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后視鏡風(fēng)噪性能的設(shè)計研究

2021-12-06 23:04:44·  來源：汽車NVH云講堂  
　
[摘要]:文中從后視鏡風(fēng)噪性能設(shè)計出發(fā)，針對后視鏡鏡臂上表面傾斜角、鏡臂厚度、鏡臂長度、后視鏡安裝基座厚度、后視鏡鏡頭內(nèi)側(cè)面與側(cè)窗的夾角等參數(shù)，分別進行
[摘要]:文中從后視鏡風(fēng)噪性能設(shè)計出發(fā)，針對后視鏡鏡臂上表面傾斜角、鏡臂厚度、鏡臂長度、后視鏡安裝基座厚度、后視鏡鏡頭內(nèi)側(cè)面與側(cè)窗的夾角等參數(shù)，分別進行了針對性的研究分析，并總結(jié)形成了各設(shè)計參數(shù)在后視鏡風(fēng)噪開發(fā)中的影響規(guī)律。
關(guān)鍵詞:后視鏡，風(fēng)噪，性能設(shè)計
1. 引言
隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車的普及率逐年升高，許多用戶已經(jīng)步入擁有第二、第三輛車的階段，因此，車輛之于用戶，除了簡單的代步、裝東西功能外，性能優(yōu)劣也被重視起來，其中，駕乘舒適性，已成為用戶對車輛性能關(guān)注的重點。
隨著車速的升高，車外的風(fēng)噪聲會隨之增大，造成用戶的舒適性下降，甚至產(chǎn)生抱怨和投訴。提升車輛風(fēng)噪性能水平，已成為各大主機廠關(guān)注的重點。由于后視鏡與側(cè)窗玻璃及駕駛員的距離較近，該區(qū)域的風(fēng)噪聲是駕駛?cè)硕幵肼暤闹匾M成部分[1-3]，因此，后視鏡的設(shè)計，是車輛風(fēng)噪性能開發(fā)的重中之重。
后視鏡的安裝方式目前主要有：三角窗安裝和車門外板安裝兩種，據(jù)不完全統(tǒng)計，約80%的車輛選擇前一種安裝方式，且通常，后視鏡采用車門外板安裝方式均有比較優(yōu)越的局部風(fēng)噪性能水平。因此，本文將針對采用三角窗形式安裝的后視鏡，在powerflow軟件中，對其風(fēng)噪性能設(shè)計展開研究，文中選取以下參數(shù)做單一變量對車內(nèi)風(fēng)噪聲影響的分析，包括：1.后視鏡鏡臂上表面傾斜角α；2.后視鏡鏡臂厚度h；3.后視鏡鏡臂長度L；4. 后視鏡安裝基座厚度d；5. 后視鏡鏡頭內(nèi)側(cè)面與側(cè)窗在X-Y平面的夾角β。
2. 鏡臂上表面傾角對風(fēng)噪的影響
后視鏡鏡臂上表面與水平面的夾角定義為傾角α，初始狀態(tài)后視鏡鏡臂上表面傾角為-3°，保持其他條件不變，建立如圖1所示的鏡臂上表面傾斜角度3°、5°、12°、17°、22°方案，驗證鏡臂上表面傾角對風(fēng)噪性能的影響規(guī)律。

基于powerflow軟件，在140kph車速工況下，對以上傾角方案進行仿真分析，得到如圖2所示車內(nèi)風(fēng)噪聲的響應(yīng)曲線。

從圖中可以看出隨著上表面傾斜角度的增大，低頻段（250-500Hz）聲壓級增大，高頻段（500-8000Hz）聲壓級降低，頻譜曲線呈現(xiàn)以630Hz附近為支點的“蹺蹺板”形式。針對風(fēng)噪聲，我們更加關(guān)注的是高頻部分，由圖3所示，通過分析傾角α與車內(nèi)語音清晰度之間的關(guān)系曲線不難發(fā)現(xiàn)，隨著鏡臂上表面傾斜角度的增大，語音清晰度先是逐漸提升，當(dāng)傾角達到12°時，語音清晰度最高，但繼續(xù)增大上表面傾角語音清晰度隨之降低。

內(nèi)語音清晰度先增大后減小，α=12°時語音清晰度最大，風(fēng)噪性能最佳。
3. 鏡臂厚度對風(fēng)噪的影響
后視鏡鏡臂厚度按照如圖4所示位置進行測量得到。原狀態(tài)鏡臂厚度為46mm，參考標(biāo)桿車鏡臂厚度（集中在35-50mm之間），分別建立鏡臂厚度為36mm、41mm及51mm的驗證方案。

