喷涂型水性阻尼在提升汽车NVH性能中的应用

覃鹏飞，朱灯宏，陈超福，劳兵，刘强强，伍升安

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

随着汽车市场的发展，用户对汽车的乘坐舒适性要求越来越高，解决汽车轻量化、气味、环保问题和提高汽车的NVH性能(即噪声、振动、平顺性)已成为全球车企普遍关注的课题。吸声、隔声、减振、阻尼产品在汽车NVH性能开发过程中被大量研究和广泛应用[1-3]，以解决汽车使用过程中的风噪、胎噪、路噪、动力噪音等噪声和振动，汽车NVH问题的原因和解决方法见图1。阻尼材料能够将机械振动的动能转化为热能散发出去，消耗振动能量，达到减振降噪的效果。如图2所示，汽车行业通常在车身的前围板、轮罩、地板、备胎舱、顶盖、侧围、车门、发动机舱盖、尾门等车身薄板容易被激励的区域布置阻尼材料来减振降噪，进而提高汽车的NVH性能。

图1 汽车NVH问题的原因和解决方法Figure 1 Causes and solutions of NVH problems of automobile

图2 阻尼产品在汽车上的常用区域Figure 2 Areas of an automobile where damping products are commonly applied

目前常用的阻尼产品是沥青阻尼[4-6]，由人工施工并经涂装烘烤熔融粘贴在车身上，该产品存在生产效率低、占用库房面积大、污染环境、气味重、生产线柔性化低、减振降噪效果差的问题。目前行业内新型阻尼材料有PVC(聚氯乙烯)基材水性阻尼、橡胶基材水性阻尼、丙乙烯水性阻尼3种，由于环保和气味的原因，丙乙烯水性阻尼较多地应用在汽车行业内。喷涂型丙乙烯水性阻尼对比传统沥青阻尼具有减振降噪效率高、质量轻、气味小、环保性更好、可自动化施工、生产线柔性程度高的优势。本文阐述了水性阻尼(以下简称LASD)的产品特性、施工工艺、布置设计、验证效果、投资成本和运行成本，为水性阻尼的研究和应用提供参考。

1 LASD的产品特点

LASD是一种以高分子树脂聚合物为基质，以水为分散介质，辅以云母粉、碳酸钙等无机物的阻尼材料，其中隔音材料主要是丙烯酸乳液，添加无机填料是为了降低成本和提高烘烤性能，分散剂是为了改善黏度，表面活性剂是为了提升贮存性能，杀菌剂是为了防止霉变。LASD的外观是灰色或者黑色的膏状物，一般水性丙烯酸乳液含量在80% ~ 85%，水分占15% ~ 20%，保质期大概3个月，膨胀率约30%。LASD是通过高分子链之间的摩擦、颜填料之间的摩擦、高分子链与颜填料的摩擦方式实现将机械能转换为热能，达到减振降噪的目的。LASD与沥青、树脂阻尼的对比见表1。另经验证，LASD还达到如下性能要求：

表1 LASD与沥青阻尼的特点对比Table 1 Comparison of LASD and asphalt for damping application

(1) 垂直面流挂性能：在室温放置30 min不流挂，140 °C下20 min可固化，固化过程中不流挂，验证结果见图3a。

(2) 翻转面流挂性能：在翻转面室温放置30 min无滴落、鼓包、开裂现象，140 °C下20 min可固化，固化过程中无鼓包、开裂现象，验证结果见图3b。

(3) 过烘烤性能：140 °C × 20 min，烘烤2次，无明显膨胀、松弛、剥离、龟裂、变色等异常现象, 验证结果见图3c。

图3 LASD性能测试结果Figure 3 Property test results of LASD

(4) 耐水性能：浸泡在40 °C的水中24 h，无明显膨胀、松弛、剥离、龟裂、变色等异常现象，验证结果见图3d。

(5) 耐寒性能：-30 °C × 24 h，无明显膨胀、松弛、剥离、龟裂、变色等异常现象，验证结果见图3e。

(6) 耐湿热性能：在50 °C和相对湿度95%的条件下放置240 h，无明显膨胀、松弛、剥离、龟裂、变色等异常现象，验证结果见图3f。

(7) 耐冷热交变性能：“90 °C × 4 h→(23 ± 2)°C × 0.5 h 以上→-40 °C × 1.5 h→(23 ± 2)°C × 0.5 h 以上→(70 °C，相对湿度 95%)× 3 h→(23 ± 2)°C × 0.5 h→-40 °C × 1.5 h”为一个循环，合计 5 个循环，无明显膨胀、松弛、剥离、龟裂、变色等异常现象，验证结果见图3g。

