一种轻质PU隔音垫的设计及应用

操倩+许明春+李子田

摘 要：面对汽车轻量化的需求和车用材料的发展，人们倾向于使用新型的轻质材料达到降低重量和提升性能的目标。作为声学包的部件之一，隔音垫需要具备优良的隔音性能。文章通过对隔音垫新型材料的工艺调研和微观结构分析研究在轻量化的同时提升吸音性能的关键因素，并制作样块进行摸底试验，依托于试验结论有效的支撑数据设计，最终通过实物验证达到预期的目标值。相对于传统的材料，降重率达到60%以上，并获得优异的吸音性能，实现了轻量化工作的真正意义，为客户提供良好的乘坐环境和声品质感受。

关键词：轻量化；吸音性；轻质PU；混响-半消声

中图分类号：U463.9 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）30-0115-02

引言

随着汽车轻量化趋势的发展，声学包逐渐走向“以吸代隔”的趋势，由高密度的隔音材料替换为低密度的多孔吸音材料，轻质且性能优良的材料越来越得到青睐，在汽车领域的应用越来越广泛。隔音垫作为声学包的部件之一，在轻量化的同时也必须具有优异的声学性能，为乘员提供优异的乘坐环境和声品质感受。本文通过材料试验验证在传统树脂毡隔音垫的基础上进行改进，引进轻质PU隔音垫，调研工艺流程及内部结构，分析微观上结构对吸音性的贡献，并探讨如何在轻量化的同时保证优良的吸音性，达到轻量化目标的真正意义。

1 生产工艺

区别于传统的PU发泡，隔音垫使用的PU为开模发泡，自然发泡，无压力，无回弹性，通过切割得到片材，以此形成引擎盖隔音垫模压的基材，而传统的座椅及前围发泡为闭模发泡，高压力，且具有高回弹性，密度根据部件需要调整。故轻质PU密度较低，目前使用的密度均在15kg/m3至18kg/m3之间。

与传统的树脂毡隔音垫相同，得到片材后通过模压模具覆表面面料形成最终的成品。树脂毡大部分只覆表面一层面料即可，也可根据需要覆正反两面面料，而轻质PU需要覆正反两面面料，防止PU破损，吸湿，以及长时间风化后剥落。（如图1）

2 吸音原理

吸音的原理就是声能转化成热能，而热能是产生是微乎其微的，对零部件和整车没有影响。传统的树脂毡为纤维交织而成的结构，工艺流程为PET纤维混合PP纤维和低熔点纤维通过开松、混合、梳理、铺网、针刺形成树脂毡垫，故而微观结构为纤维丝互相缠绕纠结的形态。轻质PU是通过A、B料混合反应而成，微观结构为多孔互联结构，孔与孔之间互相串联，路径不同扭曲。当声波传入进去后，多孔之间类似迷宫的微观结构使能量大幅衰减，从而达到吸音目的。故而从微观结构本身分析，轻质PU相对于树脂毡在吸音性上会更有明显优势。（如图2）

3 吸音性片材测试

为获得不同材料具体的吸音性数值，验证理论结构。用混响-半消声法对传统树脂毡及轻质PU片材的吸音性进行测试验证，轻质PU常用的密度均在15kg/m3～18kg/m3，根据应用在不同部件上选择不同厚度，以下选择常用厚度15mm、20mm、25mm、30mm、35mm进行测试。树脂毡常用克重1200g/m2左右，根据针刺工艺可以做到的范围，厚度可以实现5mm、10mm、15mm、20mm，太薄纤维无法进一步刺紧，太厚纤维无法缠绕连接形成毡垫。分别测试以上共9组片材，得到以下吸音性结果。（如图3）

从测试结果可以看出：轻质PU的吸音性随频率增加响应更快，很快到达较高水平，表现为在中低频阶段相对于树脂毡吸音性明显提高，每个频率上平均高出50%～125%不等，高频阶段两者几乎相当。

我们可以根据吸音特性曲线，根据重量目标，成本目标以及吸音性目标选择合适规格的轻质PU片材来设计隔音垫。在密度相当的情况下，厚度在一定范围内增加，会获得更好的吸音性，但是成本和重量随之进一步增加，所以需要权衡选择。

4 3D设计

确认了面料及PU片材的规格后可以开始进行隔音垫的3D数据制作，以用于引擎盖上的隔音垫为例：

（1）确认覆盖面积，根据引擎盖钣金的型面及尺寸确认隔音垫的外形尺寸；（2）主定位及辅定位确认，根据优先要保证精度的位置或者装配卡扣的操作惯性，确定定位孔的位置；（3）安装点间距确认，传统的树脂毡隔音垫推荐间距在250mm左右，保证安装牢靠且不下塌变形，经过验证轻质PU隔音垫重量较轻，安装点可适当减少也无影响，间距可放宽至300mm左右；（4）结构设计，安装点的位置保证和钣金贴合，其余位置设计3mm左右间隙，保证装配方便性；（5）压变设计，相对于树脂毡隔音垫，轻质PU隔音垫外观更美观在于压变厚度更小，封边美观，边界几乎不可见，不易炸边。具体的压边厚度要根据隔音垫的主体厚度来确定；（6）翻边设计，为了外观装配后更美观，通常会一圈增加反向翻边结构，通过和钣金干涉，达到装配后无缝隙的效果。

5 实物吸音性验证

根据3D数据开发一款隔音垫，利用混响-半消声法进行检测，经过两轮次PU内部孔隙率的适应性调整，对照当初输入的目标值，吸音性达成，且远远高于目标值。（如图4）

在孔隙率调整的过程中发现随着孔隙率的上升，PU内部开孔率提高后吸音性逐渐提高，在微觀结构上，此为一大影响因素。

6 推广应用

目前轻质PU根据不同部件的功能特性可应用在引擎盖隔音垫和前围隔热垫上，可实现降重60%左右且不影响性能。应用在前围隔热垫上后，除了吸音性之外，还要保证隔热性不降低。

7 结束语

本文通过对吸音性原理的分析，对不同规格的片材进行摸底对比测试，用理论结果支撑实际设计，最终验证达到预期的目标值且远优于目标值。为轻量化工作提供了科学且有效的实施方向，深入轻量化的真正本质，在降重的同时保证产品性能，提升车型的产品竞争力，为客户提供经济、舒适的产品方案。

参考文献：

[1]周燕.摩擦噪声与降噪技术研究[D].机械科学研究总院，2006.

[2]陈汉全.全水发泡聚氨酯泡沫的制备及纳米改性的研究[D].武汉理工大学，2007.

[3]曾月莲.聚氨酯硬质泡沫塑料降噪性能的研究[D].机械科学研究总院，2007.endprint