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轎車側(cè)門(mén)關(guān)閉NVH性能分析

2021-11-01 08:55:59·  來(lái)源：汽車工程師  
　
作者：熊輝、鄧超等單位：奇瑞汽車股份有限公司來(lái)源：汽車工程師摘要：關(guān)閉轎車側(cè)門(mén)的NVH問(wèn)題是整車NVH研究的重要內(nèi)容，識(shí)別側(cè)門(mén)關(guān)閉的噪聲振動(dòng)原理和傳播路徑并
作者：熊輝、鄧超等
單位：奇瑞汽車股份有限公司
來(lái)源：汽車工程師

摘要：關(guān)閉轎車側(cè)門(mén)的NVH問(wèn)題是整車NVH研究的重要內(nèi)容，識(shí)別側(cè)門(mén)關(guān)閉的噪聲振動(dòng)原理和傳播路徑并制定有效的措施對(duì)整車NVH控制意義重大。以某車型關(guān)閉的NVH性能為例，利用有限元法，按照各種實(shí)際工況進(jìn)行cAE模態(tài)和振動(dòng)模擬計(jì)算，獲得車門(mén)結(jié)構(gòu)的聲學(xué)模態(tài)頻率和變形部位位移分布情況，依據(jù)CAE分析結(jié)果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)制定優(yōu)化方案并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)方案的實(shí)施有效地提升了車門(mén)NvH性能，這種分析方法和方案為車身系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：轎車；車門(mén)；關(guān)閉；NVH；優(yōu)化

NVH(Noise，Vibration，Harshness)是噪聲、振動(dòng)與不舒適性的英文縮寫(xiě)，目前NvH控制水平是汽車行業(yè)的衡量汽車制造質(zhì)量的一個(gè)綜合性指標(biāo)。有統(tǒng)計(jì)資料顯示，整車約有1／3的故障問(wèn)題是和汽車的NVH有關(guān)，用戶反映的20％～30％的問(wèn)題都與NVH有關(guān),因此，汽車的NVH問(wèn)題也是國(guó)際汽車業(yè)各大整車制造企業(yè)關(guān)注的問(wèn)題之一。文章主要研究轎車側(cè)門(mén)系統(tǒng)在關(guān)閉過(guò)程中的NVH問(wèn)題，對(duì)提升整車NVH性能提供有效方案和思路。

1 側(cè)門(mén)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及NVH問(wèn)題
轎車的車門(mén)一般由車門(mén)鈑金、車門(mén)附件及內(nèi)飾蓋板三部分組成，如圖1和圖2所示。整個(gè)車門(mén)由開(kāi)啟到關(guān)閉的過(guò)程是車門(mén)以鉸鏈為旋轉(zhuǎn)軸，門(mén)鎖和鎖扣嚙合的過(guò)程。圖2所示的車門(mén)系統(tǒng)的其他結(jié)構(gòu)在關(guān)門(mén)過(guò)程中產(chǎn)生相互碰撞，從而引起車門(mén)系統(tǒng)的振動(dòng)，這類振動(dòng)可通過(guò)合理布置各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的安全距離或易碰撞部位進(jìn)行隔斷來(lái)解決。

目前，經(jīng)過(guò)大量理論分析以及工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出車門(mén)產(chǎn)生NVH問(wèn)題主要有：1)車門(mén)在關(guān)閉過(guò)程中，車門(mén)系統(tǒng)與車身系統(tǒng)撞擊激勵(lì)導(dǎo)致車門(mén)系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)；2)車門(mén)在關(guān)閉過(guò)程中，車門(mén)系統(tǒng)與車身系統(tǒng)撞擊激勵(lì)導(dǎo)致車門(mén)系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲；3)車門(mén)在關(guān)閉過(guò)程中，車門(mén)系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)的相互撞擊。
文章以某公司的車型為例，分別從關(guān)門(mén)振動(dòng)、噪聲及不舒適性進(jìn)行分析，并制定不同的改善方案。
2 側(cè)門(mén)關(guān)閉振動(dòng)影響
某車型通過(guò)在多次關(guān)閉試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，車門(mén)系統(tǒng)與車身系統(tǒng)撞擊激勵(lì)導(dǎo)致車門(mén)系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)，以車門(mén)外板的振動(dòng)最為明顯。這主要是由于外板為0．7 mm厚的薄鋼板制成，中間大面積無(wú)結(jié)構(gòu)支撐，因此以車門(mén)鈑金中的門(mén)外板為研究對(duì)象，著重分析在關(guān)閉過(guò)程中門(mén)外板的振動(dòng)。
首先，對(duì)車門(mén)和整車系統(tǒng)進(jìn)行CAE建模；然后，按照關(guān)閉的工況對(duì)車門(mén)和整車系統(tǒng)進(jìn)行約束，并按照振動(dòng)工況進(jìn)行加載，計(jì)算出側(cè)門(mén)外板響應(yīng)情況。圖3示出側(cè)門(mén)外板對(duì)各頻率的響應(yīng)曲線，從圖3可以看出，在振動(dòng)模式9，10，12，16，18及20工況下，側(cè)門(mén)外板的加速度響應(yīng)較大，是產(chǎn)生振動(dòng)的主要工況。圖4示出側(cè)門(mén)外板在這6個(gè)工況下的CAE振動(dòng)相對(duì)位移云圖，由圖4也可以分析出各個(gè)工況下振動(dòng)響應(yīng)最激烈的區(qū)域。本次分析的車門(mén)系統(tǒng)車門(mén)外板面積較大，中間支撐較少，整個(gè)外板無(wú)明顯的特征結(jié)構(gòu)，整體剛度弱，對(duì)振動(dòng)工況的響應(yīng)比較明顯。


