前围及过孔件隔声性能对整车噪声的影响分析
2019-10-22张爱军
张爱军
(欧拓汽车管理(上海)有限公司,上海201802)
在汽车不断普及的当下,人们对汽车的品质追求也在不断地提高。噪声与振动是整车开发目标中必须的考衡因素[1]。汽车是由多系统组成的复杂产品,而这些系统具有各自的性能特征,NVH 性能几乎涉及到汽车的各系统中。过孔零件一般为橡胶或发泡类材料,考虑该产品的工艺成型性,结构设计的复杂性,整车上安装简易性,其隔声性能易被产品设计者忽视。前围系统上安装了各种过孔零件,包括线束、制动踏板、油门踏板、转向管柱、空调系统的膨胀阀及进风口等,这些过孔零件对前围系统的隔声有重大贡献,会在很大程度上影响车内噪声水平。在声能的传递过程中,考虑过孔及隔音垫覆盖率引起的缝隙透声问题,按等传声原则,对各部件进行隔声设计控制[2-3]。采用统计能量分析方法,对前围系统部件进行声学性能计算[4-8]。
1 分析模型
1.1 统计能量模型
整车统计能量SEA 拓扑模型由板和声腔组成,根据车身结构和声学包零件分布,对SEA 模型的196个板进行分组,将板件分成前围系统、前地板、后地板、后轮罩、后备箱地板、顶棚、车窗、前后风挡等18 个子系统。声腔包括驾驶员/乘客头部、中部、脚部声腔,仪表台、副仪表、座椅声腔,后备箱声腔等54个腔体,如图1。
图1 SEA 分析模型
1.2 计算原理
1.2.1 车内声腔能量
系统之间存在能量交换,并最终达到稳态的子系统能量平衡。由能量平衡方程,可得到车内声能量,其近似计算公式
式中:Pexc,Vc,为车外声压和车内声腔体积;ρ、c,为空气的密度和空气中的声速;τp、Sp为声能传到车内的透射率和对应的该传递区域面积;αc,Sc为车内吸声系数和面积。
由公式(1)可知,在整车声学包零件性能不变的情况下,车内各系统隔声与车内的总吸声量不会改变,过孔的面积及其隔声对系统有很大影响。
1.2.2 损耗因子
统计能量分析是用能量描述各子系统的状态,使用功率流平衡方程表述耦合系统间的相互关系,评价各子系统的能量,并转换成相应的声压级等参数。板与声腔及声腔之间存在能量的传递关系,车内声腔的内部损耗因子
Siα为声腔的吸声量,c0,Vi分别为声速,声腔体积,ω为角频率。
两系统之间通过面连接的耦合损耗因子
τ为声腔i传递到声腔j的透射系数。
1.3 模型参数
基于统计能量法的分析模型中,板的声学性能参数包括吸声系数、隔声量、声载荷、板的面积、过孔面积及其隔声。前围钣金、隔声垫与过孔件的材料都是不同的,其面积差异非常大。表1为前围系统各部件的测试调校后仿真输入隔声参数。
前围钣金及隔声垫比较重,隔声量较高,透射系数较小,面积大;而过孔件透射系数较大,隔声量要低很多,面积较小。组合板的透射系数
τk,Sk为过孔件的声透射系数和面积。
其组合隔声量为
2 计算分析
2.1 覆盖率对隔声的影响
子系统的隔声直接影响到车内噪声,因此,对零部件的隔声控制显得非常重要。样车前围钣金为0.8 mm厚度的钢铁,隔声垫由重层4.3 kgsm_EVA与发泡层80 kg/m3两层组成。根据单层墙理论,应用VisualSISAB软件计算出钣金的隔声量,再计算出钣金与重层EVA 构成的双层墙的隔声[9-11]。图2为隔声垫在不同覆盖率下的隔声曲线。
