某乘用車塑料背門NVH性能分析與研究

楊萬江

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

某乘用車塑料背門NVH性能分析與研究

楊萬江

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

隨著節(jié)能和環(huán)保問題的日益突出，汽車輕量化技術(shù)的研究逐漸成為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。為了探究塑料背門對汽車振動噪聲性能的影響，保證乘坐舒適性，首先對塑料背門進(jìn)行自由模態(tài)分析和整車狀態(tài)下的約束模態(tài)分析，并與金屬背門進(jìn)行對比，兩者模態(tài)頻率接近，振型一致。再進(jìn)行聲腔模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)塑料背門第一階約束模態(tài)與聲腔模態(tài)明顯避頻。最后在聲密性測試的基礎(chǔ)上進(jìn)行整車NVH性能分析，結(jié)果表明，在勻速和2檔全負(fù)荷加速工況下車內(nèi)聲壓級相當(dāng)，語音清晰度甚至高于金屬背門，滿足NVH性能要求。

塑料背門；模態(tài)分析；NVH性能

CLC NO.: U 467.4+93 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-132-04

引言

隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步和汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾糠?，汽車在給人們帶來諸多便利的同時(shí)，也存在能源、環(huán)保、安全和舒適等問題。且隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用逐漸被重視。汽車輕量化技術(shù)綜合考慮減重、節(jié)能、環(huán)保等因素，在保證汽車綜合性能的前提下，使用新材料或新方法對汽車部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能降低汽車部件的自重[1-4]。車身輕量化可通過使用如高強(qiáng)鋼、鋁合金、工程塑料等輕量化材料實(shí)現(xiàn)[5]。其中，塑代鋼不僅能實(shí)現(xiàn)車身輕量化，所用的塑料還能在汽車報(bào)廢后實(shí)現(xiàn)回收再利用，避免資源浪費(fèi)，減少環(huán)境污染，同時(shí)，汽車的舒適度、安全性和設(shè)計(jì)的靈活性也在一定程度上得到改善[6]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對汽車輕量化技術(shù)做了大量研究，如LGFPP 用10 mm左右的玻纖增強(qiáng)的聚丙烯材料，被廣泛用于一些著名品牌汽車的前端模塊和散熱風(fēng)扇中[7]。Du Pont公司和Quantunm集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)出了熱塑性聚酯彈性體，不僅有良好的抗疲勞性、沖擊性，還有良好的低溫彈性，可用于制作座椅，不僅輕于傳統(tǒng)的泡沫座椅，而且省去了必要的彈簧，明顯地改善了乘座舒適性[8]。

隨著生活水平的日益提高，用戶對汽車乘座舒適性的要求也逐步提升，而汽車的振動與噪聲是用戶對汽車最直觀的感受，直接影響乘坐舒適性。因此，在追求輕量化的同時(shí)下，保證汽車NVH（Noise, Vibration and Harshness）性能成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題。本文針對某乘用車塑料背門對NVH性能影響的問題，對比分析塑料背門與金屬背門的自由模態(tài)、整車狀態(tài)約束模態(tài)及整車NVH性能差異，探究塑料背門對振動噪聲的影響，在達(dá)到輕量化的同時(shí)，保證NVH性能要求。

1 自由模態(tài)分析

1.1 塑料背門自由模態(tài)分析

為了檢驗(yàn)塑料背門結(jié)構(gòu)固有動態(tài)特性，進(jìn)而探究其對NVH性能的影響，需對該塑料背門進(jìn)行自由模態(tài)分析。將塑料背門用彈力繩懸掛連接，測量其處于自由狀態(tài)下的模態(tài)參數(shù)，確保塑料背門第一階彈性體模態(tài)頻率高于整體剛體模態(tài)頻率10倍以上。采用錘擊法進(jìn)行模態(tài)測試，在背門上布置9個(gè)加速度傳感器獲得各頻響函數(shù)和，如圖1所示。采用最小二乘復(fù)頻域方法結(jié)合穩(wěn)態(tài)圖和頻響函數(shù)提取模態(tài)參數(shù)，得到對應(yīng)的固有頻率和模態(tài)陣型，如表1和圖2、圖3所示。

圖1 塑料背門頻響函數(shù)

圖2 塑料背門扭轉(zhuǎn)模態(tài)陣型

圖3 塑料背門彎曲模態(tài)

1.2 金屬背門自由模態(tài)分析

為了檢驗(yàn)塑料背門的模態(tài)特性與金屬常規(guī)背門間的差異，對金屬背門進(jìn)行自由模態(tài)分析。為減小試驗(yàn)誤差，金屬背門的試驗(yàn)方法與塑料背門一致，同時(shí)獲得對應(yīng)的固有頻率和模態(tài)陣型，如表1和圖4、圖5所示。

