汽车天窗噪声源介绍和模态分析与优化

蒋振宇

(伟巴斯特车顶系统中国有限公司，上海 201108)

汽车天窗噪声源介绍和模态分析与优化

蒋振宇

(伟巴斯特车顶系统中国有限公司，上海 201108)

介绍汽车天窗噪声源及应对措施，其中发动机和路面等激励是引起天窗结构振动噪声的一个重要噪声源，解决此问题的方法就是使汽车天窗的固有频率与激励频率之间差3 Hz以上。为了在汽车天窗前期开发阶段利用CAE技术准确预测汽车天窗的固有频率，进行了相关性研究，发现汽车天窗是一个高度非线性的系统，即随着基础激励量级的增大，系统固有频率减小，相对阻尼系数增大，同时也发现了在越低能量级激励下扫频测试得出的共振频率和加速度响应与CAE结果差异越小。最后介绍了根据模态应变能结果优化天窗模态的案例。

汽车天窗；振动；非线性；模态分析

0 引言

近年来中国汽车工业迅速发展，中国已成为世界上最大的汽车生产国和消费国。天窗版汽车成为多数购车者的首选,主要因为汽车天窗能够有效地使车内空气流通，增加新鲜空气的进入，为车主带来健康、舒适的享受。同时汽车车窗也可以开阔视野，也常用于满足移动摄影摄像的拍摄需求。随着汽车安全性、动力性的提升，消费者对汽车舒适性也有了较高的要求，天窗作为汽车的重要组成部分，其NVH (Noise， Vibration，Harshness)性能对乘员的舒适性有重要的影响。

1 汽车天窗噪声

当天窗产生振动和噪声的时候，首先必须寻找天窗振动噪声源及产生机制，然后针对各种振动噪声源采取相应对策。天窗噪声振动激励源主要有：发动机激励、路面激励、风扇等旋转机械激励、风激励、摩擦和撞击激励。下面将简单介绍这些振动源和应对措施。

1.1 发动机和路面等噪声振动源

汽车在使用过程中，发动机和路面等激励通过车辆的传动系统、排气系统和悬架系统，经过车身传给天窗，若天窗的固有频率与发动机怠速和路面等激励的频率重合，将会导致明显的振动或因为振动产生异响，如怠速时的轰鸣声、加速时天窗的抖动等，这些天窗问题都会影响乘员的舒适性，从而影响消费者对整车质量的评价。因而，在天窗开发的过程中，天窗的模态成为一个关键的考核指标。

在整车开发前期阶段，为了使各个系统的模态分离和解耦，必须制定整车模态规划表来严格规范各个子系统的开发。因此在天窗前期开发阶段，也必须基于整车的发动机类型、怠速范围、风扇转速、道路情况和天窗等因素，确定天窗各在各个状态下的频率，必须满足一个重要的基本原则：天窗的固有频率与激励频率之间要差3 Hz以上[1]。

发动机激励源。对于汽车常用的四缸发动机来说，通常怠速转速为750～850 r/min,怠速时的频率为25～28 Hz;加速和巡航时候的转速为1 000～6 000 r/min,其激励频率为33.3～200 Hz。

路面与轮胎激励。与汽车行驶速度和轮胎尺寸大小有关，轮胎第一阶动不平衡激励频率一般为10～20 Hz。

旋转机械激励源。风扇、发电机、水泵等旋转机械的激励通过车身传给天窗,其中风扇的激励最为常见。风扇的转速范围一般为1 500～3 000 r/min,对应的一阶动平衡的频率为25.5～50 Hz。

1.2 风激励引起的噪声振动源

在长时间的驾驶过程中，天窗打开可以改善车内的空气质量,但是天窗的打开会引起气动噪声，它的频率低(<20 Hz)强度却很高(>100 dB),虽然它不易被人耳听到，但是它产生的脉动压力却使驾乘人员感到烦躁和疲倦，影响驾乘的舒适性。由于天窗打开后，车厢内形成空腔。车外高速的气流与车内相对静止的气体存在一个剪切层。当车内、外的气流速度差超过一个临界值后，剪切层就会处于不稳定的状态，最终形成漩涡，并周期性散发，当漩涡的发散频率与车厢的空气固有频率一致时，就会产生风振噪声[2]。控制风振噪声最基本的方法就是打破气流在天窗前后边缘的运动，或者不让气流吹到天窗。通常在天窗的前边缘加挡风条和侧边加挡风板，分别如图1和图2所示。

