车门尺寸偏差风噪声形成机理及气密性分析*

赖颖



车门尺寸偏差风噪声形成机理及气密性分析*

赖颖

（广东松山职业技术学院机械工程系，广东 韶关 512126）

针对某车型汽车高速行驶时车内风噪声较大的问题。文章首先从车门尺寸偏差设计特点分析了车门尺寸偏差形成的主要影响因素及车门尺寸偏差风噪声形成机理，然后对车门尺寸偏差与整车气密性及高速行驶下风噪声关系进行了实验分析。结果表明，车门偏差对静态气密性影响关系较小，但高速行驶风噪声影响较大，为车门尺寸公差设计提供理论参考。

车门；偏差；风噪声；气密性

前言

车门公差设计要求通常为±2mm，在不同制造阶段制定相应的合格率标准，车门总成部件装配到整车车身，最重要是保证车门与相邻表面的间隙面差值。（如图1所示）。

车门的间隙公差3~5mm±0.5mm，面差范围0mm+2.0/- 0mm，特征线错位偏差1.0mm以下，汽车质量的提升，我国汽车间隙面差的公差要求越来越高，而针对各种不同车型定位需对公差、成本、性能的关系综合考虑，得到最佳方案。研究对车门尺寸偏差对整车气密性及噪声性能的影响关系进行分析，通过气密性实验得到不同偏差与气密性关系，最后通过道路实验方法测得车门密封性对车内风噪声的影响。为整车厂车门尺寸公差设计提供理论参考。

图1 车门尺寸公差（DTS）设计要求

1 车门尺寸偏差原因分析

车门在装配中的问题主要有Y轴的面差与XZ平面的间隙偏差。在车门总成的装配过程中，部件自身、装配工艺参数与生产实际过程都将会对车门偏差产生影响，为了准确、快速地进行车门偏差的诊断，分析车门的装配过程及车门的工艺特点，利用车门偏差鱼刺图对偏差进行诊断（如图2所示）。车门各部件的偏差传递到车门分总成，分总成偏差在包边工艺过程传递到车门总成，影响车门外观，导致密封性差。因此车门装配过程，要求综合考虑内外部间隙面差的偏差状态，避免对车内风噪声产生影响。

图2 车门装配尺寸偏差来源

2 车门尺寸偏差风噪声机理分析

Lighthill空气动力学理论指出，风噪声主要由三种线性典型声源构成——单极子声源、偶极子声源及四极子声源，流体中声源如图3所示。

图3 气流运动中的三种声源

结合声源理论，对高速行驶下的车门偏差风噪声产生因素分析如下。

（1）单极子声源：表现在介质中的质量或热量膨胀和压缩不均而产生的声源。该声源如脉冲喷气或液体气泡爆裂等，流场速度对单极子声源的声强产生巨大的影响，其形成的声功率为：

该声源直接传到车内，并与车速四次方成正比；上式中，代表流动区域在流动方向上的截面积，0为密度，为声速。

车内单极子噪声源主要有以下两种情况：一种是通过车门窗的密封条传递的噪声，称为渗漏噪声车门偏差一个最重要的问题是导致车门密封性变差。另一部分是车外空气动压导致车门窗密封条区域较大的负压。

车门偏差使车门密封胶条压缩形状的变化加剧该噪声源的产生。车门配合处间隙形成气吸噪声，车内气流在车体内外压差下向外流动，该气流与车外气流碰撞加大车外湍流强度，从而增大车门外表面处噪声级，并降低密封结构传声损失，从而引起车内噪声级增大。

（2）偶极子声源：表现为流体与物体相遇近距离而形成180度的相位差而引起相互的反作用力的单极子声源所组成，即为一对单极子声源构成的表面动态声压变化，与车速六次方成正比，偶极子声源辐射声功率表达为：

车门偏差使车门与A柱，侧围，门槛之间匹配面差偏大形成凸出表面，气流经过前风挡玻璃时产生分流，其中一个方向流向顶盖和另一种流向车身侧面。气流流向车身侧门位置经过A柱区域再形成分流，分流后的气流速度梯度与压力梯度同时产生了很大的改变。同时在车门与车身结合位置，会在车门上形成涡流与再附流，但该涡流的强度非常小，A柱产生的附着流对车门的振动进行激励，从而导致车内噪声增大。

车门与翼子板及后侧门连接面缝隙过大形成的空腔，由于缝隙外部湍流与空腔内部非稳态流相互作用，形成类似二维剪切层的流动，如果空腔内与空腔外气流速度差值到达临界值时，剪切层流动不稳定引起共振现象，当气流经过该剪切层时导致强烈的压力脉动而产生风振噪声向车内辐射；腔体噪声也为偶极子声源。

