车身板件粘接阻尼材料的方法与实践

2018-12-21徐丰辰缪兴和

粘接 2018年12期

徐丰辰，缪兴和

（柳州市兴拓工贸有限责任公司，广西柳州 545006）

在车身板件上粘接阻尼材料，用于降低车内噪声，是振动、噪声、舒适性（NVH）工程通常采用的方法，也是最有效的方法。

NVH工程的目标，是实现不同档次、不同类型车内噪声的要求。现有的标准是：国标GB/T 15089—2001（机动车辆及挂车分类）中，将乘用车划分在M1类，GB 1495—2002（汽车加速行驶车外噪声限值和测量方法）中规定，2005年1月1日以后生产的乘用车，噪声要小于74 d BA，GB/T 25982—2010（客车车内噪声限值及测量方法）中规定，对于中后置发动机的客车，乘客区的噪声要小于76 d BA，欧洲议会新的车辆噪声标准规定：未来12年，普通车辆噪声标准由现在74 d BA降至68 d BA，大型载重车噪声标准由现在81 d BA降至79 d BA。

直接影响车内噪声的是车身的振动响应特性。车辆在运动过程中，主要受到来自3个方面的激励，首先是发动机，第二是风噪，第三是路面轮胎摩擦，行驶中的风噪要靠车身的密封来解决，地面与轮胎的摩擦噪声，要优化轮胎的设计，而发动机的激励引发的振动噪声是最主要的噪声源。

振动产生的噪声由2方面组成，一个是激励，另一个是响应，激励来自发动机，响应来自车身的固有特性。NVH工程解决的问题，是车身的固有特性，在相同的激励下，车身的振动量级越小，则响应特性越好，工程上同样希望来自发动机的激励越小越好。

要实现车内噪声标准，需制定车身板件的声辐射标准、板件的振动级标准、发动机的激励标准、阻尼材料的性能及粘接方法要求。实现这些标准及要求的核心，是阻尼材料的粘接方法和实践。其中，粘接方法包括车身在什么状态下需要粘接，在什么状态下不需粘接，在什么状态下不能粘接，这些要求的量化组合，形成了阻尼材料粘接的外部条件。

1 阻尼材料粘接方法的外部条件

1.1 发动机的激励力

车内噪声，是板件的声辐射声压级与发动机激励力的乘积，车内噪声的标准确定后，还要确定发动机的激励力，才能确定板件声辐射特性的要求。发动机的激励力与发动机的性能质量相关，是发动机工作状态的变量，图1是国产某重卡6缸4冲程柴油发动机，在测试路段的转速—噪声曲线。

图1 定量描述了该车发动机在各个状态下的噪声特性，表1是部分频点下的数据统计。

将表1上路测试车内噪声去掉计权后，单位由d BA转换为Pa，通过实验室测试的声压级数据，可计算出发动机各个状态下的激励力，见表2。

在上述测试的实际工况下，发动机的激励力为14～20 N，对于6缸4冲程的发动机，主要激励力应发生在3阶频率上，对于4缸4冲程的发动机，主要激励力应发生在2阶频率上。

表1 上路测试车内噪声部分频点数据统计Tab.1 Statistic results of partial frequency data of vehicle interior noise for on-road test

表2 部分频点下发动机的激励力Tab.2 Excitation force of engine at partial frequency

测试的柴油发动机属一般性发动机，分析以往相关的测试数据，及大量的路试测试基础数据，发动机的激励力，对于重卡采用的6缸4冲程柴油发动机，取15 N，对于轿车采用的4缸4冲程汽油发动机，取10 N，这2个数据，对于一般性的NVH工程设计，是可以满足要求的。

1.2 板件的声辐射标准要求

车身板件的声辐射特性，也称板件的声学灵敏度分析，是指板件在1 N力的激励下产生的噪声辐射，单位是Pa/N。发动机的激励力选定后，即可确定板件的声学灵敏度要求。

参照现有国内外标准和目前市场要求，设高档轿车的车内噪声≤65 d BA，经济型轿车的车内噪声≤70 d BA，重型卡车的车内噪声≤75 d BA，发动机的激励力10～15 N，在此条件下，确定板件的声学灵敏度要求，见表3。

表3 标准噪声下的板件声学灵敏度Tab.3 Acoustic sensitivity of sheets under standard noise

表3中，以120 Hz为标准设计状态，高档轿车：设计车内噪声≤65 d BA，要求板件声学灵敏度≤61 d B/N；经济型轿车：设计车内噪声≤70 d BA，要求板件声学灵敏度≤66 d B/N；重型卡车：设计车内噪声≤75 d BA，要求板件声学灵敏度≤68 d B/N。