图1 天窗起翘挡风板

图2 天窗全打开挡风条

1.3 摩擦和撞击异响噪声源

天窗异响噪声是指汽车在行驶中或天窗在运动过程中出现的非正常、没有规律的声音。异响的随机性强，重复一致性差。天窗的异响通常分为两类：尖叫异响和撞击异响。

尖叫异响通常是由于材料之间的摩擦而引起的声音。比如某天窗运行停止和启动的时候，机械组滑块和导轨之间相互摩擦并存在黏滑效应，容易产生尖叫异响。

撞击异响是指两个零件相互发生碰撞而发出的敲击声。比如，汽车在凹凸路面行驶的时候，路面的冲击会引起天窗遮阳板撞击中横梁，发出撞击异响。

产生天窗异响的原因有很多,主要是：间隙设计不合理、尺寸公差控制不好、装配精度不高和安装不牢靠、接触面材料兼容性差、结构的刚度和模态不合理等。

天窗异响通常通过试验来识别，也可以通过CAE来预测。试验识别异响主要是在实际的道路和试验室台架的两个环境中通过主观评价和客观测试来识别异响。异响CAE分析主要通过刚度和模态等分析方法。比如天窗版汽车在道路上进行风载测试时，天窗的整体刚度不足导致天窗密封条与车顶之间产生缝隙，车外的噪声就会穿过此缝隙传到车内，这种透过缝隙的噪声就被定义为气吸噪声，因此可以通过CAE分析天窗在高速风载下密封条与车顶之间是否有间隙，就可以预测天窗的气吸噪声。还有关于天窗密封条在天窗开启过程中是否产生噪声，请参阅文献[3]。

2 汽车天窗扫频测试

正如前面所述，在汽车天窗开发阶段，天窗的固有频率成为一个重要的指标。为了在天窗前期开发阶段能够利用CAE技术校核天窗的固有频率，首先需要验证CAE分析的可信度。某公司在2013年选取了某款汽车天窗为研究对象，进行了天窗固有频率测试，同时也进行了相应的频率响应CAE分析。下面先简单介绍天窗固有频率测试。

2.1 振动台扫频测试

振动台扫频激励是测试系统固有频率和阻尼的常见方法，其测试方法可以概括为：用振动台以基础激励的方式对天窗进行正弦扫频激励，扫频范围为10～100 Hz，振动量级为：0.9g、0.5g、0.1g、0.05g(g=9.8 m/s2,下同)。扫频测试装置如图3所示。

图3 天窗扫频测试装置图

在对实验数据进行分析时，将天窗系统简化为弹簧、阻尼器、质量块的单自由度模型，其结构加速度响应相对于基础的振幅放大因子β及最大值βmax为[4]：

(1)

(2)

式中：ξ为相对阻尼系数；ωn为无阻尼系数的固有频率。对于小阻尼系数，式(3)可以近似写成：

βmax≈1/(2ξ)

(3)

(4)

图4 频谱图半功率带宽点示意图

对汽车天窗进行了不同能量下的激励测试，其中0.05g测试结果如图5所示，表1列出了在不同振动能量级下天窗系统固有频率及相对阻尼系数的实验结果。

图5 0.05g正弦激励下扫频结果

振动量级固有频率/Hz相对阻尼系数0.9g25.10.0460.5g27.70.0390.1g30.50.0310.05g32.20.025

从表1可以看出：随着基础激励量级的增大，系统固有频率减小，相对阻尼系数增大，呈现出较明显非线性现象，即“频率漂移”现象。

2.2 影响因素

汽车天窗中使用了大量的金属、玻璃、塑料和橡胶等多种材料，通常由几百个零件组成，机构的运动主要是通过接触来连接的。影响天窗频率非线性的主要因素是材料和接触的非线性，其中接触连接非线性是造成“频率漂移”的主要原因。

任何材料特别是塑料和橡胶在大变形的情况下不满足胡克定律，即受力和变形或应力和应变是非线性关系。

汽车天窗运动是通过接触来连接，随着振动量级的增加，接触之间就会出现间隙，因此汽车天窗存在接触连接非线性。

因此在测试天窗的固有频率时，激励能量应尽可能小，否则天窗表现出明显的非线性现象。

3 汽车天窗频率响应CAE分析

频率响应CAE分析是用来分析结构在简谐激励作用下的响应。这种激励可以是外部载荷力或者力矩，也可以是强迫位移、速度或者加速度，载荷通过指定特定频率下的幅值来定义。频率响应分析可以使用直接法和频率法进行计算，其中,模态频率响应利用结构的模态振型来对耦合运动方程进行缩减和解耦,求解效率高。由于天窗模型的计算量较大,故采用高效的模态频率响应方法更为合适。约束天窗与车身连接点的所有自由度，在连接处施加0.05g振动激励，振动频率范围和模态阻尼系数与实验一致，分别为10～100 Hz和0.025，图6是天窗第1阶模态图，图7是天窗在0.05g正弦激励下CAE扫频结果。通过试验和仿真结果对比可知：采用CAE频率响应分析得出的共振频率与加速度响应差异较小，验证了有限元模型的有效性和分析的准确性。

图6 天窗第1阶模态图

图7 0.05g激励下CAE扫频结果

4 汽车天窗模态优化案例

在对天窗模态进行结构优化前，必须找到天窗结构薄弱部位。在工程上，通常在CAE分析中输出各阶模态的应变能分布，找出天窗的薄弱部位，进而从本质上对天窗进行模态优化。

4.1 模态应变能基本理论

应变能是指物体在变形的过程中储存在物体内部的势能，利用振型和刚度计算得到的应变能称为模态应变能[5]。在文献[6]中，应变模态可以识别结构局部刚度性能的变化，准确指示系统刚度变化的部位。

