汽車刮水器噪音測試分析及優(yōu)化

牟文成，趙前程

（華晨汽車工程研究院 電子工程室，遼寧 沈陽 110141）

汽車刮水器噪音測試分析及優(yōu)化

牟文成，趙前程

（華晨汽車工程研究院 電子工程室，遼寧 沈陽 110141）

車輛噪音作為評價整車舒適性的關(guān)鍵參數(shù)，已受到人們廣泛關(guān)注。刮水器作為整車關(guān)鍵安全性零部件之一，其性能直接影響雨雪天氣的行車安全，而由于刮水器自身結(jié)構(gòu)特性，在工作過程中較容易產(chǎn)生噪音。文章針對刮水器的噪音問題，從刮水器結(jié)構(gòu)及噪音來源入手，分析各機構(gòu)產(chǎn)生噪音的原因，并對刮水器電機噪音進行測試，最后依據(jù)分析及測試結(jié)果，提出各機構(gòu)的噪音優(yōu)化方案。

刮水器；電機；噪音

CLC NO.:U463.83Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-76-03

引言

近年來，隨著汽車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，對汽車的關(guān)注點已經(jīng)不僅局限在傳統(tǒng)的安全性、動力性、操控性等方面，對于舒適性的要求也越來越高。其中，車輛噪音作為決定整車舒適性的關(guān)鍵所在，其不僅會干擾駕駛員的聽覺，還會加速疲勞，極大影響駕駛員的心理、生理健康，如長期處于整車噪聲干擾下，極易造成交通事故，威脅人們的生命安全。

刮水器作為汽車的關(guān)鍵安全性零部件之一，其主要功能是保持風(fēng)擋玻璃外表面清潔，確保雨雪天氣視野和行車安全。由于刮水器具有工作頻率快、距離駕駛員近、刮片直接與風(fēng)擋接觸等特點，并且包含電機、機械連桿類零部件，因此較容易產(chǎn)生工作噪音，從而影響整車的舒適性。

1、刮水器基本機構(gòu)及原理

刮水器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括以下幾個部分：電機、連桿機構(gòu)、刮刷組件。

（1）電機：包括電機本體及其減速機構(gòu)。為整個系統(tǒng)提供動力，電機輸出后需經(jīng)減速機構(gòu)減速以匹配刮刷周期，滿足刮水器正常工作頻率要求。

（2）連桿機構(gòu)：由電機曲柄、連桿、搖臂、固定桿組成的機械四連桿結(jié)構(gòu)。其功能是將電機及減速機構(gòu)輸出的旋轉(zhuǎn)運動，通過四連桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)化，最終輸出為刮刷所需要的往復(fù)擺動。

（3）刮刷組件：由刮臂及刮片組成。刮片為刮水器的直接執(zhí)行部件，刮臂提供合適的壓力以匹配連接刮片，實現(xiàn)對風(fēng)擋玻璃的有效刮刷。

圖1 刮水器結(jié)構(gòu)簡圖

2、刮水器噪音來源

由于刮水器自身結(jié)構(gòu)特點，其主要噪音來源可分為：電機內(nèi)部噪音以及刮刷過程噪音。

2.1 電機內(nèi)部噪音

電機內(nèi)部可分為電機本體及其減速機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

其主要結(jié)構(gòu)包括：永磁電極、電樞、碳刷、換向器、渦輪蝸桿等。在電機正常工作過程中，噪音主要來源于電機電磁噪音、電樞與機殼振動噪音、碳刷換向器接觸摩擦噪音、渦輪蝸桿嚙合換向噪音等等。

