基于汽車內(nèi)飾輕量化的NVH性能開發(fā)及應(yīng)用

徐洪偉

摘要：隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車噪聲與振動(dòng)性能是衡量汽車品牌質(zhì)量好壞的一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)。因此，積極開展汽車噪聲與振動(dòng)性能的研究，對(duì)提升汽車企業(yè)的品牌競(jìng)爭力和自主創(chuàng)新能力有著十分重要的意義。本文論述了以NVH性能為目標(biāo)的內(nèi)飾材料開發(fā)工程控制方法及機(jī)理，以前壁板隔音墊部件和車門內(nèi)飾吸聲材料的輕量化為例，提出具體可行的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：汽車內(nèi)飾；輕量化；NVH性能

目前汽車工業(yè)正面臨能源、環(huán)保與安全舒適三大課題，其有效解決方法包括汽車輕量化及新能源汽車的開發(fā)。近年來，汽車內(nèi)飾的輕量化已成為汽車業(yè)界研究關(guān)注的熱點(diǎn)。在實(shí)踐中，可運(yùn)用NVH性能將汽車內(nèi)飾輕量化，研究表明，在輕質(zhì)量情況下，輕量化的隔音墊顯著提升了車內(nèi)聲品質(zhì)性能，通過實(shí)驗(yàn)得出，雙組份吸音棉優(yōu)于普通吸音棉吸聲系數(shù)。

一、NVH性能簡介

NVH是三個(gè)英文單詞Noise，Vibration和Harshness首字母的縮寫，是汽車噪聲、振動(dòng)和舒適性等各項(xiàng)指標(biāo)的總稱。由于汽車結(jié)構(gòu)振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲，進(jìn)而影響到舒適性，而當(dāng)舒適性有問題時(shí)，必然存在相應(yīng)的振動(dòng)噪聲問題。因此，三者在汽車振動(dòng)噪聲中同時(shí)出現(xiàn)且密不可分，因而常把它們放在一起進(jìn)行研究。簡單地講，乘員在汽車中的一切觸覺、聽覺乃至視覺感受都屬于NVH研究的范疇，主要研究包括整車及系統(tǒng)主要零部件的NVH性能。NVH工作的目的是為了減少車內(nèi)的振動(dòng)噪聲，使乘員感受到的（聽覺、觸覺和視覺）是一種舒適的駕車或乘車環(huán)境，因此，NVH工作也有人稱之為靜音工程，使乘員艙是一個(gè)靜音的環(huán)境。

二、對(duì)汽車內(nèi)飾輕量化的NVH性能開發(fā)

1、對(duì)汽車聲學(xué)包裝內(nèi)飾材料的研究。噪聲振動(dòng)控制是基于源、路徑和響應(yīng)的三要素進(jìn)行分別控制，而汽車NVH性能開發(fā)則主要集中于激勵(lì)源與傳遞路徑。汽車聲學(xué)包裝主要用于解決空氣傳播路徑的噪聲問題，在密封性和隔吸聲性能等方面進(jìn)行噪聲控制。狹義的汽車聲學(xué)包裝部件可分為吸聲型、隔聲型和密封型。通常隔聲材料包括PVC、EDPM等；吸聲型材料包括有棉氈類、PU發(fā)泡類等。吸聲材料一般為多孔性介質(zhì)，隔聲性能較差，其吸聲性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為吸聲系數(shù)。吸聲是指空氣中的聲波在通過或入射到介質(zhì)界面損失聲能的過程，當(dāng)聲波進(jìn)入多孔性介質(zhì)內(nèi)，部分聲能轉(zhuǎn)變成為熱能而耗散。影響材料吸聲性能的因素包括流阻、孔隙率等環(huán)境條件。隔聲材料主要作用為阻隔聲音傳播，評(píng)價(jià)隔聲材料性能的主要指標(biāo)為傳遞損失（STL），其聲傳遞損失的定義為入射聲功率與透射聲功率之比的對(duì)數(shù)值。均質(zhì)材料的隔聲性能滿足質(zhì)量原理，即密度越高，隔聲性能越好，當(dāng)材料面密度增加一倍，隔聲量增加約6dB。汽車上常用的聲學(xué)包裝材料，一般采用隔吸聲型的組合結(jié)構(gòu)類型，由不同的隔聲層和吸聲層組合。

