汽車警示喇叭膜片的耐久性提升

梁品

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上?！?01201）

汽車警示喇叭膜片的耐久性提升

梁品

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201201）

介紹警示喇叭在整車上的功能及目前發(fā)展現(xiàn)狀；分析喇叭售后常見的膜片斷裂問題；通過建立膜片幾何模型進行數(shù)據(jù)分析，找出應力集中點并予以改進；最終通過測試證明改進方案的可行性。

警示喇叭；膜片；耐久；應力

警示喇叭作為汽車的重要零部件，起到提前預警的作用，在汽車保有量日益增加、路況變得愈發(fā)復雜的情況下，喇叭的重要性也尤為突出。

喇叭故障的發(fā)生將會嚴重影響行車安全及客戶滿意度，降低公司品牌影響力，同時增加售后成本，因此提升喇叭耐久性能的重要性尤為突出。

1　警示喇叭功能及使用現(xiàn)狀

1.1警示喇叭功能

警示喇叭在整車上的主要功能是警示車輛及行人，所以其必須要發(fā)出一定量的警示音，音量的大小采用聲壓級進行衡量，其單位為dB，其聲音性能在GB15742－2001《汽車電喇叭的性能要求及實驗方法》中進行了明確的定義要求。

除了警示功能，目前大多數(shù)車輛喇叭都具備上鎖提醒功能及防盜報警功能，部分高配車輛喇叭具有遙控尋車功能、胎壓學習功能、鑰匙遺忘提醒功能等。

1.2警示喇叭使用現(xiàn)狀

1）國內(nèi)交通狀況及客戶使用習慣不同，據(jù)統(tǒng)計，中國汽車喇叭使用次數(shù)為歐洲的40倍，售后失效率也是歐洲的幾十至百倍。

2）警示喇叭須滿足在特定測試條件下零部件級及整車級的聲壓級要求，為保證聲音的傳導，安裝位置一般位于前艙，工作環(huán)境惡劣。

3）喇叭的工作涉及電-機械-振動-聲的轉(zhuǎn)換，鑒于人耳對聲音的敏感性，轉(zhuǎn)換的任何一個環(huán)節(jié)的偏差都將可能導致聲音的損失和瑕疵。

2　警示喇叭分類及工作原理

通過喇叭的聲音驅(qū)動可分為氣動喇叭和電喇叭，目前轎車上使用的基本為電喇叭，所以氣喇叭在這里不予討論。

按照電喇叭的外形和發(fā)聲結(jié)構(gòu)可分為：蝸牛喇叭、盆型喇叭。按照電喇叭的內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)可分為：機械喇叭、電子喇叭。電喇叭主要分為以下幾個組成部分。

1）支架用于連接喇叭單元和車身，支撐喇叭并緩沖喇叭傳遞到車身的震動。

2）發(fā)聲單元起到共振發(fā)聲作用。

3）底座總成控制電路通斷，使線圈產(chǎn)生電磁力，吸引動鐵心帶動膜片周期性運動。

2.1蝸牛喇叭

圖1為蝸牛喇叭示意圖。電磁力拉動鐵心運動，帶動膜片使氣體在音筒內(nèi)產(chǎn)生周期運動，進而在音筒內(nèi)發(fā)聲并通過喇叭音筒口輻射傳遞到人耳。

圖1　蝸牛喇叭示意圖

其特點是聲音的指向性寬，音場分布平均，聲音相對柔和，裝車時喇叭音筒方向有多種選擇。

2.2盆型喇叭

圖2為盆型喇叭示意圖。動鐵心連接膜片及回音板，在電磁力的拉動下撞擊靜鐵心，進而發(fā)聲傳遞到人耳。

圖2　盆型喇叭示意圖

盆型電喇叭的構(gòu)造特點是無揚聲筒，結(jié)構(gòu)緊湊，體積?。?］，聲音能量主要集中在喇叭的正前方，指向性較強，安裝到整車時需要面向車輛前方，音質(zhì)比較尖銳。

2.3機械喇叭

圖3　機械喇叭內(nèi)部示意圖

機械喇叭內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。當喇叭開關(guān)接通，電源通過喇叭繼電器觸點接通喇叭線路，并經(jīng)過觸點給線圈通電，從而產(chǎn)生磁場［2］。在磁場產(chǎn)生的電磁力的作用下，動鐵心被吸引，動鐵心帶動膜片向下運動［2］。與此同時，動鐵心的移動又下壓觸點斷開，電流中斷磁力消失，膜片在本身彈性作用下同動鐵心一起恢復原位，觸點閉合電路接通，電流再通過觸點流經(jīng)線圈產(chǎn)生磁力，重復上述動作。如此反復循環(huán)，膜片不斷振動。

機械喇叭具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點，但內(nèi)部觸點需要高頻通斷，因此對機械觸點的耐熱耐燒蝕性要求很高。目前機械喇叭觸點一般采用高純度鎢材料制作，以滿足性能要求。

2.4電子喇叭

電子喇叭控制模塊見圖4。電子喇叭與機械喇叭的區(qū)別在于其使用電子控制模塊代替機械喇叭的內(nèi)部觸點結(jié)構(gòu)，通過電子模塊產(chǎn)生周期性通斷信號，控制線圈產(chǎn)生磁力，進而吸引動鐵心帶動膜片振動發(fā)聲。