（3）四级子声源：主要为近距离、相位相反的流体单元不稳定的粘滞应力而形成的声波，即由一对偶极子声源构成，与车速八次方成正比，四极子声源辐射声功率：

车辆正常行驶速度下，车身与凸出位置区域强烈起伏的紊流压力。由于流场速度远小于声速，四极子声源发射效率很低。偶极子声源发射效率高于四级子声源，但低于单极子声源。由于汽车行驶速度属于小马赫数（M<0.3），对于汽车风噪声来说，单极子噪声源强度远远超过偶极子声源，而偶极子声源强度远远超过四极子声源强度。

（4）其他噪声源，车门连接处在高速行驶过程中因动态载荷变化，气流压力的作用引起车身刚度微变，车门与车身刚度变化不协调时，引起车身局部扭曲变形而使车门在XZ方向空间范围运动，最终体现为车门与侧围面差与间隙的变化，另一方面车门装配过程中容易使玻璃导槽与车窗导槽间隙偏大导致玻璃上下摆动形成振动噪声，总体而言，车门偏差各种因素引起的风噪声分布情况如图4所示。

图4 车门偏差风噪声形成机理分析图

3 车门尺寸偏差对气密性影响试验分析

气密性是整车对气体的密封性要求。车门尺寸偏差通常对整车气密性产生影响，在早期的试制车装配阶段应展开对气密性及风噪声实验。为了得到车门尺寸偏差与气密性的关系，在保证其他因素对气密性影响不变的条件下，测试整车多种车门尺寸偏差特征与汽车气密性的影响关系。首先要求整车内部压力保持恒定的条件下，对整车气体的泄漏量进行测试，根据气体泄漏量来表征整车气密性。车门面差与气密性关系如式4所示。

式（4）中：QG——气体泄漏速度；p——容器压力，Pa； Cd——气体泄漏常数；A——裂口面积，m2；试验采用的是某商用车车型与整车厂厂家提供的整车气密性测试设备，如图5所示。

试验步骤如下：

（1）拆除车身外部附件如前雨刮器挡板及后保，用专用胶带密封进排口及后保安装孔，密封后车窗。为保证车内密封，拆除车辆座椅。密封车辆尾门及座椅安装孔。将设备进气口安装在车辆后车窗玻璃处，并将后车窗玻璃附近区域进行密封。

（2）检查设备安装密封性。首先调整车内压力值到0.5（inches of water）后，整车漏气量达到140（scfm- standard cubic foot per Hour）。检测泄露部位，其中裙边的焊缝漏气现象较为严重，重新密封使漏气量下降为120csfm。检测其他漏气部位，对漏气现象较为明显的车门把手及尾门漏液孔进行密封后漏气量下降为100csfm。最后密封车门底部的漏液孔，使漏气量降为80scfm。整车密封符合要求，检查设备安装完整，进行下一步实验。

（3）为获得较好的重复性，检验实验测量结果是否具有重复性。在车辆初始条件下，调整车内压力值在(0.1-0.5)csfm范围并测量整车漏气量并记录。实验数据说明汽车气密性实验测量结果波动小，实验重复性高，不需重复测量。

（4）调整车辆左前门锁扣，记录汽车左前门与侧围之间的面差以及对应的漏气量。

（5）调整车辆锁扣位置模拟制造偏差，锁扣调整到极限位置后，整车漏气量变化不大。拆除左前车门锁扣并调整车门与侧围之间的面差，记录压力与漏气量随面差的变化关系。实验图片及结果汇总，泄露量测量数据如表1 所示。

表1 泄露量测量数据

面差及泄露量测量数据如表2所示。

表2 面差及泄露量测量结果表

首先对第一组数据进行处理，根据罗曼诺夫斯基原则剔除数据中的粗大误差。对于在5-20个以内的数据，使用罗曼诺夫斯基准则来剔除测量中的粗大误差。根据罗曼诺夫斯基准则计算可知，实验中不存在粗大误差。

表3 面差及泄露量测量结果

根据相对标准差计算得到，实验测量结果较稳定，无需进行多次重复实验来减小测量结果的随机误差。对第二组测量数据进行拟合，得到不同气体压力下多组面差与漏气量之间的关系。使用光顺曲线拟合结果如图6所示。

图6 车门偏差与气体泄漏量的关系曲线

通过对该车辆车门偏差声学密封性能检测，得到以下结论：对静态工况下车门偏差气密性检测。通过调整车门锁扣，改变车门与侧围之间的面差值，分别调整车内压力值为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，车内压力得增大引起车门与侧围之间的面差值改变，结果表明，面差在0~4mm时，气体泄漏量变化不大；面差为4~6mm时，气体泄漏量随面差增大而增大，5mm内变化幅度相对较小，当偏差值超过5mm后，整车的气体泄漏量变化逐渐增加。故车门尺寸偏差对整车静态气密性影响较小。但静态气密性好并不意味着动态密封性好，下一步将针对汽车在高速行驶下车门动态偏差的密封性对车内风噪声的影响关系展进行实验。

