纯电动SUV天窗风振的优化控制

卢昕夕 祁贵兵

（爱驰汽车（上海）有限公司）

研究表明，车辆在中低速的行驶过程中，来自动力总成、轮胎、路面的噪声及机电附件的噪声会占主导地位；当车速超过100 km/h时，风噪会完全掩盖动力总成噪声及路噪[1]，成为车内乘客感受到的主要噪声源。纯电动车型在缺少了来自发动机及其机电附件噪声的掩盖之后，风噪越来越凸显。天窗能够很好地改进车厢内的气流循环，增加进氧量，让乘客亲近自然并且提高驾驶体验[2]。但是，当汽车天窗打开时，除了新鲜的空气之外，乘客还可以听到来自头顶区域发出的嗡嗡的低频强噪声。本文针对天窗噪声，在前期通过CFD软件仿真来发现问题，初步提出天窗的舒适位置，同时对天窗扰流板的结构进行优化，降低风振的影响，最后通过在风洞中进行实车调试，确定最终的天窗开度舒适位置，提高了整车行驶的舒适性。

1 天窗风振噪声的形成机理

在汽车高速行驶过程中，当全景天窗打开时，在车顶开口的前部边缘，来自车外高速流经的气流与车内相对静止的气体之间存在一个剪切层，2个气流的流速并不相同，而当车内和车外的气流速度差超过临界值之后，剪切层就会处于不稳定的状态，最终形成漩涡，并且周期性地散发，跟随气流一起向后运动。当此漩涡撞击到天窗开口的后端处，漩涡破碎，产生一个向四周传播的压力波。传到车外的一部分压力到达天窗开口的前端，将再次引发涡旋的脱落，形成反馈回路。整个过程会重复很多次，并且引起剪切层产生一个特定的振动频率，当频率和车内声腔模态发生耦合时，将会产生共振，即天窗的风振现象[3]。它的频率很低（＜20 Hz），但是强度却很高（＞90 dB），虽然该噪声不易被人耳听到，但它产生的脉动压力却使乘客感到厌倦[4]。因此，为了提高乘客乘坐的舒适性，在汽车研发阶段，需要考虑天窗风振噪声带来的影响，并且制定合适的措施进行优化。

2 建立仿真计算模型

随着计算机性能的提高和CFD流体分析软件的快速发展，越来越多的主机厂开始通过CFD计算仿真方式来建立模型，快速评估不同结构、不同设计对于风振的影响，同时通过改变边界的参数，比如压力、流速等，来提供详细的参数指导设计。

本次仿真模型在保证整车上车身和CATIA模型一致的情况下，对整车外造型进行局部的简化。分别对整车、天窗及顶棚区域进行详细加密处理。使用最小加密域网格为2 mm，总体网格数量为1.16亿，并对天窗全开工况以及舒适位置工况进行比对。

从图1仿真分析对比结果看，在天窗全开的情况下，气流吹过扰流板后产生巨大的漩涡，进入车内。而在舒适位置，气流吹过扰流板后，没有形成大涡，气流敲击到天窗的后部，对车内影响较小。

图1 天窗开启状态气流图

3 天窗风振的控制

3.1 天窗扰流板的设计

通过天窗风振的原理可以知道，控制风振噪声的核心方法就是打破气流在天窗前后边缘的运动，从而使气流不吹到天窗。可以通过在天窗前边缘增加扰流板来改善风噪，有不同的天窗扰流板方案可供选择，比如网式、锯齿式等，同时，在天窗开启的模式中增加舒适位置，控制其开启的最大行程。

在设计初期阶段，通过风噪checklist数据检查发现，该车型已经在天窗前边缘增加了网状的导风网，风振有所降低，但是天窗导流板挡风网过小，支撑臂暴露在流场之中，产生新的脉动噪声。

通过沟通，将天窗导流板导风网的R角包覆起来。为了配合挡风网的R角包裹，前梁也进行了相应的更改，穿孔结构顺着R角延长，同时导流板也从组合式变更为塑料一体式，如图2所示。

