噴涂型水性阻尼在提升汽車(chē)NVH性能中的應(yīng)用

覃鵬飛，朱燈宏，陳超福，勞兵，劉強(qiáng)強(qiáng)，伍升安

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545007）

隨著汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展，用戶(hù)對(duì)汽車(chē)的乘坐舒適性要求越來(lái)越高，解決汽車(chē)輕量化、氣味、環(huán)保問(wèn)題和提高汽車(chē)的NVH性能(即噪聲、振動(dòng)、平順性)已成為全球車(chē)企普遍關(guān)注的課題。吸聲、隔聲、減振、阻尼產(chǎn)品在汽車(chē)NVH性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中被大量研究和廣泛應(yīng)用[1-3]，以解決汽車(chē)使用過(guò)程中的風(fēng)噪、胎噪、路噪、動(dòng)力噪音等噪聲和振動(dòng)，汽車(chē)NVH問(wèn)題的原因和解決方法見(jiàn)圖1。阻尼材料能夠?qū)C(jī)械振動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)出去，消耗振動(dòng)能量，達(dá)到減振降噪的效果。如圖2所示，汽車(chē)行業(yè)通常在車(chē)身的前圍板、輪罩、地板、備胎艙、頂蓋、側(cè)圍、車(chē)門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋、尾門(mén)等車(chē)身薄板容易被激勵(lì)的區(qū)域布置阻尼材料來(lái)減振降噪，進(jìn)而提高汽車(chē)的NVH性能。

圖1 汽車(chē)NVH問(wèn)題的原因和解決方法Figure 1 Causes and solutions of NVH problems of automobile

圖2 阻尼產(chǎn)品在汽車(chē)上的常用區(qū)域Figure 2 Areas of an automobile where damping products are commonly applied

目前常用的阻尼產(chǎn)品是瀝青阻尼[4-6]，由人工施工并經(jīng)涂裝烘烤熔融粘貼在車(chē)身上，該產(chǎn)品存在生產(chǎn)效率低、占用庫(kù)房面積大、污染環(huán)境、氣味重、生產(chǎn)線(xiàn)柔性化低、減振降噪效果差的問(wèn)題。目前行業(yè)內(nèi)新型阻尼材料有PVC(聚氯乙烯)基材水性阻尼、橡膠基材水性阻尼、丙乙烯水性阻尼3種，由于環(huán)保和氣味的原因，丙乙烯水性阻尼較多地應(yīng)用在汽車(chē)行業(yè)內(nèi)。噴涂型丙乙烯水性阻尼對(duì)比傳統(tǒng)瀝青阻尼具有減振降噪效率高、質(zhì)量輕、氣味小、環(huán)保性更好、可自動(dòng)化施工、生產(chǎn)線(xiàn)柔性程度高的優(yōu)勢(shì)。本文闡述了水性阻尼(以下簡(jiǎn)稱(chēng)LASD)的產(chǎn)品特性、施工工藝、布置設(shè)計(jì)、驗(yàn)證效果、投資成本和運(yùn)行成本，為水性阻尼的研究和應(yīng)用提供參考。

1 LASD的產(chǎn)品特點(diǎn)

LASD是一種以高分子樹(shù)脂聚合物為基質(zhì)，以水為分散介質(zhì)，輔以云母粉、碳酸鈣等無(wú)機(jī)物的阻尼材料，其中隔音材料主要是丙烯酸乳液，添加無(wú)機(jī)填料是為了降低成本和提高烘烤性能，分散劑是為了改善黏度，表面活性劑是為了提升貯存性能，殺菌劑是為了防止霉變。LASD的外觀(guān)是灰色或者黑色的膏狀物，一般水性丙烯酸乳液含量在80% ~ 85%，水分占15% ~ 20%，保質(zhì)期大概3個(gè)月，膨脹率約30%。LASD是通過(guò)高分子鏈之間的摩擦、顏填料之間的摩擦、高分子鏈與顏填料的摩擦方式實(shí)現(xiàn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能，達(dá)到減振降噪的目的。LASD與瀝青、樹(shù)脂阻尼的對(duì)比見(jiàn)表1。另經(jīng)驗(yàn)證，LASD還達(dá)到如下性能要求：

表1 LASD與瀝青阻尼的特點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of LASD and asphalt for damping application

