基于振動傳遞的汽車雨刮噪聲分析

趙湛智

（博世汽車部件（長沙）有限公司）

隨著人們對汽車駕駛舒適度要求的逐漸提高，汽車雨刮噪聲也成為用戶和整車廠衡量舒適度的重要指標。國內(nèi)外研究人員對汽車雨刮噪聲進行了理論、試驗、仿真等研究，研究領(lǐng)域主要集中在噪聲源：雨刮電機噪聲[1]、傳動齒輪噪聲[2]、雨刮刮片與擋風玻璃的摩擦噪聲[3]及換向折返噪聲[4]。理論上可以從噪聲源控制、傳播途徑控制和接受者保護3 個方面進行噪聲控制。因此在研究雨刮噪聲時，除了控制噪聲源，通過隔振來優(yōu)化傳播途徑也是不可忽略的途徑。由于雨刮振動傳遞研究涉及雨刮系統(tǒng)供應(yīng)商和整車廠車身的雙方對接匹配，行業(yè)內(nèi)鮮有這方面的研究，文章通過振動傳遞理論和實例，從噪聲傳遞的角度研究和解決了雨刮噪聲問題。

1 振動傳遞理論

雨刮系統(tǒng)包括雨刮電機、雨刮連桿機構(gòu)、雨刮刮桿和刮片，如圖1 所示。來自雨刮電機、雨刮系統(tǒng)零件間的間隙、結(jié)構(gòu)共振等的結(jié)構(gòu)噪聲是雨刮系統(tǒng)噪聲的根源。結(jié)構(gòu)噪聲能夠通過擋風玻璃和車身鈑金傳遞到駕駛室內(nèi)。

圖1 雨刮系統(tǒng)示意圖

隔振就是把振源與連接結(jié)構(gòu)的近剛性連接改成彈性或者阻尼連接，以防止或者減弱振動能量的傳遞，最終達到減振降噪的目的。用插入損失（傳遞路徑連接前后接受體響應(yīng)的有效值之比）來表征隔振的效果，插入損失越大說明隔振效果越好。根據(jù)所選取的接受體響應(yīng)的不同，相應(yīng)的有位移插入損失、速度插入損失和加速度插入損失。

雨刮系統(tǒng)彈性和剛性安裝示意圖，如圖2 和圖3所示。F1為振動源（雨刮系統(tǒng)）的擾動力（N）；V1和 V1g分別為彈性和剛性安裝時振動源（雨刮系統(tǒng)）的振動速度（m/s）；F2和V2分別為彈性安裝時傳遞到非剛性車身的力（N）和振動速度（m/s）；F2g和 V2g分別為剛性安裝時傳遞到非剛性車身的力（N）和振動速度（m/s）；Zm，Zr，Zc分別為振動源（雨刮系統(tǒng)）、彈性隔振元件（橡膠墊）和接受體（車身）的機械阻抗。雨刮系統(tǒng)安裝界面，如圖4 所示。從圖4 可知，振動從雨刮系統(tǒng)經(jīng)由橡膠墊傳遞到車身[5]。

圖2 雨刮系統(tǒng)彈性安裝示意圖

圖3 雨刮系統(tǒng)剛性安裝示意圖

圖4 雨刮系統(tǒng)安裝界面

使用四端參數(shù)法分別列出輸入和輸出的關(guān)系式：

插入損失（Lr/dB）表示為：

從式（3）可以看出，使用低剛度的橡膠墊和高剛度的車身可以獲得較大的插入損失，減小從雨刮系統(tǒng)傳遞到車身的振動。

2 橡膠墊的應(yīng)用

某新能源汽車雨刮系統(tǒng)在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，雨刮會產(chǎn)生噪聲，該噪聲來源于雨刮電機，能夠明顯地被坐在駕駛室的用戶感知到。噪聲峰值頻率1 570 Hz 與電機旋轉(zhuǎn)的24 階頻率一致。車未啟動開啟雨刮時，車內(nèi)噪聲頻譜圖，如圖5 所示。

