純電動(dòng)SUV天窗風(fēng)振的優(yōu)化控制

盧昕夕 祁貴兵

（愛(ài)馳汽車(chē)（上海）有限公司）

研究表明，車(chē)輛在中低速的行駛過(guò)程中，來(lái)自動(dòng)力總成、輪胎、路面的噪聲及機(jī)電附件的噪聲會(huì)占主導(dǎo)地位；當(dāng)車(chē)速超過(guò)100 km/h時(shí)，風(fēng)噪會(huì)完全掩蓋動(dòng)力總成噪聲及路噪[1]，成為車(chē)內(nèi)乘客感受到的主要噪聲源。純電動(dòng)車(chē)型在缺少了來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)及其機(jī)電附件噪聲的掩蓋之后，風(fēng)噪越來(lái)越凸顯。天窗能夠很好地改進(jìn)車(chē)廂內(nèi)的氣流循環(huán)，增加進(jìn)氧量，讓乘客親近自然并且提高駕駛體驗(yàn)[2]。但是，當(dāng)汽車(chē)天窗打開(kāi)時(shí)，除了新鮮的空氣之外，乘客還可以聽(tīng)到來(lái)自頭頂區(qū)域發(fā)出的嗡嗡的低頻強(qiáng)噪聲。本文針對(duì)天窗噪聲，在前期通過(guò)CFD軟件仿真來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，初步提出天窗的舒適位置，同時(shí)對(duì)天窗擾流板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低風(fēng)振的影響，最后通過(guò)在風(fēng)洞中進(jìn)行實(shí)車(chē)調(diào)試，確定最終的天窗開(kāi)度舒適位置，提高了整車(chē)行駛的舒適性。

1 天窗風(fēng)振噪聲的形成機(jī)理

在汽車(chē)高速行駛過(guò)程中，當(dāng)全景天窗打開(kāi)時(shí)，在車(chē)頂開(kāi)口的前部邊緣，來(lái)自車(chē)外高速流經(jīng)的氣流與車(chē)內(nèi)相對(duì)靜止的氣體之間存在一個(gè)剪切層，2個(gè)氣流的流速并不相同，而當(dāng)車(chē)內(nèi)和車(chē)外的氣流速度差超過(guò)臨界值之后，剪切層就會(huì)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，最終形成漩渦，并且周期性地散發(fā)，跟隨氣流一起向后運(yùn)動(dòng)。當(dāng)此漩渦撞擊到天窗開(kāi)口的后端處，漩渦破碎，產(chǎn)生一個(gè)向四周傳播的壓力波。傳到車(chē)外的一部分壓力到達(dá)天窗開(kāi)口的前端，將再次引發(fā)渦旋的脫落，形成反饋回路。整個(gè)過(guò)程會(huì)重復(fù)很多次，并且引起剪切層產(chǎn)生一個(gè)特定的振動(dòng)頻率，當(dāng)頻率和車(chē)內(nèi)聲腔模態(tài)發(fā)生耦合時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生共振，即天窗的風(fēng)振現(xiàn)象[3]。它的頻率很低（＜20 Hz），但是強(qiáng)度卻很高（＞90 dB），雖然該噪聲不易被人耳聽(tīng)到，但它產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力卻使乘客感到厭倦[4]。因此，為了提高乘客乘坐的舒適性，在汽車(chē)研發(fā)階段，需要考慮天窗風(fēng)振噪聲帶來(lái)的影響，并且制定合適的措施進(jìn)行優(yōu)化。

2 建立仿真計(jì)算模型

隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和CFD流體分析軟件的快速發(fā)展，越來(lái)越多的主機(jī)廠開(kāi)始通過(guò)CFD計(jì)算仿真方式來(lái)建立模型，快速評(píng)估不同結(jié)構(gòu)、不同設(shè)計(jì)對(duì)于風(fēng)振的影響，同時(shí)通過(guò)改變邊界的參數(shù)，比如壓力、流速等，來(lái)提供詳細(xì)的參數(shù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

本次仿真模型在保證整車(chē)上車(chē)身和CATIA模型一致的情況下，對(duì)整車(chē)外造型進(jìn)行局部的簡(jiǎn)化。分別對(duì)整車(chē)、天窗及頂棚區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)加密處理。使用最小加密域網(wǎng)格為2 mm，總體網(wǎng)格數(shù)量為1.16億，并對(duì)天窗全開(kāi)工況以及舒適位置工況進(jìn)行比對(duì)。

