電動汽車車門聲學(xué)包優(yōu)化解決路徑研究

楊 靖 ，林 奇

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院；2.安徽永鑫汽車制造裝備有限公司，安徽 滁州 239000)

0 引言

電動汽車作為新能源汽車重要類型，其發(fā)展規(guī)模已經(jīng)出現(xiàn)趕超燃油汽車的趨勢。由于電動汽車的驅(qū)動動力來源于電動機(jī)，在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪音明顯小于燃油汽車中的發(fā)動機(jī)，如果按照傳統(tǒng)的燃油車隔音方式設(shè)計，駕駛員及乘客會明顯感受到電動汽車在噪音控制方面的優(yōu)越性。但是電動汽車的續(xù)航能力受限于動力電池，要達(dá)到提高續(xù)航能力的目的，除了提高電池性能外，還需要減少車輛自重耗電，進(jìn)行輕量化設(shè)計優(yōu)化。而輕量化設(shè)計通常從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量化材料應(yīng)用、先進(jìn)生產(chǎn)工藝著手[1]。為了平衡電動汽車各結(jié)構(gòu)部件聲學(xué)性能和輕量化的矛盾，就需要在原有電動汽車結(jié)構(gòu)隔音設(shè)計基礎(chǔ)上適當(dāng)進(jìn)行減重優(yōu)化，利用輕量化替代材料和優(yōu)化隔音材料覆蓋位置和面積的方法，達(dá)到改善的目的。

本研究主要針對某自主品牌電動汽車車門進(jìn)行聲學(xué)包優(yōu)化設(shè)計。聲學(xué)包是控制車內(nèi)高頻噪聲的有效措施，將不同吸、隔聲材料進(jìn)行最優(yōu)組合，不僅可獲得良好的聲學(xué)性能，還能實(shí)現(xiàn)材料的輕量化[2]。目前國內(nèi)的一些汽車廠商以及科研院校從不同的角度對聲學(xué)包優(yōu)化進(jìn)行了研究。唐中華等[1]從汽車駕駛員頭部聲壓影響分析著手，提出了多目標(biāo)遺傳算法對聲學(xué)包材料厚度優(yōu)化。陸彬[2]改進(jìn)制造工藝，采用激光拼焊板、輥壓工藝、烘烤硬化鋼等方式，達(dá)到制造輕量化的目的。劉秀影等[3]針對電動汽車整車聲源和車內(nèi)VTS指標(biāo)分解，提出了將隔音材料由“重層+軟層”改變成“軟層+軟層”的優(yōu)化方法。這些研究一部分在制造中得到了驗(yàn)證，取得了明顯的優(yōu)化效果。但是，目前大多數(shù)研究都是針對整車，當(dāng)某些電動汽車局部構(gòu)造發(fā)生變化時，仿真結(jié)果就會出現(xiàn)偏差。

基于上述分析，對一款電動汽車在換代車型的車門部分進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。在考慮電動汽車運(yùn)行特點(diǎn)、駕駛員側(cè)車門和后備車門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)情況下，利用能量統(tǒng)計分析(Statistical Energy Analysis，SEA)方法，結(jié)合仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，從材料的成本應(yīng)用、隔音材料覆蓋面積和位置等角度優(yōu)化設(shè)計方案，從實(shí)用層面上達(dá)到減重與隔音性能平衡的目的。本文的分析結(jié)果可為電動汽車車門部分的設(shè)計提供參考。

1 SEA車門模型的建立

SEA方法是通過能量傳遞分析穩(wěn)態(tài)聲振系統(tǒng)，分析各聲振子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系以及能量流在子系統(tǒng)間傳遞的過程。由于其計算有效頻段與聲學(xué)包作用頻段重合度較高，因此適用于聲學(xué)包優(yōu)化分析[4]。

從能量傳遞角度來看，車門模型單個子系統(tǒng)參數(shù)用模態(tài)密度和內(nèi)損耗因子來表達(dá)，模態(tài)密度是子系統(tǒng)吸收和存儲能量能力的參數(shù)，內(nèi)損耗因子是子系統(tǒng)自身對能量衰減強(qiáng)弱的參數(shù),兩者的平衡方程可轉(zhuǎn)化為分析子系統(tǒng)的動力學(xué)指標(biāo)。在此原理基礎(chǔ)上，為了便于分析車門聲學(xué)包優(yōu)化方法，可將車門子系統(tǒng)分為板件結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和聲腔子系統(tǒng)兩部分，然后建立車門的SEA模型。板件結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)劃分時，玻璃用平板單元，車門鈑金用曲面板單元建模。聲腔子系統(tǒng)考慮聲源激勵特點(diǎn)，建立車門內(nèi)腔子系統(tǒng)。