0%表示无隔声垫覆盖时仅钣金的隔声,原样车隔声垫覆盖率约为90%,隔声垫对前围的隔声提升最大只有10 dB,当覆盖率达到99%时,隔声垫的隔声量对前围系统的隔声提升最大不超过20 dB。当覆盖率降至80%时,隔声提高量不会超过7 dB;而隔声垫100%完全覆盖钣金的理想状态,8 kHz的隔声量为57.6 dB,当然这在实际零件设计和整车装配中是不可能实现的。由此可见,覆盖率很大程度上影响前围的隔声性能。
表1 前围系统各部件隔声量
图2 不同覆盖率的隔声垫的前围隔声量
2.2 不同过孔结构对隔声影响
过孔件多为橡胶护套密封,图3为橡胶件在不同厚度和不同结构下的隔声对比曲线,对于单层结构的护套过孔,每倍频程提高6 dB,且厚度增加一倍,隔声提高约6 dB;而双层结构比单层结构隔声高很多,每倍频程提高约18 dB,且随两层间隔距离增加一倍而提高6 dB。
图3 不同结构设计的过孔隔声量
因此,护套采用双层结构设计的过孔,能有效提高过孔的隔声。
2.3 零件隔声的整车SEA分析
2.3.1 前围过孔对整车噪声影响
根据整车SEA仿真计算结果,如图4,仿真与试验结果一致性较好,同时分析了有无过孔件状态时,车内前排驾驶员头部噪声差异,结果表明,前围各过孔对车内噪声影响很大,主要集中在1 kHz 以下低频和5 kHz以上高频段,其中800 Hz有3.7 dB差异,8 kHz有3.8 dB差异。
图4 车内噪声SEA仿真结果
这是由于过孔是单层结构设计且护套壁面较薄,低频隔声比较低,同时存在高频泄漏问题。
2.3.2 车内噪声改善分析
图5 不同方案对车内驾驶员头部噪声的影响
在整车SEA 模型中计算了60 km/h 工况下,不同方案对车内驾驶员头部噪声的影响,如图5(a),前围隔声垫在不同覆盖率下与无隔声垫情况下车内声压级差值,在630 Hz,前围隔声垫全覆盖时车内噪声会降低3.8 dB,当前围钣金有90%隔声垫覆盖时,车内噪声会降低3.1 dB。因此,隔声垫能有效地改善车内噪声,同时要保证隔声垫覆盖率达到90 %以上。如图5(b),不同的过孔设计状态与无过孔件时车内声压级差值,显而易见,过孔件的存在会使得车内噪声变大,因此,在设计过孔件时需要考虑其壁厚和结构。单层过孔护套由2 mm 增加至4 mm,车内噪声可以改善约1 dB;由单层2 mm 改为双层2 mm间距40 mm,车内噪声在800 Hz以上高频率,至少可以改善1 dB,500 Hz~630 Hz低频率段改善约2 dB。
3 设计优化
3.1 贡献量分析
根据声学包装特性,整车SEA 板件可分为前围系统和其它系统,包括玻璃窗、车门、顶棚、地板、轮罩等,这些系统都与车外存在能量交换,决定了车内的声能。考虑车外不同区域的板件,其声载荷分布也不同,Revamp 软件采用“开窗法”,即封堵其它所有板件,以各板件的隔声及板外部载荷为约束条件,依次计算出每组板对车内噪声能量贡献大小,得到各组板件对目标声腔的能量贡献占比。
SEA 模型中前围系统包括隔声垫和转向管柱、振动踏板、线束、HVAC膨胀阀、空调进风口等8个过孔。图6(a)为驾驶员头部声腔能量来源路径分析,在1 kHz 以下频率,前围系统占整车板件贡献量超过30%。对前围系统进行贡献量分析。
图6 驾驶员头部声腔能量来源路径分析
如图6(b),过孔件对前围系统的贡献超过90%,问题过孔比较多,其中转向护套和线束过孔对前围系统贡献约50%,并存在高频泄漏。前围系统的隔声控制对整车噪声影响,主要问题就是对过孔件进行严格设计控制。
3.2 优化方案