(1) 垂直面流掛性能：在室溫放置30 min不流掛，140 °C下20 min可固化，固化過(guò)程中不流掛，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3a。

(2) 翻轉(zhuǎn)面流掛性能：在翻轉(zhuǎn)面室溫放置30 min無(wú)滴落、鼓包、開(kāi)裂現(xiàn)象，140 °C下20 min可固化，固化過(guò)程中無(wú)鼓包、開(kāi)裂現(xiàn)象，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3b。

(3) 過(guò)烘烤性能：140 °C × 20 min，烘烤2次，無(wú)明顯膨脹、松弛、剝離、龜裂、變色等異?，F(xiàn)象, 驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3c。

圖3 LASD性能測(cè)試結(jié)果Figure 3 Property test results of LASD

(4) 耐水性能：浸泡在40 °C的水中24 h，無(wú)明顯膨脹、松弛、剝離、龜裂、變色等異?，F(xiàn)象，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3d。

(5) 耐寒性能：-30 °C × 24 h，無(wú)明顯膨脹、松弛、剝離、龜裂、變色等異?，F(xiàn)象，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3e。

(6) 耐濕熱性能：在50 °C和相對(duì)濕度95%的條件下放置240 h，無(wú)明顯膨脹、松弛、剝離、龜裂、變色等異?，F(xiàn)象，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3f。

(7) 耐冷熱交變性能：“90 °C × 4 h→(23 ± 2)°C × 0.5 h 以上→-40 °C × 1.5 h→(23 ± 2)°C × 0.5 h 以上→(70 °C，相對(duì)濕度 95%)× 3 h→(23 ± 2)°C × 0.5 h→-40 °C × 1.5 h”為一個(gè)循環(huán)，合計(jì) 5 個(gè)循環(huán)，無(wú)明顯膨脹、松弛、剝離、龜裂、變色等異?，F(xiàn)象，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3g。

(8) 耐鹽霧性能：中性鹽霧試驗(yàn)1 000 h，橫截面內(nèi)滲入最大值≤1 mm，且無(wú)明顯膨脹、松弛、剝離、龜裂、變色等異?，F(xiàn)象，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3h。

(9) 阻尼性能：如圖 4所示，LASD、樹(shù)脂阻尼、瀝青阻尼的阻尼因子均在 20 °C時(shí)達(dá)到峰值，分別為0.28、0.235和0.17，在-20 ~ 60 °C的溫度范圍內(nèi)的阻尼性能基本上是LASD最優(yōu)。

圖4 LASD與瀝青阻尼、樹(shù)脂阻尼的阻尼性能對(duì)比Figure 4 Damping property comparison between LASD, asphalt, and resin

上述性能指標(biāo)需在產(chǎn)品驗(yàn)證階段進(jìn)行測(cè)試，確保性能達(dá)到目標(biāo)要求和產(chǎn)品量產(chǎn)后質(zhì)量穩(wěn)定。

2 LASD的布置設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

LASD的布置設(shè)計(jì)需要依靠CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)技術(shù)手段，在車(chē)身產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段建立車(chē)身有限元模型，通過(guò)仿真分析找到70 ~ 300 Hz頻率范圍內(nèi)的高應(yīng)變能區(qū)，布置設(shè)計(jì)LASD的面積、厚度、位置，通過(guò)分析振動(dòng)傳遞函數(shù)和噪聲傳遞函數(shù)，確認(rèn)LASD的布置能滿(mǎn)足NVH性能目標(biāo)要求。圖5為某車(chē)型的CAE仿真分析結(jié)果，紅色區(qū)域是高應(yīng)變能區(qū)，需要布置阻尼來(lái)解決振動(dòng)和噪音。瀝青阻尼氣味大且不環(huán)保，所以不考慮使用，故只分析采用樹(shù)脂阻尼方案和LASD方案的物料成本：(1)樹(shù)脂阻尼重6.04 kg，單價(jià)8元/kg，成本48.32元；(2)LASD重2.6 kg，以13元/kg計(jì)算，成本33.8元。LASD方案比樹(shù)脂阻尼方案減重3.44 kg，減幅56.9%，成本降低14.52元，成本降幅30%?？梢?jiàn)，LASD優(yōu)于瀝青阻尼。

圖5 某車(chē)型高應(yīng)變能區(qū)的仿真分析Figure 5 Simulation analysis of high strain energy region of a vehicle

