汽車天窗異響問題分析

孔 博，余銀峰，李 沛，李曉明

（廣汽乘用車有限公司，廣東 廣州 510700）

0 引 言

近年來(lái)，為滿足客戶對(duì)采光和透氣的需求，汽車越來(lái)越多采用全景天窗，同時(shí)客戶對(duì)乘坐舒適性要求也越來(lái)越高。天窗NVH （Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）性能對(duì)乘坐舒適性有重要影響，天窗異響、漏水等問題時(shí)有發(fā)生[1]。

本文針對(duì)某車型怠速工況下天窗共振異響問題進(jìn)行分析和優(yōu)化，查找噪聲產(chǎn)生的部位，建立簡(jiǎn)化力學(xué)模型和單自由度振動(dòng)微分方程，分析天窗自身固有頻率和汽車怠速激振頻率之間的關(guān)系，利用CAE（Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程）技術(shù)改善天窗固有頻率和激振頻率相近產(chǎn)生共振的問題，對(duì)天窗框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化[2-3]。

1 天窗異響問題機(jī)理

1.1 天窗結(jié)構(gòu)

汽車天窗安裝在白車身頂部和頂棚之間，如圖1 所示，主要由框架、移動(dòng)玻璃（A 玻）、固定玻璃（B 玻）、擋風(fēng)網(wǎng)、機(jī)械組、遮陽(yáng)簾、電機(jī)、后梁及車身膠條等部件組成，其中框架包括前梁總成、左右側(cè)導(dǎo)軌總成、后梁總成、左右側(cè)機(jī)構(gòu)總成、左右側(cè)玻璃軟軸總成、左右側(cè)遮陽(yáng)簾軟軸總成以及擋風(fēng)條總成。天窗框架總成四周螺栓固定在白車身頂部，A玻和B玻鑲嵌于車頂框架內(nèi)。

圖1 汽車天窗玻璃總成

1.2 異響來(lái)源及產(chǎn)生機(jī)理

針對(duì)天窗振動(dòng)噪聲，首先尋找噪聲源及產(chǎn)生機(jī)制，之后針對(duì)不同噪聲源采取相應(yīng)對(duì)策。某車型道路試驗(yàn)時(shí)天窗處于關(guān)閉狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行，此時(shí)可明顯聽見天窗出現(xiàn)共振噪聲，打開天窗后噪聲消失。通常四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速為750～850 r/min，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激振頻率與天窗及框架總成的固有頻率接近時(shí)，玻璃與導(dǎo)軌安裝面會(huì)發(fā)生共振異響，導(dǎo)致天窗出現(xiàn)Z向振動(dòng)。由經(jīng)驗(yàn)判斷，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速抖動(dòng)主要引起整車Z向振動(dòng)，X、Y向振動(dòng)較小本文不做分析[4]。

1.3 天窗及框架力學(xué)模型

建立汽車天窗和框架的Z向單自由度振動(dòng)簡(jiǎn)化模型，如圖2 所示，其中，F(xiàn)(t)為激振力，m為天窗質(zhì)量，k、c分別為天窗與框架之間連接的彈性剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，x為天窗Z向位移。

圖2 天窗與框架單自由度振動(dòng)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)與天窗產(chǎn)生共振，F(xiàn)(t)激勵(lì)天窗離開平衡點(diǎn)產(chǎn)生Z向位移x，從而產(chǎn)生共振噪聲，建立天窗及框架總成關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速共振的微分方程，即

式中：為天窗振動(dòng)加速度；為天窗振動(dòng)速度；P0為激振力幅值；ω為激振頻率；t為激勵(lì)時(shí)間。

利用傅里葉變換求穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的復(fù)振幅方程，得到

計(jì)算得

則發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)天窗產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為

進(jìn)一步整理得

2 天窗及框架總成模態(tài)分析

由于天窗結(jié)構(gòu)的阻尼小于剛度，進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)可不考慮阻尼，因此求取各階模態(tài)應(yīng)變能分布較容易實(shí)現(xiàn)，利用各階模態(tài)應(yīng)變能分布，找出彈性位移變化較大位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[5-6]。

2.1 模態(tài)應(yīng)變能基本理論

模態(tài)應(yīng)變能可以識(shí)別結(jié)構(gòu)局部剛度性能的變化，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)剛度變化的部位[7]。

無(wú)阻尼多自由度系統(tǒng)第j階模態(tài)特征方程為

式中：K為剛度矩陣；M為質(zhì)量矩陣；?j為系統(tǒng)自由響應(yīng)幅值陣列；ωj為第j階特征值。

式（6）中等號(hào)左側(cè)為天窗的彈性恢復(fù)向量，右側(cè)為慣性力向量，則彈性恢復(fù)力的應(yīng)變形式為

式中：l為結(jié)構(gòu)件數(shù)；Vn為第n個(gè)構(gòu)件的體積；D為本構(gòu)矩陣；?jn為第n個(gè)構(gòu)件第j階模態(tài)的應(yīng)變分布。