從圖1仿真分析對(duì)比結(jié)果看，在天窗全開(kāi)的情況下，氣流吹過(guò)擾流板后產(chǎn)生巨大的漩渦，進(jìn)入車(chē)內(nèi)。而在舒適位置，氣流吹過(guò)擾流板后，沒(méi)有形成大渦，氣流敲擊到天窗的后部，對(duì)車(chē)內(nèi)影響較小。

圖1 天窗開(kāi)啟狀態(tài)氣流圖

3 天窗風(fēng)振的控制

3.1 天窗擾流板的設(shè)計(jì)

通過(guò)天窗風(fēng)振的原理可以知道，控制風(fēng)振噪聲的核心方法就是打破氣流在天窗前后邊緣的運(yùn)動(dòng)，從而使氣流不吹到天窗?？梢酝ㄟ^(guò)在天窗前邊緣增加擾流板來(lái)改善風(fēng)噪，有不同的天窗擾流板方案可供選擇，比如網(wǎng)式、鋸齒式等，同時(shí)，在天窗開(kāi)啟的模式中增加舒適位置，控制其開(kāi)啟的最大行程。

在設(shè)計(jì)初期階段，通過(guò)風(fēng)噪checklist數(shù)據(jù)檢查發(fā)現(xiàn)，該車(chē)型已經(jīng)在天窗前邊緣增加了網(wǎng)狀的導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)，風(fēng)振有所降低，但是天窗導(dǎo)流板擋風(fēng)網(wǎng)過(guò)小，支撐臂暴露在流場(chǎng)之中，產(chǎn)生新的脈動(dòng)噪聲。

通過(guò)溝通，將天窗導(dǎo)流板導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)的R角包覆起來(lái)。為了配合擋風(fēng)網(wǎng)的R角包裹，前梁也進(jìn)行了相應(yīng)的更改，穿孔結(jié)構(gòu)順著R角延長(zhǎng)，同時(shí)導(dǎo)流板也從組合式變更為塑料一體式，如圖2所示。

圖2 天窗擾流板

3.2 天窗舒適位置的設(shè)計(jì)

在項(xiàng)目早期階段就已經(jīng)明確了天窗的高度，天窗玻璃自動(dòng)翹起后的最終停止位置被預(yù)設(shè)計(jì)為全開(kāi)位置。從性能工程師的角度來(lái)說(shuō)，天窗開(kāi)口開(kāi)度越小對(duì)風(fēng)振越有利，而從顧客的角度，全景天窗的開(kāi)度要足夠大，這樣車(chē)內(nèi)的空氣循環(huán)會(huì)更好，視野更開(kāi)闊。

在通過(guò)CFD仿真找到天窗開(kāi)啟的初步舒適位置之后，除了需要要求天窗供應(yīng)商在天窗電機(jī)中增加該擋位之外，還需要通過(guò)機(jī)械按鈕、觸摸屏或者語(yǔ)音喚醒來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能，確保顧客在使用天窗過(guò)程中，能夠讓天窗開(kāi)度到達(dá)舒適位置，而非一次性全部開(kāi)啟。該純電動(dòng)車(chē)型天窗通過(guò)中控屏及語(yǔ)音喚醒來(lái)控制，如圖3所示。

圖3 天窗控制界面

4 風(fēng)振試驗(yàn)

在通過(guò)初期CFD仿真預(yù)設(shè)天窗開(kāi)啟舒適位置，采用全包式的網(wǎng)狀擾流板導(dǎo)風(fēng)條，以及在中控軟件中設(shè)定好天窗舒適位置之后，就需要在整車(chē)上對(duì)天窗的風(fēng)振進(jìn)行驗(yàn)證以及調(diào)試。

4.1 天窗全開(kāi)測(cè)試

在測(cè)試之前，試驗(yàn)工程師先通過(guò)在車(chē)內(nèi)的主觀評(píng)價(jià)，來(lái)感受風(fēng)振噪聲量級(jí)的大小以及乘員的舒適度，并進(jìn)行評(píng)分（1～9分制）。通過(guò)多名NVH工程師的評(píng)估，在天窗開(kāi)啟的過(guò)程中，某個(gè)車(chē)速下，天窗的風(fēng)振十分的明顯，車(chē)內(nèi)乘客能明顯感受耳膜的壓迫感。在風(fēng)速緩慢上升的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速在60～70 km/h左右時(shí)風(fēng)振開(kāi)始出現(xiàn)，在100 km/h時(shí)，附件風(fēng)振噪聲最為嚴(yán)重。