圖1 車門總成SEA系統(tǒng)聲包模型圖

在子系統(tǒng)之間的連接耦合關(guān)系中，部件間可以簡化為通過點(diǎn)、線、面?zhèn)鬟f能量，在針對車門的聲學(xué)包優(yōu)化分析中暫時忽略車門與車身之間的連接，因?yàn)樵诋a(chǎn)品后期設(shè)計中會通過NVH(Noise，Vibration&Harshness)常用仿真軟件完成子系統(tǒng)自動連接處理。

通過車門子系統(tǒng)模型的物理參數(shù)設(shè)置，將車門玻璃按照非夾層玻璃材料、厚度4 mm，車門鈑金按照1 mm鋼板設(shè)置。在車門板件結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)與車門聲腔子系統(tǒng)基礎(chǔ)上形成SEA模型并覆蓋飾板及吸聲材料，如圖1所示。

在對車門子系統(tǒng)物理參數(shù)模態(tài)密度和內(nèi)損耗因子解析后，模型建立的效果滿足仿真條件。根據(jù)實(shí)際工作條件需要，在模型上設(shè)置門鎖、落水孔等泄漏部位，可以使仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2 車門聲學(xué)包性能分析

由于電動汽車電動機(jī)與燃油汽車發(fā)動機(jī)的工作方式不同，因此它們的外部激勵條件有不同的特征。聲學(xué)包分析是以聲激勵作為主要主體，電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)中產(chǎn)生噪音以高頻為主，而車門受到電動機(jī)噪音傳導(dǎo)影響較小，但高頻噪音改善需求高于燃油汽車。駕駛艙內(nèi)受到風(fēng)噪和胎噪影響明顯，車門隔音結(jié)構(gòu)設(shè)計及吸聲材料選用對改善噪音有明顯作用。

2.1 吸音材料性能分析

圖2 吸音棉吸音性能對比圖

車門聲學(xué)包性能主要體現(xiàn)在材料樣件的吸聲系數(shù)和隔音性能上。吸聲系數(shù)以0和1為極限，0表示材料無吸聲能力，1則表示材料可以實(shí)現(xiàn)全吸聲。通常在車門中設(shè)置吸聲材料為吸音棉，吸音棉的吸音性能如圖2所示。

測試分別選取150 g/m2和450 g/m2兩種不同密度的吸音棉比較，首先從吸聲系數(shù)角度分析，兩種吸音棉均有良好的吸音性能，在中低頻段(<3000 Hz)條件下，450 g/m2吸音棉的吸聲性能要好于150 g/m2，但是在3000 Hz以上，吸聲性能基本相同。

電動汽車相對于燃油汽車而言，噪音主要以中高頻(3000～8000 Hz)為主?？紤]到吸聲系數(shù)與材料流阻性能的關(guān)系，電動汽車在行駛中，風(fēng)壓從車門泄漏處產(chǎn)生噪音，不同密度的吸音棉流阻性能不同。450 g/m2吸音棉密度大則增加流阻，不利于消除風(fēng)壓帶來的噪音；相反，150 g/m2吸音棉密度小，流阻小，有利于減弱風(fēng)壓帶來的噪音。因此，150 g/m2吸音棉更適用于電動汽車車門。從重量角度分析，傳統(tǒng)燃油車和早期電動汽車的車門通常采用吸音棉整面覆蓋的隔音結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)下，150 g/m2比450 g/m2吸音棉的重量明顯更輕，更有利于輕量化設(shè)計。

2.2 隔音性能分析

隔音性能分析是在隔音棉隔音結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，將車窗玻璃以及車門工藝泄漏處作為參考因素，根據(jù)分析結(jié)果找出優(yōu)化方案。針對車門部分，評價隔音性能的方法采用傳遞損失法(sound transmission loss，STL)，利用聲強(qiáng)測試系統(tǒng)，將車門玻璃對車門隔音性能的影響、吸音棉覆蓋面積對車門隔音性能的影響以及泄漏處對隔音性能的影響等方面作為測試分析目標(biāo)，結(jié)合降本需求，找到解決方法。實(shí)際測試中，在混響室中設(shè)置不同聲壓級噪聲，車門放于半消聲室，通過安裝車門玻璃測試，記錄數(shù)據(jù)形成圖3；通過封閉泄漏孔安裝隔音棉測試，記錄數(shù)據(jù)形成圖4;通過更換不同品牌隔音棉測試，記錄數(shù)據(jù)形成圖5；通過改變隔音棉覆蓋面積測試，記錄數(shù)據(jù)形成圖6。

圖3 有無車門玻璃隔音性能對比

圖4 無泄漏狀態(tài)有無隔音棉性能對比

2.2.1 車門玻璃的影響

車門在封閉泄漏處(主要是門鎖、揚(yáng)聲器及落水孔等部位)的情況下，對有車門玻璃和無車門玻璃分別進(jìn)行了隔音測試，如圖3所示。從隔音效果看，有玻璃狀態(tài)比無玻璃狀態(tài)聲壓高出10 dB左右，特別是中高頻4000 Hz后，車門玻璃隔音有明顯變化，證明車門玻璃在整個總成隔音性能中，處于薄弱環(huán)節(jié)。由于玻璃的材料屬性及廠商的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)需求，在優(yōu)化方案中暫時排除車門玻璃因素。