電子喇叭相對成本較高，但具有低能耗、低EMC干擾、音質(zhì)好及高使用壽命的特點。目前廣泛使用在國內(nèi)某些中高端車型上。

圖4　電子喇叭控制模塊

3　喇叭售后分析

根據(jù)喇叭結(jié)構(gòu)分析可得知，電子喇叭代替了機械觸點結(jié)構(gòu)，解決了觸點機械燒蝕磨損問題。但一個無法替代結(jié)構(gòu)即為膜片，它是各類型喇叭共有零件，其振動頻率在300～500 Hz，受力在100N左右，由于國內(nèi)客戶對喇叭的高使用頻次，膜片將經(jīng)常處于頻繁的高速往復運動狀態(tài)。因此，在喇叭售后損壞件回運分析的結(jié)果中，大量存在喇叭膜片斷裂的現(xiàn)象。圖5為汽車喇叭膜片斷裂的宏觀斷口形貌。

圖5　喇叭膜片斷裂

圖6　膜片斷口疲勞裂紋源區(qū)的微觀形貌圖

圖6即為膜片斷口疲勞裂紋源區(qū)的微觀形貌。從圖6中可見，沿著箭頭的方向，可以觀察到有河流狀的花紋從右上角向左下角方向擴展，斷口表面呈現(xiàn)裂紋擴展的人字形花紋。可以觀察到疲勞輝紋的存在，說明膜片是在反復振動的循環(huán)應力作用下產(chǎn)生的疲勞裂紋，進而擴展導致汽車喇叭的膜片失效。

斷口表面大部分區(qū)域呈現(xiàn)均勻平滑的形貌，局部區(qū)域出現(xiàn)塑性孔洞，說明膜片的材料具有一定的強度和塑性。

經(jīng)過綜合分析發(fā)現(xiàn)，大量膜片失效主要發(fā)生在鉚釘?shù)闹苓叄鸭y起源于距離鉚釘一定距離處，并以鉚釘為軸，對稱向兩側(cè)擴展。

通過建立膜片的幾何模型，如圖7所示，圓臺直徑A，圓臺高度B是兩個主要的參數(shù)，另外一個可能調(diào)節(jié)的參數(shù)是安裝膜片時膜片邊緣的夾持寬度，為參數(shù)C。

通過模擬膜片運動狀態(tài)，固定膜片邊緣，在膜片中間加載垂直膜片方向的位移，應力分布見圖8?？梢娮畲髴Τ霈F(xiàn)在圓臺的彎折邊緣，呈中心對稱分布。

圖7　膜片設(shè)計參數(shù)示意圖

圖8　膜片加載變形的應力分布俯視圖與側(cè)視圖

分別考察膜片應力集中點，應力隨參數(shù)A、B、C而變化。等效應力影響比較如圖9所示。

可以看出，圓臺直徑A、圓臺高度B以及膜片邊緣夾持寬度C 3個參數(shù)對膜片中的應力影響規(guī)律是：A、C的增加使得膜片上的應力線性增加，A的影響大于C的影響，膜片上應力隨B的增加而逐漸下降。

圖9　參數(shù)A、B、C對膜片等效應力的影響

因此，適當減小膜片中間圓臺直徑、膜片邊緣夾持寬度、稍增大圓臺高度，可以降低膜片中的應力，得到更均勻分布的應力，減小膜片碎裂的可能性。

4　臺架驗證

對改進后膜片的電子喇叭進行臺架驗證。驗證在綜合試驗箱內(nèi)進行，加載13V電壓，分別在喇叭x、y、z方向加載隨機振動，試驗箱內(nèi)同時進行-40～95℃的溫度變化，同時并行濕度變化，用以模擬客戶實際使用環(huán)境。在此試驗的條件下，喇叭模擬各類喇叭鳴叫工況，如：鎖車啾啾聲，正常警示鳴叫，長鳴等。經(jīng)過測試，改進膜片后的喇叭在試驗箱內(nèi)綜合環(huán)境鳴叫次數(shù)達到300000次，相比原設(shè)計狀態(tài)鳴叫次數(shù)有大幅增加，完全滿足國內(nèi)客戶在復雜路況條件下的使用需求。

5　總結(jié)

膜片是喇叭必不可少的重要組成部分，膜片的損壞將直接影響喇叭功能。本文對常見的膜片斷裂失效進行了深入分析，建立幾何模型，計算膜片參數(shù)，分析對其振動性能和變形后的應力分布的影響，找出最大應力分布及規(guī)律，提出改進方案，并予以試驗認證。

［1］陳小工，何文翔，張明珠.汽車盆形電喇叭零件的失效分析［J］.汽車工藝與材料，2002（10）：36-37，40.

［2］路傳海.盆形電喇叭的設(shè)計分析與運用維修［J］.汽車電器，2012（12）：45-49.

（編輯陳程）

Durability Improvement of Automotive Horn Diaphragm

LIANG Pin
（Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd，Shanghai 201201，China）

This paper introduces the function and current development of auto alarm，analyzes the diaphragm broken issue which are common after sale.Through data analysis based on diaphragm geometrical models，the stress point is identified and improved.The improvement strategy is tested to be feasible.

horn；diaphragm；durability；stress

U463.671

A

1003－8639（2016）07－0054－03

2016-06-02

梁品（1982-），男，江蘇人，碩士，工程師，主要從事汽車電子零件設(shè)計開發(fā)。