表1 塑料背門與金屬背門固有頻率對比

圖4 塑料背門扭轉(zhuǎn)模態(tài)陣型

圖5 塑料背門彎曲模態(tài)陣型

從模態(tài)參數(shù)及其振型結(jié)果可以看出，自由狀態(tài)下，塑料背門一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為36 Hz，金屬背門一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為33 Hz，塑料背門頻率較金屬背門高3Hz，振型接近；但塑料背門一階彎曲模態(tài)頻率為57.1 Hz，較金屬背門一階彎曲模態(tài)低9.4 Hz，差異較大，更換塑料背門后是否會影響整車振動噪聲性能，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 約束模態(tài)與聲腔模態(tài)避頻分析

2.1 塑料背門與金屬背門約束模態(tài)分析

模態(tài)分析技術(shù)被廣泛用于汽車的振動噪聲控制中，利用模態(tài)分析方法分析車內(nèi)的振動噪聲并與激勵(lì)頻率避頻一直是控制車內(nèi)噪聲的重要手段。除自由模態(tài)外，對塑料背門進(jìn)行整車狀態(tài)下的約束模態(tài)分析更接近實(shí)際情況，因此探究分析更換塑料背門后對整車振動噪聲性能的影響。塑料背門約束模態(tài)試驗(yàn)如圖6所示，塑料背門采用原裝支撐，測量其在整車狀態(tài)下測試后背門的模態(tài)。采用力錘激勵(lì)，在背門上布置9個(gè)加速度傳感器獲得固有頻率和模態(tài)阻尼等模態(tài)參數(shù)，如表2和圖7所示。采用同樣方法更換金屬背門后進(jìn)行整車狀態(tài)下的約束模態(tài)分析，得到金屬背門約束模態(tài)參數(shù)，如表2和圖8所示。

圖6 塑料背門約束模態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場圖

對比塑料背門與金屬背門所獲得的模態(tài)參數(shù)可知，整車狀態(tài)下，塑料背門的一階約束模態(tài)頻率為31.5Hz，金屬背門一階約束模態(tài)頻率為31.9 Hz，兩者模態(tài)頻率接近，誤差僅為1.25%，且兩者陣型一致，為整車前后方向平動剛體模態(tài)。

表2 塑料背門與金屬背門約束模態(tài)對比

圖7 塑料背門約束模態(tài)陣型

圖8 金屬背門約束模態(tài)陣型

塑料背門與其他零部件一樣，需在設(shè)計(jì)時(shí)考慮避頻。該乘用車發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為750rpm，其相應(yīng)的主要激勵(lì)頻率為25Hz左右；當(dāng)汽車在正常路面上以低于150 km/h的速度行駛時(shí)，路面對汽車的激勵(lì)頻率低于21 Hz；由輪胎旋轉(zhuǎn)模態(tài)引起的路躁敲鼓聲主要在40Hz左右。由上述塑料背門的一階約束模態(tài)頻率為31.5Hz可知，這些激勵(lì)頻率都與背門一階約束模態(tài)避頻，不會引起共振。但背門一階約束模態(tài)陣型為整車前后方向平動剛體模態(tài)，與聲腔模態(tài)陣型特性的前后運(yùn)動一致，故還需進(jìn)一步考慮背門一階約束模態(tài)與聲腔模態(tài)避頻，避免背門引起的路躁和車內(nèi)轟鳴聲問題。

2.2 整車聲腔模態(tài)分析

基于數(shù)值有限元分析方法對聲腔模態(tài)分析的準(zhǔn)確性，對乘員艙聲腔進(jìn)行建模并分析。首先在Hypermesh軟件中導(dǎo)入乘用車車身結(jié)構(gòu)有限元模型，提取車室內(nèi)部與空氣接觸的表面，構(gòu)成一個(gè)密閉的聲學(xué)空腔，在不影響計(jì)算精度的前提下對局部特征進(jìn)行必要的簡化。為了更好地研究車室空腔聲場的聲學(xué)特性，考慮座椅對車室聲腔模態(tài)的影響，建立了有座椅的三維聲學(xué)有限元分析模型，圖9所示，共計(jì)28562個(gè)單元，分析頻率為150Hz。

圖9 乘員艙聲學(xué)網(wǎng)格單元模型

對車室內(nèi)聲場有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到聲腔前四階聲學(xué)共鳴頻率和模態(tài)振型，如表3和圖10所示。第一階聲腔模態(tài)頻率為52.8 Hz，大于塑料背門的一階約束模態(tài)31.5Hz，兩者明顯避頻，能有效避免聲腔模態(tài)與結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合共振所產(chǎn)生的車內(nèi)轟鳴聲和路躁問題。