本文利用1階模態(tài)應(yīng)變能分布，查找異響車型天窗框架彈性位移變化較大的位置，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)異響天窗進(jìn)行模態(tài)分析求解，得到1階模態(tài)應(yīng)變能分布，如圖3所示。

圖3 異響天窗1階模態(tài)應(yīng)變能分布

當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為650～800 r/min時(shí)，整車怠速頻率為26.3～26.7 Hz，均值約為26.5 Hz，天窗振動(dòng)1階模態(tài)平均值為27.85 Hz，與汽車怠速頻率相差1.15 Hz，存在怠速工況下天窗共振的風(fēng)險(xiǎn)，因此須進(jìn)行避頻，將天窗振動(dòng)模態(tài)優(yōu)化至28.5 Hz 以上，使之與整車怠速頻率相差至少2 Hz。由圖3 可以明顯看出，天窗橫梁上的應(yīng)變能分布比較集中，說(shuō)明此區(qū)域剛度相對(duì)較弱，可通過優(yōu)化該區(qū)域提高天窗的振動(dòng)模態(tài)，這是最經(jīng)濟(jì)便捷的改進(jìn)措施。

2.2 模態(tài)優(yōu)化方案

異響天窗的窗框結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要承力結(jié)構(gòu)為4 根橫梁。由圖3 可知，異響天窗的1 階模態(tài)應(yīng)變能最大點(diǎn)分布在前、中、后橫梁上，為優(yōu)化橫梁結(jié)構(gòu)，首先與對(duì)標(biāo)車型進(jìn)行橫梁截面對(duì)比，如圖5所示。

圖4 天窗窗框結(jié)構(gòu)

圖5 各橫梁截面對(duì)比

由圖5（a）可以看出，前橫梁截面Z向尺寸相比對(duì)標(biāo)車型偏??；由圖5（b）可以看出，后橫梁截面Z向尺寸相比對(duì)標(biāo)車型明顯偏??；由圖5（c）可以看出，中部橫梁1的截面X向尺寸相比對(duì)標(biāo)車型偏??；由圖5（d）可以看出，中部橫梁2 相比對(duì)標(biāo)車型無(wú)明顯差異，可不作優(yōu)化。

通過上述對(duì)比發(fā)現(xiàn)，異響車型的各橫梁截面尺寸偏小是橫梁剛度不足的主要原因，可通過尺寸優(yōu)化提升剛度性能，優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖6所示。

圖6 優(yōu)化各橫梁結(jié)構(gòu)

圖6 中各橫梁的優(yōu)化方案為：圖6（a）中前橫梁結(jié)構(gòu)Z向延長(zhǎng)5 mm，圖6（b）中后橫梁Z向延長(zhǎng)10 mm，圖6（c）中中部橫梁1X向延長(zhǎng)5 mm，圖6（d）中中部橫梁1Z向延長(zhǎng)5 mm。采用圖6中不同方案對(duì)天窗結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并分別計(jì)算優(yōu)化后天窗的振動(dòng)模態(tài)，如圖7所示。

圖7 各橫梁優(yōu)化前、后模態(tài)應(yīng)變能對(duì)比

由圖7 可知，相比其他方案，同時(shí)采用圖6（b）、（d）方案進(jìn)行優(yōu)化，天窗振動(dòng)模態(tài)的平均值最大，達(dá)到28.68 Hz，相比優(yōu)化前模態(tài)平均值27.85 Hz提升了2.98%，并且與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激振頻率26.5 Hz的差值超過2 Hz。天窗橫梁優(yōu)化后模型如圖8所示。

圖8 優(yōu)化天窗框架

2.3 實(shí)車驗(yàn)證

將優(yōu)化后的橫梁結(jié)構(gòu)安裝在實(shí)車上進(jìn)行驗(yàn)證，車輛怠速工況下，保持天窗關(guān)閉狀態(tài)，行駛中未出現(xiàn)共振噪聲。進(jìn)而將優(yōu)化后的橫梁結(jié)構(gòu)裝車量產(chǎn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)天窗振動(dòng)噪聲不良率出現(xiàn)大幅度降低，說(shuō)明橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案有效可行，天窗振動(dòng)噪聲問題得到解決。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某款車型怠速工況下天窗共振異響問題進(jìn)行分析，闡述天窗異響產(chǎn)生的原因是怠速共振使天窗產(chǎn)生Z向振動(dòng)，建立怠速工況下天窗和框架總成的振動(dòng)微分方程，通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)模態(tài)應(yīng)變能的集中點(diǎn)在框架總成的4根橫梁處，此位置剛度較弱，受到激勵(lì)時(shí)易發(fā)生共振，為此對(duì)各橫梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使天窗框架的振動(dòng)頻率得到提升。對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)異響不良率大幅下降，天窗振動(dòng)噪聲問題得到有效解決，為整車NVH 相關(guān)問題解決提供參考。