汽车小天窗风振研究及优化

侯宇丹 侯兆平

摘  要：为了得到满足用户感知要求的汽车小天窗风振效果，针对当前SUV现有小天窗挡风条结构，开展基于PowerFLOW的汽车天窗风振噪声仿真分析，得到特定车速下的流场数据和驾驶员耳旁声压数据。在原车型仿真结果基础上对挡风条结构优化设计，按影响参数采用正交实验分析，进行各设计方案的仿真、实车对比研究。数值仿真、实车测试、主观感知得到的结果在整体趋势上一致，数值仿真结果显示最佳优化方案声压级在峰值频率点下降17.8dB（A）；路试结果显示，该方案声压级最大降低21.9dB（A），主观感知不到风振，表明了优化方案的有效性。

关键词：风振；正交设计；声压级；数值仿真；优化设计

中图分类号：U467.4+93     文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2023）02-0034-05

Study and Optimization on Wind Vibration of Small Skylight

HOU Yu-dan1  ，HOU Zhao-ping2

（1. Jilin University，Changchun 130026， China；2.Saic-gm-wuling Automobile Co.， LTD，Liuzhou 545007， China）

Abstract： In order to obtain the wind vibration effect of a small automobile sunroof that meets the users perception requirements， the wind vibration noise simulation analysis of the automobile sunroof based on PowerFLOW was carried out according to the existing small sunroof windscreen structure of the vehicle， and the flow field data and the sound pressure data near the drivers ear at a specific speed were obtained.On the basis of the simulation results of the original model， the optimal design of the windshield plate structure is carried out. According to the influence parameters， the orthogonal experimental analysis is used to carry out the simulation of each design scheme and the comparison study of the real vehicle.The results obtained by numerical simulation， real vehicle test and subjective perception are consistent in the overall trend， and the numerical simulation results show that the sound pressure of the best optimization scheme decreases by 17.8 dBA at the peak frequency point.The road test results show that the maximum sound pressure level of the proposed scheme is reduced by 21.9 dBA， and the wind vibration is not perceived subjectively， indicating the effectiveness of the optimized scheme.

Key Word： Wind Vibration; Orthogonal Design; Sound Pressure Level; Numerical Simulation; Optimal Design

侯宇丹

畢业于吉林大学2020级电气工程及其自动化专业本科，获2021-2022学年国家奖学金，第十三届全国大学生数学竞赛一等奖。

1    前言

近年来，随着汽车尤其新能源汽车越来越普及，用户对汽车使用舒适度的要求越来越高。NVH体验受到用户普遍关注，气动噪声对驾驶员及乘客造成的困扰表现较为突出，其中天窗风振噪声不断得到行业重视、研究、解决。

汽车小天窗风振现象表现为汽车低速行驶时，保持天窗全开，当车辆起步缓加速至20km/h～50km/h区间，会产生频率18Hz左右，声压级50dB（A）以上的压力脉动，有特别强烈的压耳感，严重影响乘客舱内的舒适性能。

目前国内外对天窗风振现象的研究大都是基于仿真、风洞试验加实车验证的方式进行，尚雷[1]、古正气[2]等通过仿真分析的手段提出了降低风振方案，杨振东[3]、黄磊[4]等则从风洞试验的角度验证了风振优化方案，黄丽那[5]从道路试验的角度开展了风振噪声研究。仿真应用有不同的流体分析软件做支撑，风洞试验成本较高，实车验证相对简便易行且更接近用户体验。行业内尚无明确的标准限定风振现象的分析及控制方法。

本文根据公司现有条件，采用基于Power FLOW的汽车天窗风振噪声仿真分析，同时考虑到改变天窗尺寸对车内噪声改变较大，但其对开发成本、进度影响显著。故在不考虑改变天窗尺寸前提下对挡风条进行研究改进以改善风振效果。根据仿真分析结果，针对小天窗挡风条当前结构参数，应用六西格玛方法，开展质量屋分析，正交实验设计，再针对不同设计方案开展仿真分析，制作快速样件路试验证，结合仿真、道路测试、主观评价，得到满意的优化方案。

2    小天窗风振噪声现状分析

2.1   仿真分析

在数模阶段进行小天窗风振噪声性能仿真分析，可对设计状态声学性能水平进行有效评估，对可能存在的设计风险进行预测，并及时做出有效的设计优化方案。有限元分析依次分为前处理、求解和后处理三个步骤。要求采用的软件分别为前处理软件ANSA、PowerDELTA，求解软件PowerCASE、PowerFLOW和后处理软件PowerACOUSTICS、PowerVIZ。