2、汽車內(nèi)飾輕量化的三種應(yīng)用技術(shù)。金屬基材料的輕量化和“以塑代鋼”技術(shù)，一直是汽車輕量化研究及應(yīng)用的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。但對(duì)汽車內(nèi)飾件或聲學(xué)包裝材料的輕量化，較少引起汽車業(yè)界的關(guān)注，其研究與應(yīng)用較少。汽車內(nèi)飾輕量化主要技術(shù)：1）輕質(zhì)基材的應(yīng)用技術(shù)，如低密度、高倍率發(fā)泡、多孔吸聲纖維材料等；2）新型復(fù)合型聲學(xué)材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，如微穿孔復(fù)合型、多層棉氈或發(fā)泡層組合替代傳統(tǒng)的“軟硬”雙層組合的聲學(xué)結(jié)構(gòu)；3）基于多屬性優(yōu)化設(shè)計(jì)的輕量化應(yīng)用技術(shù)，如合理地分配內(nèi)飾聲學(xué)材料的設(shè)計(jì)布局及對(duì)其形狀、厚度、高密度隔聲層材料等進(jìn)行分布；4）基于制造或安裝工藝的輕量化應(yīng)用技術(shù)，如采用粘接替代以凸焊螺柱卡接的內(nèi)飾件安裝方式等。

三、前壁板隔音墊輕量化開發(fā)及驗(yàn)證

1、新型輕量化隔音墊開發(fā)設(shè)計(jì)。前壁板隔音墊安裝在前壁板上駕乘人員空間一側(cè)，能有效衰減動(dòng)力傳動(dòng)總成和前輪胎等聲源傳遞到車內(nèi)的噪聲強(qiáng)度，其對(duì)車內(nèi)噪聲和聲品質(zhì)水平起著重要作用，是車身聲學(xué)包裝NVH性能開發(fā)中最核心和關(guān)鍵的聲學(xué)部件。

目前，在汽車上廣泛應(yīng)用的前壁板隔音墊采用雙層結(jié)構(gòu)。常用的“重層”材料包括EVA、EPDM或PVC等，“軟層”材料包括棉氈、PU發(fā)泡或熱塑纖維等。重層主要作用是隔聲，即阻隔和反射噪聲；軟層則主要是吸收前壁板件直接的輻射聲能，以及吸收重層的反射聲能。由于傳統(tǒng)的重層材料的質(zhì)量較大，基于減輕汽車聲學(xué)包裝質(zhì)量趨勢(shì)的要求，可采用一種新型的輕量化隔音墊設(shè)計(jì)方案，利用高密度的“軟層”材料替代傳統(tǒng)的“重層”。相對(duì)于傳統(tǒng)的前壁板隔音墊，新型輕量化方案解決了中高頻吸聲性能差的問題，并可減輕質(zhì)量30%～60%。

2、輕量化隔音墊統(tǒng)計(jì)能量法仿真。對(duì)輕量化前壁板隔音墊NVH性能的分析，可通過建立前車體的SEA模型，以隔音墊的傳遞損失特性和吸音系數(shù)為主要設(shè)計(jì)因素，并以噪聲衰減量級(jí)NR指標(biāo)評(píng)估其聲學(xué)性能水平。仿真分析表明，在前壁板無泄漏問題情況下，輕量化的隔音墊與傳統(tǒng)隔音墊都能取得相近的NVH性能，由于輕量化隔音墊具有較高的表面吸聲性能，相比傳統(tǒng)隔音墊，其噪聲衰減性能對(duì)泄漏效應(yīng)的敏感度較低，所以，在中高頻率范圍依然能獲得較好的NVH性能。