(8) 耐盐雾性能：中性盐雾试验1 000 h，横截面内渗入最大值≤1 mm，且无明显膨胀、松弛、剥离、龟裂、变色等异常现象，验证结果见图3h。

(9) 阻尼性能：如图 4所示，LASD、树脂阻尼、沥青阻尼的阻尼因子均在 20 °C时达到峰值，分别为0.28、0.235和0.17，在-20 ~ 60 °C的温度范围内的阻尼性能基本上是LASD最优。

图4 LASD与沥青阻尼、树脂阻尼的阻尼性能对比Figure 4 Damping property comparison between LASD, asphalt, and resin

上述性能指标需在产品验证阶段进行测试，确保性能达到目标要求和产品量产后质量稳定。

2 LASD的布置设计和验证

LASD的布置设计需要依靠CAE(计算机辅助工程)技术手段，在车身产品开发阶段建立车身有限元模型，通过仿真分析找到70 ~ 300 Hz频率范围内的高应变能区，布置设计LASD的面积、厚度、位置，通过分析振动传递函数和噪声传递函数，确认LASD的布置能满足NVH性能目标要求。图5为某车型的CAE仿真分析结果，红色区域是高应变能区，需要布置阻尼来解决振动和噪音。沥青阻尼气味大且不环保，所以不考虑使用，故只分析采用树脂阻尼方案和LASD方案的物料成本：(1)树脂阻尼重6.04 kg，单价8元/kg，成本48.32元；(2)LASD重2.6 kg，以13元/kg计算，成本33.8元。LASD方案比树脂阻尼方案减重3.44 kg，减幅56.9%，成本降低14.52元，成本降幅30%。可见，LASD优于沥青阻尼。

图5 某车型高应变能区的仿真分析Figure 5 Simulation analysis of high strain energy region of a vehicle

该车型实车喷涂LASD的效果见图6，验证结果(见表2)显示LASD的阻尼因子高于沥青阻尼，在振动传函、噪声传函、路噪、匀速语言清晰度、加速噪声等方面优于沥青阻尼，这进一步确认了LASD方案的NVH性能优于树脂阻尼方案。

图6 某车型的LASD实车喷涂Figure 6 A real vehicle sprayed with LASD

表2 沥青阻尼和LASD在某车型实车上的NVH性能验证Table 2 Validation of asphalt damping and LASD NVH performance for a vehicle

经验证，LASD满足耐久可靠性要求，在耐久路试过程中不存在开裂、剥离车身钣金和其他破坏失效问题，确认了LASD的质量和功能在汽车产品周期内均可满足要求。

3 水性阻尼的实施工艺

LASD目前普遍采取管线集中供给，通过机器人在涂装车间施工的生产方式，如图7所示。液态的LASD通过机器人喷涂在车身钣金上，经涂装烘烤工序完成固化和粘贴于车身。LASD和沥青、树脂阻尼的施工差异见表3。为了保证施工质量的稳定，通常需满足以下条件：

表3 LASD与沥青、树脂阻尼的施工对比Table 3 Comparison in application process between LASD, asphalt, and resin

图7 LASD施工现场Figure 7 Field for application of LASD

(1) 施工设备(管路、泵组等)的湿润部件须选用耐腐蚀的不锈钢。

(2) 管路设计应采用圆弧过渡，避免使用90°或T型接头。

(3) 不建议设置循环管路。如管路超过40 m，建议增加泵站。

(4) 零件运输过程中需注意防冻。

(5) 施工参数：温度25 ~ 45 °C，压力5 ~ 30 MPa，流量30 ~ 120 cm3/s，移动速率200 ~ 1 000 mm/s，枪嘴到电泳板的距离20 ~ 50 mm，立面施工4 mm无流挂，贮存3个月内黏度变化小于30%。

4 LASD的投资成本和运行成本

对某车型某生产线实施LASD工艺方案的生产设备投资和运行成本进行了估算，结果见表4和表5。工装和工艺设备投资预计1 300万元/线，1条生产线的运行成本比传统树脂/沥青阻尼工艺的运行成本节省了约55万元/年。从长远效益来看，LASD的投资更有经济收益优势，是汽车行业发展的趋势。

表4 LASD的投资成本Table 4 Investment cost of LASD

表5 LASD的运行成本Table 5 Operating cost of LASD

5 结语

LASD的很多性能都比传统的树脂阻尼、沥青阻尼更优，是提升汽车NVH性能的发展趋势。虽然LASD需要的机器人设备投资成本高，但是LASD的运行成本比传统树脂阻尼和沥青阻尼要低。随着汽车工业发展的环保高要求和汽车NVH性能的高要求，LASD将会被更多地研究和得到广泛应用。