從圖5，鏡臂厚度h變化車內(nèi)風(fēng)噪聲的響應(yīng)曲線可以看出，4個驗證方案在全頻段幾乎沒有明顯差異，但從設(shè)計尺寸上看，4個方案的設(shè)計跨度達到了15mm，因此，我們需要對鏡臂厚度的方案進行定性分析。

如圖6所示，隨著鏡臂厚度增加，鏡臂后部脫落渦渦區(qū)變大，不利于降噪；隨著鏡臂減薄，其后部脫落渦逐漸減小，利于降噪。

如圖7所示，隨著鏡臂減薄，后視鏡鏡臂喇叭口內(nèi)渦形變大，渦量增加，不利于降噪；但隨著鏡臂減薄，其后部脫落渦減少，利于降噪。

綜上，在工程實際中，后視鏡鏡臂厚度建議的設(shè)計范圍為35mm-50mm之間，且在能夠滿足后視鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置和剛度等要求的前提下，盡可能的減薄設(shè)計，以獲得最佳的風(fēng)噪性能。
4. 鏡臂長度對風(fēng)噪的影響
如圖8所示，對后視鏡鏡臂長度L在30-70mm范圍每間隔10mm設(shè)定一個臂長方案進行驗證，探索鏡臂長度L對車內(nèi)風(fēng)噪聲的影響規(guī)律。

應(yīng)用powerflow軟件，對以上五種鏡臂長度方案進行了計算，得到車內(nèi)風(fēng)噪聲響應(yīng)頻譜曲線如下圖9所示，從圖中能夠看出，鏡臂長度的變化，對車內(nèi)響應(yīng)的影響主要集中在①1000Hz附近、②2500-6300Hz頻率段范圍內(nèi)，且鏡臂長度L最短的30mm方案在①②兩個頻段均較其他方案要差，但僅通過讀取如圖16所示聲壓級數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，各方案之間差別在±0.3dBA范圍內(nèi)，很難區(qū)分在鏡臂長度超過40mm以上的四個方案的優(yōu)劣，因此采用總聲壓級來評價各方案鏡臂長度調(diào)整車內(nèi)響應(yīng)的優(yōu)劣存在不妥。

通過計算各鏡臂長度方案所對應(yīng)的語音清晰度數(shù)據(jù)得到，鏡臂長度為30mm方案，其語音清晰度水平最差，為50.6 AI%，而40mm鏡臂長度方案最佳，為57.8 AI%，50-70mm的三個方案對應(yīng)的語音清晰度數(shù)據(jù)依次變好，且介于30mm和40mm狀態(tài)之間。
由圖10可以看到，隨著鏡臂的延長，后視鏡尾渦逐漸遠離側(cè)窗；鏡臂長度40mm與50mm相比，后視鏡尾渦到側(cè)窗距離變化較小，而當(dāng)鏡臂長度增加至60mm及70mm后，尾渦與側(cè)窗距離明顯增大，從流場角度可以推斷風(fēng)噪性能逐漸向好。

從圖11同樣可以看到，隨著鏡臂延長，喇叭口內(nèi)通過的氣流會逐漸增多，三角底座表面處渦略有變大，可能存在增大風(fēng)噪的風(fēng)險，但隨著鏡臂的延長，后視鏡尾渦遠離側(cè)窗，有利于降低后視鏡鏡頭后部尾渦區(qū)噪聲對車內(nèi)的影響。

針對鏡臂長度L進行了風(fēng)洞試驗驗證，驗證方案參照圖12，將后視鏡模型分成三部分，分別是三角底座、鏡臂和后視鏡鏡頭，全部采用樹脂材料加工而成。試驗過程中，通過更換不同長度的鏡臂，從而測試驗證鏡臂長度對車內(nèi)風(fēng)噪聲的影響。

從圖13中可以看出，用車內(nèi)語音清晰度數(shù)據(jù)作對比，鏡臂30mm長度方案為最差，鏡臂40mm最優(yōu)，通過風(fēng)洞試驗，驗證了后視鏡鏡臂延長對車內(nèi)語音清晰度的影響規(guī)律與仿真結(jié)果一致。