圖5 車內(nèi)雨刮噪聲頻譜圖

經(jīng)過進一步分析發(fā)現(xiàn)，該電機使用在其它車型上時，在車內(nèi)沒有探測到此類噪聲，并且該電機噪聲是該電機的固有特性，難以在短期內(nèi)解決噪聲源問題。

由于雨刮系統(tǒng)與車身直接通過橡膠墊連接，重新設(shè)計橡膠墊來降低噪聲傳遞，以達到降低車內(nèi)雨刮噪聲的目的。

根據(jù)式（3），更改橡膠墊材料，使用低硬度的橡膠墊來降低剛度以提高插入損失，改善隔振效果。改善前橡膠墊的硬度是Shore A 55，改善后的硬度是shore A 35。改善前后橡膠墊的動剛度數(shù)值，如圖6 所示。

圖6 改善前后橡膠墊的動剛度

改善前后的噪聲頻譜圖，如圖7 所示。改善后，24 階噪聲從 21.4 dB（A）降低到 13.8 dB（A），降低了7.6 dB（A），達到了滿意的結(jié)果。

圖7 改善前后車內(nèi)雨刮噪聲頻譜對比

3 車身剛度的應(yīng)用

在車內(nèi)評價某雨刮系統(tǒng)噪聲時，噪聲值未達到滿意的結(jié)果，經(jīng)過研究，在750 Hz 處噪聲能夠很明顯地被人耳感知到。

由式（3）可知，提高車身剛度能夠增大插入損失而減少雨刮系統(tǒng)傳遞到車身的振動。

為了便于測量，通常使用錘擊法測量安裝點的動質(zhì)量來評估車身剛度的影響。動質(zhì)量測試，如圖8 所示。

圖8 動質(zhì)量測試示意圖

用力錘敲擊安裝點，用加速度傳感器獲取加速度響應(yīng)值，獲得動質(zhì)量Ms為：

式中：F（f）——力錘的敲擊力，N；

f——噪聲頻率，Hz；

a（f）——加速度響應(yīng)值，m/s2。

動剛度K（f）和動質(zhì)量Ms（f）之間的關(guān)系，如式（5）所示。

實際測試設(shè)置，如圖9 所示。車身安裝點改善前后示意圖，如圖10 所示。

圖9 動質(zhì)量實際測試設(shè)置

圖10 車身安裝點改善前后示意圖

對車身安裝點Z 方向進行改善，增加L 型支撐結(jié)構(gòu)后，在180～580 Hz 范圍內(nèi)，動質(zhì)量明顯提高，如圖11所示。從圖11 可以看出，優(yōu)化前在Z 方向的180～580 Hz范圍內(nèi)，動質(zhì)量相對較低：-30～-40 dB[kg]。

圖11 改善前后動質(zhì)量測試結(jié)果

改善后車身安裝點的動質(zhì)量提高，從雨刮系統(tǒng)傳遞到車身的振動噪聲減小，在750 Hz 處噪聲降低了10 dB（A），車內(nèi)主觀噪聲改善明顯，如圖12 所示。

圖12 改善前后車內(nèi)雨刮噪聲測試結(jié)果

4 結(jié)論

低剛度的橡膠墊有助于增大振動傳遞，但是在實際工程實踐中不能無限度地降低，還需要考慮過低的剛度帶來的負面效果，比如雨刮系統(tǒng)不穩(wěn)定、橡膠墊斷裂等。通過仿真和試驗獲得既滿足振動傳遞的要求，又能保證雨刮性能的剛度。車身雨刮安裝點在設(shè)計過程中，安裝點動剛度遠大于橡膠墊的動剛度，可以避免在某些頻率點出現(xiàn)急劇降低的情況。建議整車廠與雨刮系統(tǒng)供應(yīng)商基于文章所述理論，共同仿真和測試研究，針對本企業(yè)的車身情況獲得理想的橡膠墊和車身的動剛度數(shù)據(jù)，在前期設(shè)計中避免噪聲的發(fā)生。