基于上述方法针对当前SUV车型进行仿真分析，在（30/35/40）km/h三个典型切片条件下（15-20）Hz区域存在峰值及对应涡流，试车反映为特定工况车内声腔共振、压耳膜，即风振现象，见下图1车内噪声仿真分析，取典型车速35km/h：

2.2   实车分析

当前SUV在典型车速35km/h状态下，采集驾驶员内耳麦克风处数据，在（15-20）Hz处存在明显的风振现象，见下图2车内噪声测试瀑布图：

当前SUV在典型车速35km/h状态下（15-20）Hz处存在明显的声压级峰值，见下图3车内噪声测试频谱图：

实车测试反映的数据趋势与仿真一致，且与主观感知状态吻合。

3    挡风条参数优化方案设计及验证

3.1   当前挡风条设计状态

基于六西格玛质量屋及普氏分析，不考虑变更天窗尺寸前提下，挡风条结构设计是风振最为敏感项，包括天窗挡风条高度（相对白车身）、天窗挡风条角度（迎风面与X向夹角）、天窗挡风条导流槽数量/宽度/深度设计等，当前结构设计如图4示：

当前挡风条结构设计参数表如表1：

3.2   挡风条优化设计方案分析及验证

基于仿真驗证的总结及结构布局的可行性，设定优化设计的参数如下表2：

噪声因子反映在车速偏差方面，取车速N1=35km/h，N2=40km/h，代表风振合理偏差敏感工况，在此基础上开展5因子2水平正交设计，计算驾驶员内耳声压级，单位dB（A），对应仿真计算结果如下表3：

为了验证仿真分析与实车测试的一致性，特制作3D快速样件，辅助以油泥模型及弹簧角度调整的方法，开展实车测试工作，具体方案如下图5：

实车测试的信息如下表4所示，对应结果为不同噪声因子驾驶员内耳声压级dB（A）。

针对风振现象的主观评价方法如下表5所示。

针对风振现象的主观评价结果如下表6所示。主观评价分值计算方法：5名评价人员对不同方案风振效果分别打分，计算均值，作为各方案主观评价最终得分。

4    试验对比分析

针对优化参数设计后的挡风条， 结合仿真、测试、主观评估的数据统计，对比分析见下表7：

分析结果显示，方案1为最佳方案，仿真、测试、主观评价高度统一，方案一对应仿真分析结果与原车比较如下图6所示。

方案1对应实车测试结果与原车比较如下图7所示：

结    论

a.当前SUV车型小天窗风振问题最佳优化方案为方案1，该方案挡风条高度、角度不变，仅对导流槽数量、宽度、深度进行优化，不影响整车外观美观。具体优化参数见表8：

b.当前售前、售后都有小天窗风振相关诉求的反馈，通过对汽车小天窗风振现象研究及优化，明确小天窗风振控制的重要性；

c.通过本次研究可以初步建立风振对应仿真工况及控制指标；

d.本次研究表明风振仿真、测试、主观感知具备高度一致性，后续可以通过仿真分析的手段在项目初期对风振性能评估优化，避免后期改进成本；

e.本次针对SUV车型小天窗风振现象的研究及优化可推广应用于CAR、MPV车型，应用过程中因整车腔体、姿态、外观等发生变化，可能会存在问题的反复，需要进一步研究。

参考文献：

[1]尚雷，董立强，徐文斌，等.带纱网导流的汽车天窗风振噪声仿真研究[J].汽车工程学报.2021，11（2）：137-141.

[2]古正气，刘壮志，杨振东，等.汽车风振噪声的空气射流结构优化[J].中国机械工程. 2021，33（6）：681-688.

[3]杨振东，古正气，谢超，等. 汽车天窗开槽扰流器的降噪机理试验研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2018，45（2）：26-33.

[4]黄磊.汽车天窗风振问题的研究[J].噪声与振动控制，2009，4（2）：38-41.

[5]黄丽那，蓝志坤，孙冰寒，等.汽车天窗风振噪声的道路试验研究[J].汽车零部件，2018，11：34-36.

专家推荐语

康润程

国家汽车质量检验检测中心（襄阳）

NVH专业副总师  研究员级高级工程师

本文针对某SUV现有小天窗挡风条结构，开展了基于PowerFLOW的汽车天窗风振噪声仿真分析，得到了特定车速下的流场数据和驾驶员耳旁声压数据。然后在原车型仿真结果基础上对挡风条结构进行优化设计，按影响参数采用正交实验分析，进行各设计方案的仿真、实车对比研究。数值仿真、实车测试、主观感知得到的结果在整体趋势上一致：最佳优化方案声压级在峰值频率点下降明显，主观感知不到风振，优化方案有效。

全文结构完整，论点明确、理论正确、论据有效、逻辑性强、可读性强。有创新和较好的学术水平，有很好的实际应用价值。