1.3 板件的振动级标准要求

板件声学灵敏度的高低源于板件的振动级，板件的振动降低了，相应的声辐射就减少了，要满足车内噪声的控制要求，最终需控制板件的振动级，即将板件的振动级控制在满足声学灵敏度要求的量级以下。

图3是车身板件，通常选择0.8 mm的钢板，在扫频信号激励下的声辐射效率。

图2曲线低频终止的地方，对应的频率称临界频率，在平面钢板中，临界频率以下是不会产生噪声辐射的，对于临界频率～60 Hz的频率，噪声辐射的效率最高，这时，虽然噪声辐射很高，但因频率较低，人耳对其的感觉很低,可查看声压级的A计权表，60～90 Hz的频率，声辐射效率趋缓；90 Hz以上，声辐射效率趋于平稳，在平稳状态下，板件辐射的声压，只与板件的振动级相关。与上文同步，选择120 Hz为标准状态，表4是上述板件，在不同振动加速度下的辐射声压。

图2 板件的声辐射效率Fig.2 Sound radiation efficiency of sheet

表4 板件振动加速度与辐射声压的关系Tab.4 Relationship between vibration acceleration of sheet and radiated sound pressure

表4中，当板件的振动加速度0.17 m/s/s时，其声辐射达61.31 d B，因此，参照表3，高档轿车的车内噪声可设计为≤65 d BA，板件的声学灵敏度≤61 d B/N；板件的振动级≤0.17 m/s/s/N；

当板件的振动加速度0.30 m/s/s时，其声辐射达66.25 d B，因此，参照表3，经济型轿车的车内噪声可设计为≤70 d BA，板件的声学灵敏度≤66 d B/N；板件的振动级≤0.30 m/s/s/N；

当板件的振动加速度0.35 m/s/s时，其声辐射达67.59 d B，因此，参照表3，重型卡车的车内噪声可设计为≤75 d BA，板件的声学灵敏度≤68 d B/N；板件的振动级≤0.35 m/s/s/N；

上述车内噪声的设定，是理论数据，实际制定标准时，还应适当放宽。

阻尼材料粘接的外部条件是：当高档轿车，板件的振动级＞0.17 m/s/s/N时；经济型轿车，板件的振动级＞0.30 m/s/s/N时；重型卡车，板件的振动级＞0.35 m/s/s/N时，需粘接阻尼材料，能不能粘接，还要看阻尼材料的性能和粘接部位的其他状态。

2 粘接部位设计

2.1 阻尼材料的作用

以高档轿车为例，当车身板件的振动级≤0.17 m/s/s/N时，车内噪声才能满足≤65 d BA的设计要求，根据测试统计，在车身的全部测点中，有大约50%左右的频点，振动级＞0.17 m/s/s/N，这些频点包含在测点中，测点设置在板件上，因此，不经阻尼处理的车身板件，是无法满足设计要求的。阻尼材料一般由高分子材料组成，粘接到车身板件后，就形成了阻尼结构，材料的结构阻尼系数η，是衡量阻尼材料减振性的重要指标，性能不达标的材料，是不能进入粘接程序的。阻尼材料的数学模型可表示为式（1）：

式中：ηmax—最大结构阻尼系数；E—弹性模量；a、b、c、d、e 配方中相关材料系数。

最大结构阻尼系数ηmax是弹性模量E的函数，调整配方组成的a、b、c、d、e，使材料的弹性模量处于转变态，并使材料的最大结构阻尼系数出现峰值。阻尼材料的阻尼系数η是随温度、频率变化的量，采用动态阻尼系数的测试方法，测定出工作温度下、工作频段下各频率的阻尼系数，测定的结果是一组各温度下的η--f曲线。

阻尼材料的性能是能否进入粘接程序的重要因素，下面是一组经验数据：

对于沥青基的阻尼材料，一般厚度为2 mm时，阻尼系数0.2左右，当粘接部位的振动级大于1 m/s/s/N时，粘接后，板件的振动级可下降0.5～0.6 m/s/s/N，声压级降低0.02～0.03 Pa/N，阻尼材料厚度增加1 mm，阻尼系数可提高0.1。