由圖4可知，將車門泄漏處封閉，在有隔音棉無泄漏情況下，隔音效果明顯，有、無隔音棉的隔音差距在中高頻區(qū)域升高至9 dB。在確定隔音棉的效果后，基于降本需求，對比3M棉和直立棉隔音性能，見圖5。由圖5可知，兩者隔音性能無明顯差距，說明可以用直立棉代替3M棉。

圖5 兩種隔音棉隔音性能對比

圖6 不同隔音棉覆蓋率的隔音性能對比

降本方案考慮從改變隔音棉覆蓋面積進(jìn)行測試，對比隔音棉100%覆蓋率、50%覆蓋率和20%覆蓋率的隔音性能，如圖6所示。因?yàn)樵胍艨赡軓能囬T泄漏處對內(nèi)部造成影響，所以打開泄漏處，從圖中看出，3種覆蓋率對于隔音量的影響比較接近，特別是100%覆蓋率和50%覆蓋率在中高頻區(qū)域相差約1 dB,相對于車門玻璃的影響幾乎可以忽略，因此隔音棉可以在減少一半的基礎(chǔ)上達(dá)到隔音的目的。而覆蓋率為20%時，隔音棉在車門隔音的貢獻(xiàn)量較大，且成本對比50%覆蓋率情況下降不明顯，所以作為備選方案。

2.2.2 泄漏處對隔音的影響

在車門泄漏處隔音性能測試中，首先封閉門鎖處泄漏，因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行狀態(tài)下門鎖位置沒有泄漏點(diǎn)。重點(diǎn)考慮車門下部落水孔的影響。如圖7所示，在隔音棉50%覆蓋率的情況下，測試結(jié)果在中高頻有5 dB差距且處于提升狀態(tài)，落水孔泄漏明顯對隔音影響較大。因此，可在落水孔處加裝單向閥裝置，在保證排水通暢的前提下，改善隔音效果。

3 改進(jìn)方案實(shí)施

圖7 開閉落水孔的隔音性能對比

本文對車門包括后備門進(jìn)行了分析，后備門的分析過程和結(jié)果與車門基本一致，這里不另做闡述。根據(jù)整個分析過程，150 g/m2和450 g/m2吸音棉的吸聲性能在中低頻區(qū)有差別，在中高頻區(qū)差別不明顯，但是在車門存在泄漏的情況下，受到流阻系數(shù)的影響和降低成本的考慮，適合選用中高頻吸聲性能更好、成本更低的150 g/m2吸音棉。

隔音分析中發(fā)現(xiàn),車門玻璃在高頻區(qū)對隔音性能起明顯的副作用，但是按照玻璃選用標(biāo)準(zhǔn)和材料本身屬性，這一項暫時無法改善，因此忽略。隔音棉可以提高隔音性能，但是直立棉和3M棉隔音性能無明顯差別，而直立棉的成本為3M棉的75%，因此可以用直立棉取代3M棉。從隔音棉覆蓋面積影響隔音性能的情況看，100%覆蓋率與50%覆蓋率的隔音性能十分接近，與20%覆蓋率的隔音性能有一些差距，所以可以將隔音棉覆蓋率調(diào)整為50%，如果對于成本控制要求更高，也可以將20%覆蓋率作為備選方案，但并不建議。隔音棉具體安裝位置如圖8所示，左圖為駕駛側(cè)車門，右圖為后備門，兩種車門上黑色范圍區(qū)域是覆蓋率50%的隔音棉布局形態(tài)。

圖8 車門聲學(xué)包優(yōu)化圖

在泄漏孔影響隔音性能的測試中，門鎖、揚(yáng)聲器孔以及線束孔均可能對隔音性能造成影響，因此在這些結(jié)構(gòu)裝配時，要注意加強(qiáng)密封工藝處理。而車門落水孔對于隔音性能影響最明顯，為了達(dá)到堵漏改善隔音的效果并且保證排水正常，可以采用安裝單向閥的方案。

4 結(jié)語

電動汽車的聲學(xué)包設(shè)計優(yōu)化通常需要考慮在滿足使用性能的基礎(chǔ)上兼顧成本開發(fā)。由于電動汽車與燃油汽車驅(qū)動裝置的不同工作原理，產(chǎn)生不同的激勵傳導(dǎo)方式，因此電動汽車著重在中高頻噪音范圍研究，這與燃油汽車有著較大的區(qū)別。針對車門聲包材料和結(jié)構(gòu)屬性，通過仿真結(jié)果制定優(yōu)化方案，在實(shí)際應(yīng)用中可以起到顯著的改善效果。