該車(chē)型實(shí)車(chē)噴涂LASD的效果見(jiàn)圖6，驗(yàn)證結(jié)果(見(jiàn)表2)顯示LASD的阻尼因子高于瀝青阻尼，在振動(dòng)傳函、噪聲傳函、路噪、勻速語(yǔ)言清晰度、加速噪聲等方面優(yōu)于瀝青阻尼，這進(jìn)一步確認(rèn)了LASD方案的NVH性能優(yōu)于樹(shù)脂阻尼方案。

圖6 某車(chē)型的LASD實(shí)車(chē)噴涂Figure 6 A real vehicle sprayed with LASD

表2 瀝青阻尼和LASD在某車(chē)型實(shí)車(chē)上的NVH性能驗(yàn)證Table 2 Validation of asphalt damping and LASD NVH performance for a vehicle

經(jīng)驗(yàn)證，LASD滿(mǎn)足耐久可靠性要求，在耐久路試過(guò)程中不存在開(kāi)裂、剝離車(chē)身鈑金和其他破壞失效問(wèn)題，確認(rèn)了LASD的質(zhì)量和功能在汽車(chē)產(chǎn)品周期內(nèi)均可滿(mǎn)足要求。

3 水性阻尼的實(shí)施工藝

LASD目前普遍采取管線(xiàn)集中供給，通過(guò)機(jī)器人在涂裝車(chē)間施工的生產(chǎn)方式，如圖7所示。液態(tài)的LASD通過(guò)機(jī)器人噴涂在車(chē)身鈑金上，經(jīng)涂裝烘烤工序完成固化和粘貼于車(chē)身。LASD和瀝青、樹(shù)脂阻尼的施工差異見(jiàn)表3。為了保證施工質(zhì)量的穩(wěn)定，通常需滿(mǎn)足以下條件：

表3 LASD與瀝青、樹(shù)脂阻尼的施工對(duì)比Table 3 Comparison in application process between LASD, asphalt, and resin

圖7 LASD施工現(xiàn)場(chǎng)Figure 7 Field for application of LASD

(1) 施工設(shè)備(管路、泵組等)的濕潤(rùn)部件須選用耐腐蝕的不銹鋼。

(2) 管路設(shè)計(jì)應(yīng)采用圓弧過(guò)渡，避免使用90°或T型接頭。

(3) 不建議設(shè)置循環(huán)管路。如管路超過(guò)40 m，建議增加泵站。

(4) 零件運(yùn)輸過(guò)程中需注意防凍。

(5) 施工參數(shù)：溫度25 ~ 45 °C，壓力5 ~ 30 MPa，流量30 ~ 120 cm3/s，移動(dòng)速率200 ~ 1 000 mm/s，槍嘴到電泳板的距離20 ~ 50 mm，立面施工4 mm無(wú)流掛，貯存3個(gè)月內(nèi)黏度變化小于30%。

4 LASD的投資成本和運(yùn)行成本

對(duì)某車(chē)型某生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)施LASD工藝方案的生產(chǎn)設(shè)備投資和運(yùn)行成本進(jìn)行了估算，結(jié)果見(jiàn)表4和表5。工裝和工藝設(shè)備投資預(yù)計(jì)1 300萬(wàn)元/線(xiàn)，1條生產(chǎn)線(xiàn)的運(yùn)行成本比傳統(tǒng)樹(shù)脂/瀝青阻尼工藝的運(yùn)行成本節(jié)省了約55萬(wàn)元/年。從長(zhǎng)遠(yuǎn)效益來(lái)看，LASD的投資更有經(jīng)濟(jì)收益優(yōu)勢(shì)，是汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

表4 LASD的投資成本Table 4 Investment cost of LASD

表5 LASD的運(yùn)行成本Table 5 Operating cost of LASD

5 結(jié)語(yǔ)

LASD的很多性能都比傳統(tǒng)的樹(shù)脂阻尼、瀝青阻尼更優(yōu)，是提升汽車(chē)NVH性能的發(fā)展趨勢(shì)。雖然LASD需要的機(jī)器人設(shè)備投資成本高，但是LASD的運(yùn)行成本比傳統(tǒng)樹(shù)脂阻尼和瀝青阻尼要低。隨著汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的環(huán)保高要求和汽車(chē)NVH性能的高要求，LASD將會(huì)被更多地研究和得到廣泛應(yīng)用。