圖2 刮水器電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 刮刷過程噪音

刮片作為刮水器的最終執(zhí)行部件，按其運動方向，整個刮刷過程可分為去程（上半周）、翻轉(zhuǎn)位置、回程（下半周）、初始位置。

在去程和回程位置，由于刮片自身的膠條結(jié)構(gòu)直接與風(fēng)擋玻璃接觸，這樣在擦拭灰塵的同時，必然伴隨著刮刷噪音。而由于風(fēng)擋曲率不同，刮片的運行姿態(tài)成為刮刷噪音的決定性因素。在翻轉(zhuǎn)位置和初始位置，刮片會瞬間轉(zhuǎn)換刮刷方向，由此產(chǎn)生刮片換向噪音。同時，在刮片換向過程，整個連桿機構(gòu)同樣完成輸出方向的改變，由于四連桿機構(gòu)的自身結(jié)構(gòu)特點，以及各零部件加工精度、配合間隙影響，會產(chǎn)生各結(jié)構(gòu)換向噪音。

綜上，整個刮刷過程，噪音主要來源于刮片摩擦噪音、刮片換向噪音、機械四連桿機構(gòu)換向噪音、各零部件配合噪音等。

3、噪音測試

3.1 測試要求

由于整車條件下，刮水器噪音不僅與自身工作狀態(tài)有關(guān)，整車密封性、車身結(jié)構(gòu)等因素均會對刮水器噪音產(chǎn)生影響。故為考察刮水器自身的工作噪音特性，進行針對刮水器電機的噪音測試試驗。具體參照標(biāo)準(zhǔn)QC/T 44-2009《汽車風(fēng)窗玻璃電動刮水器》4.2.4要求，在刮水器電動機在空載運轉(zhuǎn)時，其A計權(quán)聲級應(yīng)滿足低速≤50 dB(A)，高速≤60dB(A)。

3.2 測試系統(tǒng)條件及環(huán)境

測試系統(tǒng)：由4只GRAS 46AE麥克風(fēng)（包括連接電纜）、朗德DATaRec 4 DIC24數(shù)采前端和一臺計算機組成，麥克風(fēng)采集通道的采樣頻率均為44100Hz。

試驗環(huán)境：滿足GB/T 3767-1996《聲學(xué) 聲壓法測定噪聲源聲功率級 反射面上方近似自由場的工程法》要求的車用電機NVH性能測試實驗室。實驗室背景噪聲為16.8dB(A)，滿足測試要求。

3.3 測試過程

（1）刮水器電機用專業(yè)測試臺架懸掛，并調(diào)整至水平位置，確保電機不會在測試過程中產(chǎn)生較大晃動，影響測試結(jié)果。

（2）分別在電機軸端、輸出軸前方、輸出軸后方、以及接合面下方布置4只麥克風(fēng)（1～4#），具體位置參照圖3所示，麥克風(fēng)距離電機距離30cm。

（3）電機接通高速檔，在13.5V的端電壓下預(yù)熱10min。測試電機在13.5V電壓下以低速檔和高速檔運行的噪聲，測試時間為10s。

（4）測試數(shù)量為同批次電機及連桿總成3臺1～3#，測試步驟一致。

圖3 電機噪音測試臺架

3.4 測試結(jié)果

（1）各測點噪音聲壓級

經(jīng)試驗，測得1～3#電機高低速檔位噪音聲壓級見表1統(tǒng)計的結(jié)果。

表1 各測點噪音聲壓級

（2）低速噪音頻譜

經(jīng)分析，1～3#電機低速噪音頻譜如圖4～6所示。

圖4 1#電機低速噪音頻譜

圖5 2#電機低速噪音頻譜

圖6 3#電機低速噪音頻譜

（3）高速噪音頻譜

經(jīng)分析，1～3#電機高速噪音頻譜如圖7～9所示。

圖7 1#電機高速噪音頻譜

圖8 2#電機高速噪音頻譜

圖9 3#電機高速噪音頻譜

3.5 測試結(jié)果分析

（1）噪音聲壓級

測試結(jié)果表明，所測3臺電機，其噪音均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，滿足使用要求。對比3組數(shù)據(jù)，3#電機噪音水平優(yōu)于1、2#電機。