图2 天窗扰流板

3.2 天窗舒适位置的设计

在项目早期阶段就已经明确了天窗的高度，天窗玻璃自动翘起后的最终停止位置被预设计为全开位置。从性能工程师的角度来说，天窗开口开度越小对风振越有利，而从顾客的角度，全景天窗的开度要足够大，这样车内的空气循环会更好，视野更开阔。

在通过CFD仿真找到天窗开启的初步舒适位置之后，除了需要要求天窗供应商在天窗电机中增加该挡位之外，还需要通过机械按钮、触摸屏或者语音唤醒来实现此功能，确保顾客在使用天窗过程中，能够让天窗开度到达舒适位置，而非一次性全部开启。该纯电动车型天窗通过中控屏及语音唤醒来控制，如图3所示。

图3 天窗控制界面

4 风振试验

在通过初期CFD仿真预设天窗开启舒适位置，采用全包式的网状扰流板导风条，以及在中控软件中设定好天窗舒适位置之后，就需要在整车上对天窗的风振进行验证以及调试。

4.1 天窗全开测试

在测试之前，试验工程师先通过在车内的主观评价，来感受风振噪声量级的大小以及乘员的舒适度，并进行评分（1～9分制）。通过多名NVH工程师的评估，在天窗开启的过程中，某个车速下，天窗的风振十分的明显，车内乘客能明显感受耳膜的压迫感。在风速缓慢上升的过程中，发现风速在60～70 km/h左右时风振开始出现，在100 km/h时，附件风振噪声最为严重。

在通过主观评价初步发现问题之后，需要在风洞中通过客观的试验数据来准确定位问题点，然后进行优化解决。在风洞中，先将汽车的全景天窗全部打开，将风洞的风速从0缓慢加到120 km/h，在车内通过人工头来测试整个加速过程中的车内噪声，通过时域图来判断全景天窗风振出现的车速。

通过风速匀加速的工况，可以得出在风速65 km/h左右时，风振开始出现，在风速100 km/h左右时，车内风振噪声声压级最大。

在高速行驶过程中，由于此时风速较高，噪声较大，乘客通常不会打开天窗。而在中速段，乘客在感受到车内的空气质量不佳时，通常会打开天窗通风透气。因此，在该车型后续的天窗风振调试过程中，选取65 km/h的风速来进行调试。

4.2 风振车速下天窗的全开的与全关

通过对比在65 km/h风速下天窗全开与全关的车内噪声，可以明显看出风振噪声的频率在17 Hz左右，与仿真分析及理论一致。在天窗全开的情况下，17 Hz对应的噪声峰值为52 dB，而在天窗全关的情况下，17 Hz对应的噪声峰值仅为30 dB，风振噪声峰值极大降低，如图4所示。

图4 天窗全开/全关对比图

4.3 风振车速下天窗开启与关闭过程

为了寻找天窗开启的舒适位置，除了通过CFD仿真来初步确定位置之外，还需要在出现风振的风速中，通过天窗开启及关闭的全过程，来找到天窗风振产生位置的临界点，从而可以确保天窗开度最大，乘客能够接受。把风速设定为65 km/h来测试天窗开启及关闭整个过程中的车内噪声，通过客观数据查找最合适的开度，如图5所示。

图5 天窗开启/关闭过程

4.4 天窗舒适位置调节

该车型的天窗全开的尺寸为60 cm，在前期通过CFD仿真得到的舒适位置天窗开口尺寸为53 cm，占比为88%，而通过试验发现的舒适位置临界开口为54.5 cm，总占比为91%。通过试验对比了2个开度下的风振噪声，频谱图中发现2个位置下17 Hz的幅值均为30 dB，如图6所示。通过瀑布图对比两者的噪声能量，可以判定2个位置均能满足性能要求。考虑到乘客对于全景天窗的追求在于更大、视野更好，故最终设定天窗开启的舒适位置为试验调试发现的位置，总开度为91%。

图6 仿真与试验舒适位置噪声对比

5 结论

在分析天窗风振噪声形成机理的基础上，以某纯电动车全景天窗为例，通过前期的CFD仿真分析发现问题，找到天窗开度的舒适位置，在此基础上，通过优化天窗扰流板导风网的结构，来降低风振噪声，同时，通过在中控软件中增加天窗舒适位置，提升乘客的体验。