增加结构阻尼块对汽车关门声品质提升的分析

王 荣 高志双

吉利汽车研究院(宁波)有限公司 浙江宁波 315336

1 分析背景

客户在现场挑选车辆时,第一步的操作往往是开关车门,关门声品质会直接影响用户对一台车的主观感受,包括高档与低档、运动感与舒适感、悦耳与沉闷等。由此,关门声品质越来越受到汽车制造业界的重视,研究内容包括主观评价、客观衡量指标、特定声品质的实现等[1-3]。

美国福特汽车公司采用尖锐度、响度、振颤等指标来评价关门声品质。尖锐度是噪声频率分布的度量,反映了高频段与低频段声音成分的比例关系。响度是声音强度的度量,考虑了特征频带分布和人耳的掩蔽效应对声音的影响。振颤反映了车门关闭首次冲击时产生音调的持续时间长度[4-6]。除了以上客观评价指标外,往往还要进行主观评价,主观评价从1分到10分进行评分。

关门声品质主观评价评分见表1。

表1 关门声品质主观评价评分

1分到4分表明关门声品质差,绝大多数客户无法接受。5分、6分为过渡阶段,部分客户可接受,而另一些客户无法接受,所以6分为及格线。7分及以上表示关门声品质比较好,大部分客户都可以接受。10分表示关门声品质非常好,无可挑剔,人们对这种声音有极大的满足感[7-9]。

影响关门声品质的因素很多,主要包括关闭力、关闭速度、车门密封条刚度、锁性能、铰链与限位器布置及性能、钣金件刚度、车门内间隙、气流场路径等。设计初期,可以通过控制以上因素提升关门声品质,主要措施包括四方面。第一,控制铰链位置及结构形式。铰链与限位器集成一体,更加有助于减小关闭力,而减小关闭力可有效降低压耳感。第二,提升密封条截面形状、刚度和布置,有助于提升关门声品质,改善关门振颤情况。第三,提升车门钣金件的刚度。车门的模态对关门声品质及关门抖动问题可以起到较大影响。第四,优化车门内间隙,改善气流场环境,从而提升关门声品质。

年款及小改款车型模具与布置基本确定,无法大范围对车身及车门结构进行更改。对此,通过在适当的位置增加结构阻尼块,来提升侧门模态及窗框刚度,为改善关门振颤,提升关门声品质提供了一种新思路。笔者对此进行分析。

2 结构阻尼块仿真模型

以某款车型后门为例,实车感知车门在关闭过程中窗框抖动明显。经计算机辅助工程软件仿真,发现窗框刚度较低。增加结构阻尼块后,窗框刚度提升明显。随后进行的噪声、振动、声振粗糙度指标试验结果表明,结构阻尼块可有效抑制关门振颤,在同等关门速度下,振幅减小约20%。由此建立了车门振颤与窗框刚度的等效关系。

结构阻尼块由骨架、发泡胶构成。骨架一般是塑料材质,可以设计为不同结构形式。发泡胶膨胀后将骨架与钣金件紧密接合,起到提升结构刚度与强度的作用[10]。结构阻尼块仿真模型如图1所示,钣金件与胶、胶与骨架之间采用共节点或RBE3进行连接。

图1 结构阻尼块仿真模型

3 车门仿真模型建立

计算机辅助工程软件分析车门窗框刚度的模型包括白车门及铰链总成,取正常关闭位置,分三种工况进行约束。

工况1为约束车身侧铰链安装点SPC123456,侧门铰链绕铰链轴自由旋转,锁约束SPC2356,但允许绕锁扣旋转,如图2所示。

图2 工况1

工况2为约束车身侧铰链安装点SPC123456,侧门铰链绕铰链轴自由旋转,锁约束SPC2356,但允许绕锁扣旋转,缓冲块约束SPC2法向,如图3所示。

图3 工况2

工况3为约束车身侧铰链安装点SPC123456,侧门铰链绕铰链轴自由旋转,锁约束SPC2356,但允许绕锁扣旋转,窗框下端约束SPC123456,如图4所示。

图4 工况3

三种工况的加载采用同一种方法,即在窗框上均匀选取加载点,在25 mm×25 mm范围内用RBE2连接,分别在耦合点施加100 N力,方向指向车门外侧。

测量加载点在对应加载力方向下投射到车门外板处点的位移,则可以得到窗框刚度。窗框刚度的评价标准为工况1大于30 N/mm,工况2大于40 N/mm,工况3大于70 N/mm。

4 增加结构阻尼块对车门窗框刚度影响

计算机辅助工程仿真发现,车门B、C、D、E位置窗框刚度小,不满足设计目标。在实车感知中,B、C、D、E区域的关门抖动明显。分析结构发现,这一区域支撑不足。在适当位置增加结构阻尼块,进行仿真分析,如图5所示。

图5 增加结构阻尼块位置

增加结构阻尼块后,车门窗框刚度明显提升,结果见表2、表3、表4。尤其是位置1处的结构阻尼块,对窗框刚度的贡献量很大。考虑到成本问题,仅增加位置1的结构阻尼块进行实车验证。

表2 仅增加位置1结构阻尼块刚度提升结果

表3 制动力测试结果

表3 仅增加位置2结构阻尼块刚度提升结果

表4 增加位置1、2结构阻尼块刚度提升结果

5 噪声、振动、声振粗糙度指标试验验证

试验车辆如图6所示。试验车辆状态为空调内循环,测试设备采用八通道便携式数据采集器、关门速度传感器和分析软件。

图6 试验车辆

1.2 m/s关闭速度下,车门窗框右上角的窗框振颤曲线如图7所示,对应位置D,g为重力加速度。试验结果显示,增加结构阻尼胶块之后,振动幅值减小明显。增加结构阻尼块前后,在1.2 m/s的关闭速度下,车内外耳感知到的响度、声压级、尖锐度的变化情况依次如图8、图9、图10所示。

图7 车门窗框振颤曲线

图8 响度变化

图10 尖锐度变化

增加结构阻尼块前后,关门声品质变化情况对比见表5。

表5 关门声品质变化对比

试验表明,增加结构阻尼块有效抑制了关门振颤,对关门声品质的其它指标也有贡献。

6 结束语

结构阻尼块能有效提升车门刚度、模态、碰撞安全性能,近年来正在整车上得到广泛使用。笔者通过计算机辅助工程软件仿真及试验,从两个方面验证了增加结构阻尼块对提升关门声品质的有效性,为汽车车门设计和优化车门性能提供了新思路。