（2）噪音頻譜

所測3臺電機，無論低速或高速條件下，其噪音最高幅值聲壓級均分布在大致600～800Hz，此頻段為電機電磁噪音。其余較高噪音聲壓級頻段均大致分布在2000～5000Hz，此頻段包含電機機械噪音、各類振動噪音等。

對比每臺電機4個被測點的噪音：輸出軸前方、后方、電機軸端、接合面下方。在低頻段600～800Hz范圍內(nèi)，輸出軸后方（紅色線）噪音較為突出，此位置更靠近電機本體，即電機電磁噪音較為明顯區(qū)域。在2000～5000Hz頻段范圍內(nèi)，接合面下方（藍(lán)色線）噪音較為突出，此位置更靠近電機及減速箱接合面，即電機機械噪音及振動噪音較明顯區(qū)域。此外，根據(jù)頻譜分析結(jié)果，距離電機及減速箱位置較遠(yuǎn)的電機軸端（淺藍(lán)色線），其噪音幅值最小。

綜上，測試結(jié)果與實際分析可完全對應(yīng)，并依據(jù)測試結(jié)果可推斷出以下結(jié)論：刮水器電機噪音主要來源為電磁噪音，其次是機械噪音、振動噪音等。依據(jù)各電機不同工況下的測試結(jié)果，可明確不同頻率下噪音源位置，從而指導(dǎo)電機各機構(gòu)完成優(yōu)化。

4、刮水器噪音優(yōu)化措施

由于本文重點研究刮水器自身結(jié)構(gòu)噪音問題，故未展開整車下刮刷過程噪音測試。

通過對電機樣品的噪音測試表明，電機內(nèi)部噪音主要包括：電機電磁噪音、機械噪音、振動噪音等。其中，電機電磁噪音為刮水器電機主要噪音來源。

針對電機電磁噪音優(yōu)化措施：提升電機定子、轉(zhuǎn)子同軸度，提升轉(zhuǎn)子平衡度。在生產(chǎn)線增加轉(zhuǎn)子平衡度檢測環(huán)節(jié)，通過測量轉(zhuǎn)子電流進而對其平衡度進行監(jiān)控，并對不合格品進行動平衡調(diào)整。針對電機機械噪音及振動噪音優(yōu)化措施：提升電機各零部件工藝水平：如磁瓦、機殼、軸承、渦輪蝸桿等。保證零部件制造精度及裝配誤差。

另外，對于刮刷過程噪音，優(yōu)化措施如下：根據(jù)風(fēng)擋曲率，合理匹配刮臂角度及壓力，以保證刮片正確運行姿態(tài)；合理設(shè)計機械四連桿機構(gòu)傳動角、壓力角、加速度等參數(shù)，提高機構(gòu)運行效率。

5、小結(jié)

在實際駕駛過程中，人們感受到的是整車條件下的各類噪音。而在整車條件下，刮水器噪音與車身結(jié)構(gòu)、整車密封性等直接相關(guān)，因此在提升刮水器自身噪音控制水平的同時，需同時優(yōu)化其它周邊系統(tǒng)的設(shè)計，共同改善整車噪音水平。

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Experimental Investigation and Optimization for the Noise of Automotive Wiper System

Mu Wencheng, Zhao Qiancheng
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

As a key parameter to evaluate the comfort of vehicles, vehicle noise has been widely concerned. Wiper system, as one of the important safety parts of the vehicle, its performance affects the safety of vehicle in rain and snow weather directly, and noise is easily produced because of the structure characteristics of wiper system. This thesis starts from the wiper structure and noise sources, analyzing the causes of noise in wiper system, and test the wiper motor prototype. Finally, put forward optimization scheme according to the analysis and experimental results.

wiper system; motor; noise

U463.83

A

1671-7988 (2017)06-76-03

牟文成，男，機電工程師，就職于華晨汽車工程研究院，主要從事車載多媒體、車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)方向以及探測系統(tǒng)等的電子電氣相關(guān)設(shè)計開發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.025