无阻尼多自由度系统第i阶模态特征方程：

(5)

式中：左端表示结构的弹性恢复向量，右端表示惯性力向量。根据达朗贝原理，可以认为弹性变形是由惯性力的作用而引起的。弹性恢复力应变形式表示为：

(6)

式中：m为结构构件数；VK为第K个构件的体积；D为本构矩阵；φiK为第K个构件第i阶模态的应变分布。在有限元软件中求取各阶模态应变能分布比较容易实现。利用各阶模态应变能分布，找出弹性位移变化比较大处，通过加强模型局部的部分，对结构进行优化。下面将以某款汽车天窗为例，介绍根据模态应变能结果优化天窗模态的案例。

4.2 汽车天窗模态优化案例

对某款天窗进行了有限元求解，读取模态应变能结果，其应变能分布如图8所示。

图8 原始结构第一阶模态结果

从图8可以看出：机械组悬臂跟部和玻璃框架支架应变能分布比较集中，说明此区域刚度相对较弱。通过优化此区域提高天窗的模态，具体的方案如9所示。

图9 天窗模态优化结构图

天窗经过优化后，天窗在打开的模态提高了1.4 Hz,应变能集中现象得到改善，天窗的模态提高了8%，CAE结果如图10所示。

图10 优化后第一阶模态结果

5 汽车天窗NVH的其他研究

汽车天窗NVH的其他研究包括：天窗异响CAE预测；汽车天窗风噪研究和CFD仿真。

6 结论

(1)全面介绍了汽车天窗噪声源及应对策略，为以后快速、准确地解决汽车天窗噪声奠定了一定的基础。

(2)通过对汽车天窗的正弦扫频实验，发现天窗在不同振动量级下呈现出比较明显的非线性，即随着基础激励量级的增大，系统固有频率减小，相对阻尼系数增大，因此汽车天窗是一个高度非线性的系统。而CAE模态分析假设系统是线性的、定常与稳定的时不变系统，因此在越小能量(比如 0.05g)激励下天窗扫频测试得出的共振频率与加速度响应就会与CAE频率响应结果差异越小,实验也证明了此推论是正确的。

(3)文中还介绍了利用应变能结果优化汽车天窗模态的案例，通过对模态变能进行集中区域的应变能进行合理的疏导和分流，最终使汽车天窗的模态值提高了1.4 Hz。

[1]庞剑.汽车车身噪声与振动控制[M].北京：机械工业出版社,2015.

[2]AN C F,SINGH K.Optimization Study for Sunroof Buffeting Reduction[R]．SAE Technical Papers,2006.

[3]蒋振宇，陈忠钰.汽车天窗密封条分析与优化[J].汽车零部件,2017(7):30-33. JIANG Z Y，CHEN Z Y.Vehicle Sunroof Seal Analysis and Optimization[J].Automobile Parts,2017(7):30-33.

[4]倪振华．振动力学[M]．西安：西安交通大学出版社，1994.

[5]杨绍普,王利英,潘存治.基于安全因子的大型施工机械结构安全分析[J].振动与冲击,2013,32(8):56. YANG S P,WANG L Y,PAN C Z.Safety Analysis of Large Construction Machinery Based on Safety Factor Method[J].Journal of Vibration and Shock,2013,32(8):56.

[6]徐丽，易伟建,吴高烈．混凝土框架柱刚度变化识别的应变模态方法研究[J]．振动与冲击，2006，25(3)：1-5． XU L,YI W J,WU G L.The Stiffness Change Identification of Concrete Frame Column Using Strain Mode Method[J].Journal of Vibration and Shock,2006，25(3)：1-5．

VehicleSunroofNoiseSourcesIntroductionandModalAnalysisOptimization

JIANG Zhenyu

(Webasto Roof China Co., Ltd., Shanghai 201108, China)

The vehicle sunroof noise sources and solutions were introduced. It was one of important sunroof structural noise which caused by engine and road excitation. In order to solve the structure resonance problem, the gap between the excited frequency and structural natural frequency should be more than 3 Hz at least. In the early stage of sunroof development, in order to accurately predict sunroof natural frequency with CAE, natural frequency test and CAE analysis based on one sunroof were made. It is found that the sunroof is a highly nonlinear system, the higher the excitation energy, the smaller the sunroof natural frequency, the bigger the relative damping coefficient. And there is good correlation between the CAE results and frequency sweep test based on lower energy exciting. Finally, a sunroof modal optimization case based on modal strain energy results was introduced.

Vehicle sunroof; Vibration; Nonlinearity; Modal analysis

TH113.1

A

1674-1986(2017)09-028-05

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.006

2017-05-22

蒋振宇(1977—)，男，硕士，高级工程师，研究方向为结构耐久，安全和NVH分析与优化等。E-mail：Michael.Jiang@webasto.com。