在新车型开发阶段需要考虑,防火墙钣金、转向管柱部件与护套本体间的密封,对各过孔隔声性能设计进行严格控制,提供过孔件隔声优化设计方案。采用厚度大、克重高的护套材料和双层结构设计,提高前围隔声垫对过孔件周边覆盖率,减少前围过孔数量,提高过孔件的密封性。如图7,原样车转向管柱等过孔件设计,由能量传递路径可知,存在泄漏较大且隔声差的问题。
图7 过孔优化设计方案
对新车进行过孔的优化设计,可大幅度地降低透射系数,提高过孔件隔声量。新车过孔设计优化包括
(1) 结构优化,多采用双层结构设计;
(2) 数量优化,合并过孔,如左右线束两个过孔合成一个过孔,空调膨胀阀和水管过孔集成为一个过孔,油门和制动踏板集成为一个过孔;
(3) 减小过孔面积,增大前围零件对其覆盖。不同功能件过孔结构设计,在兼顾声学特性的前提下,要保证实现自身功能,因此诸过孔件设计都各具特点。
4 过孔隔声验证与控制
样车在道路试验中,对部分过孔件进行改进前后对比试验,以验证过孔对车内噪声的影响大小。并制作前围隔声工装,测试前围钣金,隔声垫及相关各过孔的隔声性能,针对较弱的隔声过孔进行优化提升,以提高整个前围系统组合隔声量。
4.1 整车路试
线束过孔由单层结构改为双层结构设计,之后分别对离合器过孔、空调进风口进行密封处理,从车内总声压级与语音清晰度两个方面进行比较,见表2,各过孔优化设计后,车内总体噪声改善情况。
表2 优化后的过孔对车内噪声改进
其中线束过孔对车内影响最大,原因是线束为单层结构设计,隔声量较低,同时存在装配后泄漏较大的问题,降低了前围系统整体的隔声量。如图8。
图8 车内驾驶员内耳声压级
图8为60 km/h 工况下,线束过孔改进前后的1/3 倍频程结果,优化方案在2.5 kHz 改善为4.1 dB,高频改善效果非常明显。
4.2 过孔隔声控制
过孔的隔声与隔声垫的覆盖率以及设计装配等引起的泄漏,对前围系统隔声影响非常大,尤其对高频影响愈加明显。因此,通过隔声窗试验来验证过孔、隔声垫的隔声性能设计方案,是控制和改进前围系统隔声的有效方法。
4.2.1 隔声窗试验
对前围隔声垫和过孔件进行隔声测试是保证整车声学性能的前提,是整车声学包开发过程中必要的环节,同时为寻找噪声问题来源做到有的放矢。
制作前围钣金工装,测试隔声垫与各过孔隔声量。前围系统的隔声是前围钣金和隔声垫与过孔件的组合隔声,如图9。
前围隔声垫在800 Hz 的隔声比全密封状态低3.1 dB;安装过孔件后,前围系统整体隔声在630 Hz下降3.2 dB,在8 kHz隔声降低达到15.1 dB。
4.2.2 测试结果分析
将钣金、隔声垫、过孔件的隔声测试结果,更新到SEA 模型中,验证前围系统隔声是否满足整车噪声水平要求,同时分析前围系统各过孔对车内噪声的贡献量,线束过孔更改为双层结构设计后,对车内噪声贡献量占前围系统仅7%,效果非常明显;其它各过孔件贡献在15%左右,基本上做到均等隔声设计效果,为设定零部件隔声目标奠定基础。
图9 前围系统隔声测试结果
5 结语
过孔件的隔声设计与声学包性能开发设计是一体的,需要考虑过孔对整车性能的影响,其设计过程需要借助SEA 模型,是仿真分析与试验高度结合,反复验证的过程。过孔的隔声性能设计是整车声学包开发过程中的重要环节,涵盖数据设计及其方案评审和试验验证。结合SEA 模型对其进行贡献量分析,可以优化提升过孔声学性能和改善车内噪声,同时对前围隔声垫与过孔零件隔声目标的设定也具有指导意义。