雖然后視鏡鏡臂繼續(xù)延伸，可能使車內(nèi)風(fēng)噪性能持續(xù)改善，但考慮到工程實際情況，繼續(xù)延伸鏡臂長度進行驗證意義不大，因此，后視鏡鏡臂最佳設(shè)計長度推薦在40mm左右。
5. 后視鏡安裝基座厚度對風(fēng)噪的影響
如圖14，對后視鏡安裝底座厚度進行研究，在10mm的基礎(chǔ)狀態(tài)下建立三角底座厚度分別降低1.5mm及增厚3mm的兩個方案，驗證三角底座厚度，即三角板外表面與側(cè)窗的段差對風(fēng)噪性能的影響。原狀態(tài)三角底座上表面略高于前部窗框亮條；三角底座高度降低1.5mm方案，其上表面與前部窗框亮條基本在同一平面上。

圖15中，三角底座增厚到13mm的方案，三角底座后部分離區(qū)增大，渦區(qū)變大，不利于該區(qū)域的噪聲降低；三角底座減薄至8.5mm的方案，三角底座后部分離區(qū)域小，渦區(qū)也相應(yīng)的要變小，有利于降低局部噪聲。

由圖16可以看出，在三角底座原狀態(tài)基礎(chǔ)上，增厚3mm的方案，車內(nèi)聲壓級增大0.5dBA，語音清晰度降低2AI%，，風(fēng)噪性能明顯變差；減薄1.5mm的方案，聲壓級降低0.1dBA，語音清晰度提升0.5AI%，風(fēng)噪性能變好，與流場現(xiàn)象相對應(yīng)。

因此，后視鏡安裝基座的厚度，在風(fēng)噪性能中起到非常關(guān)鍵的作用，需要嚴格控制該厚度尺寸，以此來保證后視鏡區(qū)域的風(fēng)噪性能。
6. 后視鏡鏡頭內(nèi)側(cè)面與側(cè)窗在XY平面的夾角對風(fēng)噪的影響
取從上向下看，順時針為正，后視鏡鏡頭內(nèi)側(cè)面與側(cè)窗在X-Y平面的夾角β，即通常所說的喇叭口角度，針對β角為14°、6°、3°、0°及-2°的五個方案進行研究，如圖17所示。

由圖18可以看出，β角從14°向-2°變化的過程中，后視鏡內(nèi)側(cè)面附近氣流分離區(qū)逐漸減小，但隨之影響的是后視鏡鏡頭后部的渦區(qū)面積放大，因此僅通過流場不能準確判斷該區(qū)域流動改變對風(fēng)噪的影響效果。

從圖19所示的渦量圖中可以看出，β角度越大，后視鏡內(nèi)側(cè)及后部渦區(qū)分布越大，能量耗散越多。

由圖20，以β為0°為基準，從分析數(shù)據(jù)上得到如下：喇叭口角度為14°方案風(fēng)噪性能最差，總壓級升高0.7dBA，語音清晰度降低4.1AI%；
喇叭口角度為6°，總壓級升高0.1dBA，語音清晰度降低1.4AI%；
喇叭口角度為3°，總壓級升高0.1dBA，語音清晰度降低0.4AI%；
喇叭口角度為-2°，總壓級降低0.2dBA，語音清晰度提高0.3AI%。

由圖21，喇叭口β角與語音清晰度之間的關(guān)系圖中，可以看出，隨著喇叭口β角度的順時針增大，車內(nèi)語音清晰度數(shù)據(jù)呈直線下降趨勢。

綜上，為減小后視鏡后部尾渦區(qū)域大小和強度，同時盡可能減小后視鏡內(nèi)側(cè)氣流的分離，建議采用β角設(shè)計為0°附近為宜。
7. 總結(jié)
文中借助專業(yè)的風(fēng)噪分析軟件powerflow，針對后視鏡鏡臂、安裝基座及喇叭口角度設(shè)計進行了針對單一因素變化對車內(nèi)風(fēng)噪聲的影響研究，基于研究結(jié)果對以上設(shè)計要素提出了相應(yīng)的設(shè)計建議。文中提及的后視鏡區(qū)域設(shè)計參數(shù)僅是工程應(yīng)用中的一小部分，還應(yīng)該包括但不限于以下參數(shù)，如后視鏡鏡殼上表面與水平夾角、鏡殼及鏡臂下表面型面及其角度等。同時，后視鏡風(fēng)噪性能設(shè)計是一個多參數(shù)共同影響的復(fù)雜過程，本文僅對研究思路和方法進行了闡述，仍有大量未盡工作需要進一步深入研究和總結(jié)。 
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