基于振動傳遞的汽車雨刮噪聲分析

趙湛智

（博世汽車部件（長沙）有限公司）

隨著人們對汽車駕駛舒適度要求的逐漸提高，汽車雨刮噪聲也成為用戶和整車廠衡量舒適度的重要指標。國內外研究人員對汽車雨刮噪聲進行了理論、試驗、仿真等研究，研究領域主要集中在噪聲源：雨刮電機噪聲[1]、傳動齒輪噪聲[2]、雨刮刮片與擋風玻璃的摩擦噪聲[3]及換向折返噪聲[4]。理論上可以從噪聲源控制、傳播途徑控制和接受者保護3 個方面進行噪聲控制。因此在研究雨刮噪聲時，除了控制噪聲源，通過隔振來優化傳播途徑也是不可忽略的途徑。由于雨刮振動傳遞研究涉及雨刮系統供應商和整車廠車身的雙方對接匹配，行業內鮮有這方面的研究，文章通過振動傳遞理論和實例，從噪聲傳遞的角度研究和解決了雨刮噪聲問題。

1 振動傳遞理論

雨刮系統包括雨刮電機、雨刮連桿機構、雨刮刮桿和刮片，如圖1 所示。來自雨刮電機、雨刮系統零件間的間隙、結構共振等的結構噪聲是雨刮系統噪聲的根源。結構噪聲能夠通過擋風玻璃和車身鈑金傳遞到駕駛室內。

圖1 雨刮系統示意圖

隔振就是把振源與連接結構的近剛性連接改成彈性或者阻尼連接，以防止或者減弱振動能量的傳遞，最終達到減振降噪的目的。用插入損失（傳遞路徑連接前后接受體響應的有效值之比）來表征隔振的效果，插入損失越大說明隔振效果越好。根據所選取的接受體響應的不同，相應的有位移插入損失、速度插入損失和加速度插入損失。

雨刮系統彈性和剛性安裝示意圖，如圖2 和圖3所示。F1為振動源（雨刮系統）的擾動力（N）；V1和 V1g分別為彈性和剛性安裝時振動源（雨刮系統）的振動速度（m/s）；F2和V2分別為彈性安裝時傳遞到非剛性車身的力（N）和振動速度（m/s）；F2g和 V2g分別為剛性安裝時傳遞到非剛性車身的力（N）和振動速度（m/s）；Zm，Zr，Zc分別為振動源（雨刮系統）、彈性隔振元件（橡膠墊）和接受體（車身）的機械阻抗。雨刮系統安裝界面，如圖4 所示。從圖4 可知，振動從雨刮系統經由橡膠墊傳遞到車身[5]。

圖2 雨刮系統彈性安裝示意圖

圖3 雨刮系統剛性安裝示意圖

圖4 雨刮系統安裝界面

使用四端參數法分別列出輸入和輸出的關系式：

插入損失（Lr/dB）表示為：

從式（3）可以看出，使用低剛度的橡膠墊和高剛度的車身可以獲得較大的插入損失，減小從雨刮系統傳遞到車身的振動。

2 橡膠墊的應用

某新能源汽車雨刮系統在開發過程中發現，雨刮會產生噪聲，該噪聲來源于雨刮電機，能夠明顯地被坐在駕駛室的用戶感知到。噪聲峰值頻率1 570 Hz 與電機旋轉的24 階頻率一致。車未啟動開啟雨刮時，車內噪聲頻譜圖，如圖5 所示。

圖5 車內雨刮噪聲頻譜圖

經過進一步分析發現，該電機使用在其它車型上時，在車內沒有探測到此類噪聲，并且該電機噪聲是該電機的固有特性，難以在短期內解決噪聲源問題。

由于雨刮系統與車身直接通過橡膠墊連接，重新設計橡膠墊來降低噪聲傳遞，以達到降低車內雨刮噪聲的目的。

根據式（3），更改橡膠墊材料，使用低硬度的橡膠墊來降低剛度以提高插入損失，改善隔振效果。改善前橡膠墊的硬度是Shore A 55，改善后的硬度是shore A 35。改善前后橡膠墊的動剛度數值，如圖6 所示。

圖6 改善前后橡膠墊的動剛度

改善前后的噪聲頻譜圖，如圖7 所示。改善后，24 階噪聲從 21.4 dB（A）降低到 13.8 dB（A），降低了7.6 dB（A），達到了滿意的結果。

圖7 改善前后車內雨刮噪聲頻譜對比

3 車身剛度的應用

在車內評價某雨刮系統噪聲時，噪聲值未達到滿意的結果，經過研究，在750 Hz 處噪聲能夠很明顯地被人耳感知到。

由式（3）可知，提高車身剛度能夠增大插入損失而減少雨刮系統傳遞到車身的振動。

為了便于測量，通常使用錘擊法測量安裝點的動質量來評估車身剛度的影響。動質量測試，如圖8 所示。

圖8 動質量測試示意圖

用力錘敲擊安裝點，用加速度傳感器獲取加速度響應值，獲得動質量Ms為：

式中：F（f）——力錘的敲擊力，N；

f——噪聲頻率，Hz；

a（f）——加速度響應值，m/s2。

動剛度K（f）和動質量Ms（f）之間的關系，如式（5）所示。

實際測試設置，如圖9 所示。車身安裝點改善前后示意圖，如圖10 所示。

圖9 動質量實際測試設置

圖10 車身安裝點改善前后示意圖

對車身安裝點Z 方向進行改善，增加L 型支撐結構后，在180～580 Hz 范圍內，動質量明顯提高，如圖11所示。從圖11 可以看出，優化前在Z 方向的180～580 Hz范圍內，動質量相對較低：-30～-40 dB[kg]。

圖11 改善前后動質量測試結果

改善后車身安裝點的動質量提高，從雨刮系統傳遞到車身的振動噪聲減小，在750 Hz 處噪聲降低了10 dB（A），車內主觀噪聲改善明顯，如圖12 所示。

圖12 改善前后車內雨刮噪聲測試結果

4 結論

低剛度的橡膠墊有助于增大振動傳遞，但是在實際工程實踐中不能無限度地降低，還需要考慮過低的剛度帶來的負面效果，比如雨刮系統不穩定、橡膠墊斷裂等。通過仿真和試驗獲得既滿足振動傳遞的要求，又能保證雨刮性能的剛度。車身雨刮安裝點在設計過程中，安裝點動剛度遠大于橡膠墊的動剛度，可以避免在某些頻率點出現急劇降低的情況。建議整車廠與雨刮系統供應商基于文章所述理論，共同仿真和測試研究，針對本企業的車身情況獲得理想的橡膠墊和車身的動剛度數據，在前期設計中避免噪聲的發生。