量分布基本一致。從圖5b可以看出，下行時第2組攻擊角比第1組攻擊角能量有明顯下降。第3組攻擊角噪聲能量在300Hz以下和第1組攻擊角類似，均存在211，258，352 Hz3個峰值。但是第3組攻擊角還在82 Hz存在峰值，和低速存在的100 Hz以下能量峰值頻率一致。實測此組工況時，下刮階段同樣感到雨刮異常抖動。從圖5b還可以看出，第3組攻擊角在300 Hz以后相比另外2組能量明顯變大。

通過功率譜密度，可以看出攻擊角往正角方向移動后稍微增加了上行能量，減少了下行能量。攻擊角往負(fù)角方向移動后上行能量變化不大，但是下行能量大大增加。第3組攻擊角在下行過程中甚至出現(xiàn)了刮片異常跳動。對比3組攻擊角曲線，第3組攻擊角曲線在0～40°刮角區(qū)間存在10°以上的大角度負(fù)向攻擊角，第3組攻擊角存在的異常跳動和運行過程中存在大角度攻擊角有關(guān)。

整體來說，攻擊角對噪聲的影響在低速比在高速時更明顯。

3 結(jié)論

在時域和頻域范圍均可明顯看出，攻擊角曲線往正角方向移動或往負(fù)角方向移動均會對噪聲產(chǎn)生影響。

通過分析對比第1組和第2組攻擊角噪聲數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：攻擊角適度往正角方向移動時，會帶來上行噪聲和振動增加，下行噪聲和振動減小；攻擊角適度往負(fù)角方向移動時，會帶來下行噪聲和振動增加，上行噪聲和振動減小。

通過分析第3組攻擊角噪聲數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)如果玻璃型面弧度變化過大，很容易在運行途中產(chǎn)生大角度攻擊角。此時會使雨刮異常跳動，大大增加整體噪聲。

在實車上，由于空氣動力學(xué)和造型需要，攻擊角不可避免。為了保持上下行噪聲平衡，攻擊角曲線應(yīng)盡量落在正負(fù)攻擊角角度基本相等的范圍內(nèi)，并且不要出現(xiàn)過大攻擊角。