近几年新出现的阻尼材料，丁基胶类、树脂类，还有多功能的复合型等等，阻尼系数都有不同的提高，采用这类材料时，厚度可适当的减小。

2.2 粘接部位外部条件的判定

粘接部位的振动级要符合设计要求，应在板件的振动级频谱上判定，图3是某车身某测点的振动级频谱。

图3 某车身某测点振动级频谱Fig.3 Vibration level spectrum at a measuring point of a body

图3 中，最大振动级为3.7 m/s/s/N，对照各类车型的振动级设计要求，可以判定，该部位是需要粘接阻尼材料的。

2.3 与测点声压的相位关系

测点声压是按测试标准要求安放声压传感器的位置。

关于粘接阻尼材料，目前行业内普遍认为多粘肯定不会错，于是，为降低噪声，所有能粘接的部位都粘接了阻尼材料。测试发现，有的部位，振动级很高，按标准是必须粘接的，但粘接之后发现，在该点上的噪声不降反而升高了，出现了反弹，分析其机理，是车身各板件声辐射相位的原因。因此，相位关系，是粘接部位必须考虑的因素。

在车身空间，能感受到的噪声，是车身各板件振动辐射的叠加，是一个复杂的混合声场，各个板件辐射的噪声，不但幅度不同，而且相位也是存在差异的。板件辐射噪声的相位，与测点相位若同相，粘接阻尼材料后，可降低噪声，若不同相，就不一定能降低，还有可能增强。这个现象类似于常见的立体声广播设计，在立体声的2路声道里，在某一时刻2路的声波相位若刚好相差180°，将出现静音现象。这种现象在立体声设计时是应该避免的，但在减振降噪的设计中，却是希望出现的，在这样的状态下，板件不用粘接阻尼材料，辐射的声压级之间相互顶撞，结果是使声压级减弱，此时若在板件上粘接了阻尼材料，使振动降低，则顶撞的力度就会减小，结果会增强噪声的幅度，这类部位是不能粘接的，上面讲的声压级发生了反弹，其原因就在这里，这种现象在实际工作中经常出现，但很难判断和操作。

本试验希望的是板件的声辐射相位与车内测点噪声的相位相同，见图4。

图4 测点相位与板件相位相同Fig.4 Phase of measuring point is the same as sheet phase

在图4的相位关系下，在具有较高振动级的板件部位上，粘接阻尼材料才能达到预期的效果。因此，阻尼材料的粘接方法是：板件的振动级大于设计要求，阻尼材料的结构阻尼系数符合设计要求，板件辐射的声压级符合相位规则。

3 实践

3.1 阻尼材料的粘接方法和步骤

1）按项目要求，确定测试对象的类别、要求，确定车内噪声的目标要求；

2）将车身划分成若干个板件，板件测点上设置加速度传感器；

3）设置激励点，设置声压传感器；

4）板件测点的振动级分析，数据存入“A”文件包；

5）各测点的相位关系分析，存入“B”文件包；

6）A、B文件包的软件处理；

7）设计粘接部位，粘接阻尼材料；

8）实验室测试，上路测试；

9）项目完成。

3.2 测试文件包的软件处理

测试文件包处理软件《阻尼材料粘接位置设计》已开发成功，软件采用最新的算法，对A、B 2个测试文件包进行识别，对于A文件包，要识别各测点的最大振动级和频率，对于B文件包，要识别板件各测点的声辐射相位，与采样点声压的相位关系，软件输出的数据处理结果，对应板件各测点的位置。

4 工程案例

某车车身，以地板为例，简介项目过程。

1）项目设计要求的确定；

2）划分板件及测点（图5）；

图5 某车地板测点Fig.5 Floor measuring points of a car

3）板件各测点的振动级分析，数据文件存“A”文件包；

4）各测点的声学灵敏度相位与采样点声压级相位关系分析，数据存“B”文件包；

5）用《阻尼材料粘接位置设计》软件，对A、B文件包进行识别；

表5 软件输出的表格文件Tab.5 Form file of software output

6）软件的输出文件，见表5。

表5中，共输出地板12个测点的数据处理结果，这12个测点对应的板件振动级，都超过了高档轿车的设计标准0.17 m/s/s/N，是需要粘接阻尼材料的，引入相位关系后，应以“δ”数据为准，确定板件是否能够粘接阻尼材料，该数据的定义是：δ＞1时，粘接；δ＜-1时，不粘接；δ=-1～1时，视周边板件状态决定是否粘接。按照δ数据，测点1、4、5、6、7测点对应的板件，应粘接阻尼材料，见图6，其他测点不需粘接，设计厚度，参考阻尼系数，为选择材料提供方向。