表3 聲腔模態(tài)分析結(jié)果

圖10 1～4階聲腔模態(tài)振型

3 整車NVH性能對比分析

3.1 氣密性測試分析

為了探究塑料背門對NVH性能的影響，除模態(tài)分析和避頻分析外，還需對比塑料背門與金屬背門在整車狀態(tài)下勻速路噪和加速噪聲的差異。由前文可知，塑料背門一階彎曲模態(tài)頻率低于金屬背門，而模態(tài)頻率的高低間接反映其剛度，過低易導(dǎo)致變形或密封問題，因此在試驗(yàn)之前需進(jìn)行背門四周聲密性測試。將該乘用車放置消聲室內(nèi)，采用超聲波泄漏儀分別探測金屬背門與更換塑料背門后的聲密性，如圖11所示，由于背門左右對稱，取左邊紅色圓圈處6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行探測，兩者聲密性測試結(jié)果如表4所示。對比塑料背門與金屬背門聲密性可知，兩者聲密性測試結(jié)果接近，且滿足NVH對氣密性的要求，密封性良好，也為整車狀態(tài)下勻速路躁和加速噪聲測試奠定密封基礎(chǔ)。

表4 聲密性測試結(jié)果對比

圖11 聲密性測試

3.2 整車NVH性能測試分析

塑料背門對路噪及加速噪聲可能產(chǎn)生影響，因此在整車NVH性能測試分析中重點(diǎn)關(guān)注路面勻速噪聲和加速噪聲的變化。路躁分析時(shí)，在粗糙水泥路上以50Km/h、65Km/h和80Km/h勻速工況行駛，車內(nèi)四個(gè)乘員右耳位置布置4個(gè)麥克風(fēng)，進(jìn)行噪聲測試，通過客觀測試分析車內(nèi)駕駛員右耳位置聲壓級。以同樣方法對金屬背門進(jìn)行路躁測試，獲取駕駛員右耳處聲壓級進(jìn)行對比分析，如表5所示。根據(jù)路面勻速噪聲測試對比可知，塑料背門與更換金屬背門后車內(nèi)前排噪聲差別較小，誤差在±0.6dB范圍內(nèi)，可接受。

表5 粗糙水泥路車內(nèi)噪聲對比

在關(guān)注該四缸機(jī)乘用車塑料背門對加速噪聲的影響時(shí)，以典型2檔全負(fù)荷加速工況進(jìn)行測試分析，獲取車內(nèi)聲壓級和語音清晰度。以相同測試方法對金屬背門進(jìn)行加速噪聲測試，將塑料背門和更換金屬背門后獲取的駕駛員右耳處聲壓級和語音清晰度進(jìn)行對比，如圖12和圖13所示。由2檔加速噪聲測試對比分析可知，塑料背門與金屬背門在2檔全負(fù)荷加速工況下車內(nèi)聲壓級相當(dāng)，塑料背門車內(nèi)語音清晰度較金屬背門略好。且在整車NVH性能測試時(shí)進(jìn)行主觀評價(jià)，發(fā)現(xiàn)在2檔加速和勻速狀況下，塑料背門與金屬背門車內(nèi)噪聲差異較小，都未出現(xiàn)“壓耳”、“轟鳴”等問題，整車NVH性能較好。

圖12 加速車內(nèi)噪聲測試結(jié)果對比

圖13 2檔加速時(shí)語音清晰度對比

4 結(jié)論

本文探究某乘用車輕量化研究中塑料背門后對NVH性能的影響，通過對比分析塑料背門與金屬背門的自由模態(tài)、約束模態(tài)、與聲腔模態(tài)是否避頻及整車NVH性能差異，探究塑料背門對振動噪聲的影響，得到以下結(jié)論：

（1）整車約束狀態(tài)下，塑料背門與金屬背門模態(tài)頻率接近，振型一致，模態(tài)特性相當(dāng)。

（2）塑料背門與發(fā)動機(jī)怠速、路面激勵(lì)、輪胎旋轉(zhuǎn)模態(tài)及聲腔模態(tài)避頻，有效避免了車內(nèi)轟鳴聲和路躁問題。

（3）塑料背門與金屬背門聲密性測試結(jié)果接近，狀態(tài)良好，滿足NVH對氣密性的要求。

（4）塑料背門與金屬背門在2檔全負(fù)荷加速和勻速工況下車內(nèi)聲壓級相當(dāng)，塑料背門車內(nèi)語音清晰度較略好與金屬背門，滿足NVH性能要求。

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NVH Performance Analysis and Research for a Passenger Car Plastic Back Door

Yang Wanjiang
( China Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd,. Chongqing 401122 )

With the increasing emphasis on energy conservation and environmental protection, the research of automotive lightweight technology has become a hotspot in modern car design.To explore the effect of plastic back door on the performance of vibration and noise, and guarantees the comfortableness,the free and the constraint experimentalmodal analysisof the plastic back door were analyzed firstly, which were compared with the metal back door. The frequency were similar, and themode shapes werefairly consistent. Then, sound finite modal analysis were completed, the frequency of1st constraint mode of the plastic back doorand sound modeswere obviously avoided. Finally, based on the sound tightness test,vehicle NVH performance analysis were accomplished. The results indicate thatthe pressure level of the plastic and metal back doorwere equivalent under uniformvelocity and 2 full load acceleration, voice intelligibility of plastic back door even higher than metal back door, which meet NVH performance requirements.

Plastic Back Door; Modal Analysis; NVH

U467.4+93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-132-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.044

楊萬江（1989-），男，就職于中國汽車工程研究院股份有限公司。