3、輕量化隔音墊試驗(yàn)驗(yàn)證。輕量化前壁板隔音墊對(duì)整車NVH性能的影響，主要分析其對(duì)動(dòng)力總成噪聲和底盤噪聲的衰減特性。選擇二擋全油門加速行駛工況，分別測(cè)試和對(duì)比車內(nèi)噪聲情況。

二擋加速工況時(shí)，輕量化的雙層棉氈隔音墊并沒有導(dǎo)致車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)的增加，并在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3800～5000r/min范圍降低了約2.3d B；車內(nèi)語言清晰度指標(biāo)明顯提升。主觀評(píng)價(jià)也能感受到車內(nèi)聲音的中高頻成分比率降低。

四、雙組份吸音棉的應(yīng)用

1、雙組份吸音棉吸聲特性。雙組份吸音棉屬于纖維狀多孔吸聲材料，由高融值PP和中空螺旋超細(xì)PET纖維組成。它具有立體網(wǎng)狀連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)，纖維平均細(xì)度可達(dá)2m以下。雙組份吸音棉纖維直徑明顯小于普通吸音棉，單位內(nèi)纖維數(shù)更多，其材料內(nèi)部互相貫通的微孔和間隙更多，且這些孔隙更小。如此結(jié)構(gòu)使聲音在吸音棉內(nèi)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生更多阻礙，從而使雙組份吸音棉吸聲能力更好。

吸聲系數(shù)測(cè)試工程上通常使用三種方法，即混響室法、駐波管法和雙傳聲器阻抗管法?；祉懯曳y(cè)量在混響室內(nèi)進(jìn)行，主要用于測(cè)量大件樣品的漫入射吸聲系數(shù)。駐波管法和雙傳聲器阻抗管法是用于測(cè)量小件樣品的正入射吸聲系數(shù)。雙傳聲器阻抗管法的測(cè)試速度較快，為駐波管法的40倍，且測(cè)試結(jié)果較為準(zhǔn)確。因此，工程上通常采用雙傳聲器阻抗管法分析和比較聲學(xué)材料的吸聲特性。本文中選擇面密度為300g/m2的雙組份吸音棉和面密度為800g/m2的普通吸音棉兩種吸聲材料，使用雙傳聲器阻抗管法，進(jìn)行正入射吸聲系數(shù)對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖1。300m2雙組份吸音棉的吸聲系數(shù)明顯優(yōu)于800g/m2普通吸音棉。

2、雙組份吸音棉應(yīng)用案例分析。對(duì)比普通吸音棉，雙組份吸音棉具有吸聲系數(shù)高、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)。目前，雙組份吸音棉已在汽車上廣泛應(yīng)用，取代了部分普通吸聲棉。以雙組份吸音棉在車門內(nèi)飾板的應(yīng)用為例，分析雙組份吸音棉對(duì)控制車內(nèi)高頻噪聲的效果。車門附加吸音棉對(duì)整車NVH性能的改善，主要分析其對(duì)風(fēng)噪的衰減特性。選擇100km/h勻速行駛工況，測(cè)試并對(duì)比車內(nèi)噪聲情況，分析結(jié)果見圖2。車門內(nèi)增加雙組份吸音棉后，其聲壓級(jí)在1000 Hz以上明顯降低，前排位置的語言清晰度

提高約4%，明顯改善了車內(nèi)噪聲水平。

五、結(jié)語

目前，汽車工業(yè)正以驚人的速度發(fā)展，全世界的汽車保有量呈井噴的態(tài)勢(shì)增長。同時(shí)，汽車的NVH性能已成為國民生活中主要的環(huán)境污染源之一。因此，人們?cè)谫徺I汽車時(shí)對(duì)汽車乘坐舒適性的要求越來越高，噪聲與振動(dòng)是其最關(guān)注的指標(biāo)之一。

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