在通過(guò)主觀評(píng)價(jià)初步發(fā)現(xiàn)問(wèn)題之后，需要在風(fēng)洞中通過(guò)客觀的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)準(zhǔn)確定位問(wèn)題點(diǎn)，然后進(jìn)行優(yōu)化解決。在風(fēng)洞中，先將汽車(chē)的全景天窗全部打開(kāi)，將風(fēng)洞的風(fēng)速?gòu)?緩慢加到120 km/h，在車(chē)內(nèi)通過(guò)人工頭來(lái)測(cè)試整個(gè)加速過(guò)程中的車(chē)內(nèi)噪聲，通過(guò)時(shí)域圖來(lái)判斷全景天窗風(fēng)振出現(xiàn)的車(chē)速。

通過(guò)風(fēng)速勻加速的工況，可以得出在風(fēng)速65 km/h左右時(shí)，風(fēng)振開(kāi)始出現(xiàn)，在風(fēng)速100 km/h左右時(shí)，車(chē)內(nèi)風(fēng)振噪聲聲壓級(jí)最大。

在高速行駛過(guò)程中，由于此時(shí)風(fēng)速較高，噪聲較大，乘客通常不會(huì)打開(kāi)天窗。而在中速段，乘客在感受到車(chē)內(nèi)的空氣質(zhì)量不佳時(shí)，通常會(huì)打開(kāi)天窗通風(fēng)透氣。因此，在該車(chē)型后續(xù)的天窗風(fēng)振調(diào)試過(guò)程中，選取65 km/h的風(fēng)速來(lái)進(jìn)行調(diào)試。

4.2 風(fēng)振車(chē)速下天窗的全開(kāi)的與全關(guān)

通過(guò)對(duì)比在65 km/h風(fēng)速下天窗全開(kāi)與全關(guān)的車(chē)內(nèi)噪聲，可以明顯看出風(fēng)振噪聲的頻率在17 Hz左右，與仿真分析及理論一致。在天窗全開(kāi)的情況下，17 Hz對(duì)應(yīng)的噪聲峰值為52 dB，而在天窗全關(guān)的情況下，17 Hz對(duì)應(yīng)的噪聲峰值僅為30 dB，風(fēng)振噪聲峰值極大降低，如圖4所示。

圖4 天窗全開(kāi)/全關(guān)對(duì)比圖

4.3 風(fēng)振車(chē)速下天窗開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程

為了尋找天窗開(kāi)啟的舒適位置，除了通過(guò)CFD仿真來(lái)初步確定位置之外，還需要在出現(xiàn)風(fēng)振的風(fēng)速中，通過(guò)天窗開(kāi)啟及關(guān)閉的全過(guò)程，來(lái)找到天窗風(fēng)振產(chǎn)生位置的臨界點(diǎn)，從而可以確保天窗開(kāi)度最大，乘客能夠接受。把風(fēng)速設(shè)定為65 km/h來(lái)測(cè)試天窗開(kāi)啟及關(guān)閉整個(gè)過(guò)程中的車(chē)內(nèi)噪聲，通過(guò)客觀數(shù)據(jù)查找最合適的開(kāi)度，如圖5所示。

圖5 天窗開(kāi)啟/關(guān)閉過(guò)程

4.4 天窗舒適位置調(diào)節(jié)

該車(chē)型的天窗全開(kāi)的尺寸為60 cm，在前期通過(guò)CFD仿真得到的舒適位置天窗開(kāi)口尺寸為53 cm，占比為88%，而通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的舒適位置臨界開(kāi)口為54.5 cm，總占比為91%。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了2個(gè)開(kāi)度下的風(fēng)振噪聲，頻譜圖中發(fā)現(xiàn)2個(gè)位置下17 Hz的幅值均為30 dB，如圖6所示。通過(guò)瀑布圖對(duì)比兩者的噪聲能量，可以判定2個(gè)位置均能滿(mǎn)足性能要求?？紤]到乘客對(duì)于全景天窗的追求在于更大、視野更好，故最終設(shè)定天窗開(kāi)啟的舒適位置為試驗(yàn)調(diào)試發(fā)現(xiàn)的位置，總開(kāi)度為91%。

圖6 仿真與試驗(yàn)舒適位置噪聲對(duì)比

5 結(jié)論

在分析天窗風(fēng)振噪聲形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，以某純電動(dòng)車(chē)全景天窗為例，通過(guò)前期的CFD仿真分析發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，找到天窗開(kāi)度的舒適位置，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化天窗擾流板導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，來(lái)降低風(fēng)振噪聲，同時(shí)，通過(guò)在中控軟件中增加天窗舒適位置，提升乘客的體驗(yàn)。