3 側(cè)門(mén)關(guān)門(mén)聲音
車門(mén)關(guān)閉聲音質(zhì)量的好壞，對(duì)顧客形成該車質(zhì)量的好壞與否有極其重要的影響，好的車門(mén)關(guān)閉聲質(zhì)量能給用戶安全、舒適、豪華及車身結(jié)實(shí)可靠和自信等印象，因此車門(mén)關(guān)閉聲是各汽車廠家主要研究的問(wèn)題之一。
響度與尖銳度是心理聲學(xué)中準(zhǔn)確評(píng)價(jià)人對(duì)聲音主觀感知的屬性，可以用來(lái)表示人類主觀感知的平均水平【1】。響度表示人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)判斷聲音強(qiáng)弱的程度，是
一個(gè)主觀感覺(jué)量，測(cè)量單位是“宋”(sone)，可以按照ISO532B程序進(jìn)行計(jì)算。在最小關(guān)閉速度下，好的車門(mén)關(guān)閉聲響度峰值大約為55宋。尖銳度是一種描述聲音頻譜分布的方法，單位為“Acum”。該量值賦予高頻段聲音較高的加權(quán)值。“嘶嘶聲”“砰然聲”等聲音具有高頻率能量，因此在最小關(guān)閉速度下，理想的尖銳度是4．2 Acum。
聲音衰蕩指的是在關(guān)門(mén)初始撞擊發(fā)生后，聲音持續(xù)較長(zhǎng)一段時(shí)間。如果聲音頻率很高，聽(tīng)起來(lái)象是鈴聲；如果頻率較低，聽(tīng)起來(lái)是“抖動(dòng)”不定的音，或者是低頻下嗡嗡響的聲音，這種聲音信號(hào)的能量在碰撞發(fā)生后持續(xù)時(shí)間超過(guò)500 ms。
利用響度、尖銳度及衰蕩能準(zhǔn)確地描述聲音，需要通過(guò)對(duì)多個(gè)不同車門(mén)關(guān)閉聲音做主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，由評(píng)審的人對(duì)這些聲音成對(duì)進(jìn)行試聽(tīng)，選出喜歡的聲音。每對(duì)聲音組合的試驗(yàn)要做2次，用好聽(tīng)的聲音數(shù)據(jù)擬合出一個(gè)模型，從該模型可以得到每個(gè)聲音的評(píng)價(jià)值。該方法稱為成對(duì)比較測(cè)試法圓。可以把合適的評(píng)價(jià)值和很多基于聲音印象的聲音量值關(guān)聯(lián)起來(lái)，門(mén)的關(guān)閉聲，低的響度、尖銳度及衰蕩是比較理想的。
根據(jù)圖4及以上分析，采用了如圖5所示的方案對(duì)振動(dòng)和噪聲進(jìn)行改善，在側(cè)門(mén)外板上增加了膨脹膠并貼上了加強(qiáng)襯板，以提高局部的剛度。

圖6和圖7示出實(shí)施如上所述的方案后的實(shí)測(cè)圖及cAE分析圖，對(duì)比圖3～7，可以明顯看出振動(dòng)的響應(yīng)大大減小，也說(shuō)明理論分析和方案非常有效。整個(gè)車門(mén)系統(tǒng)的關(guān)系很復(fù)雜，而且相互交叉關(guān)聯(lián)，圖8示出聲音質(zhì)量影響矩陣圖。