4 车门动态密封性与风噪声关系实验

往往车辆静态工况下车门偏差气密性良好并不能说明整车气密性也良好，因为车辆在行驶工况下车门偏差产生的风噪声比静态工况大得多，因此需对高速行驶车门偏差引起的风噪声进行实验研究，车门连接处在高速行驶中因动态载荷，空气激流压力的作用使车身刚度发生变化，当车身与车门刚度变化不协调时，导致车身局部变形，车门上下部位受到的气流压力不同，产生了相对门锁及铰链为中心线的不同力矩，导致车门在XZ平面运动，于是，出现了车门和车身部件之间的匹配面差与间隙增大。另一方面，车体表面的空气动压力主要由两部分构成，其中一部分为流场的平均压力，另一部分为非定常流场的压力脉动，平均压力在车上表面产生的负压大于车门密封压力而破坏车门密封性，引起风噪声直接进入车辆内部，平均压力的部分将直接影响到气吸噪声。车辆动态声学密封性能的测试，利用开窗法原理对左前门密封部位的泄露噪声对车内噪声的贡献量进行测试，用专用胶带密封车门与车身A柱及侧围间隙部位，然后比较密封前后的车内噪声级大小，确定该车车门密封位置对车内噪声贡献值，车门密封如图7所示。

图7 试验车辆

车门密封产生车内泄露噪声的情况分析如下：在120km/h车速关闭发动机空挡滑行时，右前车门密封前后测试结果所得车内测点副驾驶位置M2声压级的频率特性，通过A计权1/3倍频程谱表示，车门密封前后车内噪声级，如图8所示。

图8 车门偏差下密封性对车内噪声影响频率特性曲线

从图可以看出，在左前车门密封后，车内噪声的频谱特性相对于密封前发生了明显变化，当频率超过1100Hz车内噪声级显著下降，在整个分析频段15000Hz以内，声压级由71.2dB下降到69.6dB，平均下降1.6dB(A)。

主要在（100~3000）Hz之间的高频段声压级由70.8dB下降到69dB，平均下降1.8dB(A)，从频谱图分析，泄露噪声频率主要在200Hz以上，（300~3000）Hz频段泄露噪声较为明显。由图表明，右前车门密封下对车内泄露噪声体现的主要频率范围在（300~3000）Hz，在200-3000z之间频率段对车内噪声级贡献达到1.8dB。

试验结果表明：在中高频范围泄漏噪声占主导地位，且车门B柱上部和中部位置是该车主要的泄漏噪声源。因此，首先要从车门B柱位置考虑改进该车的车门偏差，高速行驶中汽车车门密封性对该车车内风噪声影响较大，在风噪声控制中应首先考虑该车门的密封设计。

5 结论

按照该车型车门尺寸公差设计标准，车门与侧围面差控制范围为0~2mm。故车门偏差对整车静态工况的气密性影响较小。而高速行驶下右前车门动态密封对车内泄露噪声体现的主要频率范围在（300~3000）Hz，在200-3000z之间频率段对车内噪声级贡献达到1.8dB因此，在对汽车装配偏差控制中应结合静态密封和动态密封同时展开具体分析。

[1] 庞剑.汽车车身噪声与振动控制[M].北京:机械工业出版社, 2014:156.

[2] 卢慰,金隼.轿车车门与侧围装配质量的预测分析[J].机械设计与制造,2008 (11):77-79.

[3] 刘先锋,王学军.汽车道路风噪声测试及改进[J].噪声与振动控 制,2014,34(3):111-114.

[4] 贺银芝.汽车车身密封对车内气动噪声影响的机理及试验研究[J].汽车工程,2012,34(8):692-694.

[5] Chen K H,Johnson J,DietschiU,etal.Automotive mirror wind noise measurements[C] Proceedings of the 14thAIAA/ CEASAeroacous -tics Conference.Vancouver:Americanintitutue of Aeronautics and Astronautic.2008:1-13.

[6] 赖颖.车门尺寸偏差对风噪声性能影响关系研究[D].赣州:江西理工大学,2016.

[7] 储国平,张淑敏,金隼.轿车白车身车门偏差控制的研究.机械设计与制造[J],2003,10（5）:131-134.

Analysis of formation mechanism and air tightness of car door size deviation wind noise

Lai Ying

( Department of mechanical engineering, Guangdong Songshan Polytechnic College, Guangdong Shaoguan 512126 )

Aiming at the problem of high wind noise in a vehicle at high speed. In this paper, the main influence factors and the formation mechanism of the door size deviation wind noise are analyzed from the design characteristics of the car door size deviation, and the relationship between the car door size deviation and the vehicle air tightness and the high speed driving noise is analyzed. The result shows that the door deviation has little influence on the static air tightness, and has great influence on the high speed wind noise, and provides a theoretical reference for the design of the dimension tolerance of the car.

Car door;Dimensional;deviationNoisegas;tightness

B

1671-7988(2018)18-102-05

U463.83+4

B

1671-7988(2018)18-102-05

CLC NO.: U463.83+4

赖颖，硕士，助教，就职于广东松山职业技术学院机械工程系，研究方向：汽车噪声与振动。

广东省教育厅青年创新人才类科研项目，项目编号：2017GkQNCX032。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.035