根據(jù)圖8的各零部件相互作用原理，結(jié)合該車型車門(mén)和CAE分析，分別優(yōu)化了車門(mén)內(nèi)板和車門(mén)護(hù)板的整體剛度，確保各個(gè)部件安裝牢固；優(yōu)化了各個(gè)零部件安裝點(diǎn)剛度、各零部件的安全間隙、門(mén)鎖的布置以及緩沖結(jié)構(gòu)，避免金屬硬沖擊；優(yōu)化了密封條的緩沖和排氣結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明，優(yōu)化后車門(mén)的關(guān)閉聲明顯得到了改善。最終確定該車門(mén)的響度峰值和尖銳度分別為48宋和3．8 Acum，聲音衰蕩不超過(guò)400 ms。
對(duì)于車門(mén)關(guān)閉聲的差異性，主要體現(xiàn)在車與車之間和同一輛車的門(mén)與門(mén)之間。從前門(mén)到后門(mén)，由于車門(mén)結(jié)構(gòu)的不同，聲音會(huì)有不同，但大部分車左右基本是對(duì)稱的，因此應(yīng)該保證左右車門(mén)的關(guān)閉聲和關(guān)閉力一致，這種差異應(yīng)歸因于加工過(guò)程的偏差。同一輛車的車門(mén)關(guān)閉聲存在差異，將會(huì)使乘客在下車關(guān)門(mén)時(shí)，產(chǎn)生廉價(jià)車的印象，因此一定要進(jìn)行研究和分析。
4 側(cè)門(mén)關(guān)閉不舒適性
車門(mén)關(guān)閉過(guò)程中的不舒適性，是一個(gè)比較主觀概念。通常認(rèn)為不舒適性除了與振動(dòng)和噪聲關(guān)系比較大外，還與最小關(guān)門(mén)能量有很大的關(guān)系。因?yàn)樽钚￡P(guān)門(mén)速度和乘客關(guān)門(mén)所需要的能量最為接近，所以通常習(xí)慣用最小關(guān)門(mén)速度來(lái)衡量最小關(guān)門(mén)能量。文章以最小關(guān)門(mén)速度作為對(duì)象進(jìn)行分析。
基于空載且門(mén)窗均關(guān)閉的狀況下，車門(mén)上的A點(diǎn)，通過(guò)A’點(diǎn)時(shí)，恰好能使車門(mén)關(guān)閉所達(dá)到的速度稱為車門(mén)關(guān)閉速度；其中，A點(diǎn)為車門(mén)關(guān)閉時(shí)門(mén)外把手水平中心線上方(60±20)mm的門(mén)邊緣處，如圖9所示；A’點(diǎn)為車門(mén)打開(kāi)時(shí)門(mén)外把手水平中心線上方(60±20)mm的門(mén)邊緣處，距A點(diǎn)的直線距離為(60±5)mm處一點(diǎn)，如圖9所示。A點(diǎn)和A’實(shí)際為車門(mén)上同一點(diǎn)，標(biāo)示車門(mén)關(guān)閉和打開(kāi)時(shí)不同的位置。

對(duì)同一輛車，不論如何關(guān)門(mén)，能使車門(mén)完全關(guān)上所消耗的最低限值能量是相同的。最小關(guān)門(mén)速度越小的車，關(guān)門(mén)時(shí)需要乘客用力也越小，關(guān)門(mén)過(guò)程中車門(mén)給整車輸入的撞擊能量也較小，因此能給乘客以順暢和舒適的感覺(jué)?？刂谱钚￡P(guān)門(mén)速度對(duì)提升關(guān)門(mén)舒適性有很大的作用。
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究和實(shí)踐驗(yàn)證，得到關(guān)門(mén)的影響因素有以下3個(gè)方面。
1)接觸密封條前影響因素：限位器摩擦力、限位器彈簧力、鉸鏈旋轉(zhuǎn)摩擦力及車門(mén)重心的上升或下降等幾個(gè)主要影響因素；
2)接觸密封條后影響因素：存在限位器摩擦力、限位器彈簧力、鉸鏈旋轉(zhuǎn)摩擦力、車門(mén)重心的上升或下降、空氣阻力、密封條反作用力及鎖閉合摩擦力等幾個(gè)主要影響因素；
3)前期設(shè)計(jì)影響因素：鉸鏈軸線布置、車門(mén)質(zhì)心位置、鎖體嚙合布置、車門(mén)內(nèi)間隙設(shè)計(jì)、密封條的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封條的壓縮負(fù)荷設(shè)計(jì)及空氣流通設(shè)計(jì)。針對(duì)每個(gè)影響因素控制在什么樣的水平，文章不再一一敘述。綜合以上各個(gè)因素的有效控制，可以得出：該車型前門(mén)最小關(guān)門(mén)速度前門(mén)控制在0．9 r以左右，后門(mén)控制在1．0砒左右。比優(yōu)化前的車型極大地提高了關(guān)門(mén)的舒適性。
5結(jié)論
通過(guò)對(duì)該車型的關(guān)門(mén)NVH的cAE分析和工程方案改善，通過(guò)減小振動(dòng)響應(yīng)位移和隔斷位移以及聲音的傳遞，使得該車型的側(cè)門(mén)關(guān)閉NVH性能得到了很大地提升。后期通過(guò)隨機(jī)的客戶調(diào)查和競(jìng)品分析也證實(shí)了該方案的有效性。
文章對(duì)關(guān)門(mén)NVH的研究也為整車所有系統(tǒng)的NVH性能提升提供了很好的CAE分析方法和改進(jìn)思路，另外后期還需要再加大cAE分析工況的研究，并與試驗(yàn)對(duì)應(yīng)起來(lái)，提出更多更好的工程方案，以供產(chǎn)品設(shè)計(jì)參考。
 
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