純電動SUV天窗風振的優化控制

盧昕夕 祁貴兵

（愛馳汽車（上海）有限公司）

研究表明，車輛在中低速的行駛過程中，來自動力總成、輪胎、路面的噪聲及機電附件的噪聲會占主導地位；當車速超過100 km/h時，風噪會完全掩蓋動力總成噪聲及路噪[1]，成為車內乘客感受到的主要噪聲源。純電動車型在缺少了來自發動機及其機電附件噪聲的掩蓋之后，風噪越來越凸顯。天窗能夠很好地改進車廂內的氣流循環，增加進氧量，讓乘客親近自然并且提高駕駛體驗[2]。但是，當汽車天窗打開時，除了新鮮的空氣之外，乘客還可以聽到來自頭頂區域發出的嗡嗡的低頻強噪聲。本文針對天窗噪聲，在前期通過CFD軟件仿真來發現問題，初步提出天窗的舒適位置，同時對天窗擾流板的結構進行優化，降低風振的影響，最后通過在風洞中進行實車調試，確定最終的天窗開度舒適位置，提高了整車行駛的舒適性。

1 天窗風振噪聲的形成機理

在汽車高速行駛過程中，當全景天窗打開時，在車頂開口的前部邊緣，來自車外高速流經的氣流與車內相對靜止的氣體之間存在一個剪切層，2個氣流的流速并不相同，而當車內和車外的氣流速度差超過臨界值之后，剪切層就會處于不穩定的狀態，最終形成漩渦，并且周期性地散發，跟隨氣流一起向后運動。當此漩渦撞擊到天窗開口的后端處，漩渦破碎，產生一個向四周傳播的壓力波。傳到車外的一部分壓力到達天窗開口的前端，將再次引發渦旋的脫落，形成反饋回路。整個過程會重復很多次，并且引起剪切層產生一個特定的振動頻率，當頻率和車內聲腔模態發生耦合時，將會產生共振，即天窗的風振現象[3]。它的頻率很低（＜20 Hz），但是強度卻很高（＞90 dB），雖然該噪聲不易被人耳聽到，但它產生的脈動壓力卻使乘客感到厭倦[4]。因此，為了提高乘客乘坐的舒適性，在汽車研發階段，需要考慮天窗風振噪聲帶來的影響，并且制定合適的措施進行優化。

2 建立仿真計算模型

隨著計算機性能的提高和CFD流體分析軟件的快速發展，越來越多的主機廠開始通過CFD計算仿真方式來建立模型，快速評估不同結構、不同設計對于風振的影響，同時通過改變邊界的參數，比如壓力、流速等，來提供詳細的參數指導設計。

本次仿真模型在保證整車上車身和CATIA模型一致的情況下，對整車外造型進行局部的簡化。分別對整車、天窗及頂棚區域進行詳細加密處理。使用最小加密域網格為2 mm，總體網格數量為1.16億，并對天窗全開工況以及舒適位置工況進行比對。

從圖1仿真分析對比結果看，在天窗全開的情況下，氣流吹過擾流板后產生巨大的漩渦，進入車內。而在舒適位置，氣流吹過擾流板后，沒有形成大渦，氣流敲擊到天窗的后部，對車內影響較小。

圖1 天窗開啟狀態氣流圖

3 天窗風振的控制

3.1 天窗擾流板的設計

通過天窗風振的原理可以知道，控制風振噪聲的核心方法就是打破氣流在天窗前后邊緣的運動，從而使氣流不吹到天窗。可以通過在天窗前邊緣增加擾流板來改善風噪，有不同的天窗擾流板方案可供選擇，比如網式、鋸齒式等，同時，在天窗開啟的模式中增加舒適位置，控制其開啟的最大行程。

在設計初期階段，通過風噪checklist數據檢查發現，該車型已經在天窗前邊緣增加了網狀的導風網，風振有所降低，但是天窗導流板擋風網過小，支撐臂暴露在流場之中，產生新的脈動噪聲。

通過溝通，將天窗導流板導風網的R角包覆起來。為了配合擋風網的R角包裹，前梁也進行了相應的更改，穿孔結構順著R角延長，同時導流板也從組合式變更為塑料一體式，如圖2所示。

圖2 天窗擾流板

3.2 天窗舒適位置的設計

在項目早期階段就已經明確了天窗的高度，天窗玻璃自動翹起后的最終停止位置被預設計為全開位置。從性能工程師的角度來說，天窗開口開度越小對風振越有利，而從顧客的角度，全景天窗的開度要足夠大，這樣車內的空氣循環會更好，視野更開闊。

在通過CFD仿真找到天窗開啟的初步舒適位置之后，除了需要要求天窗供應商在天窗電機中增加該擋位之外，還需要通過機械按鈕、觸摸屏或者語音喚醒來實現此功能，確保顧客在使用天窗過程中，能夠讓天窗開度到達舒適位置，而非一次性全部開啟。該純電動車型天窗通過中控屏及語音喚醒來控制，如圖3所示。

圖3 天窗控制界面

4 風振試驗

在通過初期CFD仿真預設天窗開啟舒適位置，采用全包式的網狀擾流板導風條，以及在中控軟件中設定好天窗舒適位置之后，就需要在整車上對天窗的風振進行驗證以及調試。

4.1 天窗全開測試

在測試之前，試驗工程師先通過在車內的主觀評價，來感受風振噪聲量級的大小以及乘員的舒適度，并進行評分（1～9分制）。通過多名NVH工程師的評估，在天窗開啟的過程中，某個車速下，天窗的風振十分的明顯，車內乘客能明顯感受耳膜的壓迫感。在風速緩慢上升的過程中，發現風速在60～70 km/h左右時風振開始出現，在100 km/h時，附件風振噪聲最為嚴重。

在通過主觀評價初步發現問題之后，需要在風洞中通過客觀的試驗數據來準確定位問題點，然后進行優化解決。在風洞中，先將汽車的全景天窗全部打開，將風洞的風速從0緩慢加到120 km/h，在車內通過人工頭來測試整個加速過程中的車內噪聲，通過時域圖來判斷全景天窗風振出現的車速。

通過風速勻加速的工況，可以得出在風速65 km/h左右時，風振開始出現，在風速100 km/h左右時，車內風振噪聲聲壓級最大。

在高速行駛過程中，由于此時風速較高，噪聲較大，乘客通常不會打開天窗。而在中速段，乘客在感受到車內的空氣質量不佳時，通常會打開天窗通風透氣。因此，在該車型后續的天窗風振調試過程中，選取65 km/h的風速來進行調試。

4.2 風振車速下天窗的全開的與全關

通過對比在65 km/h風速下天窗全開與全關的車內噪聲，可以明顯看出風振噪聲的頻率在17 Hz左右，與仿真分析及理論一致。在天窗全開的情況下，17 Hz對應的噪聲峰值為52 dB，而在天窗全關的情況下，17 Hz對應的噪聲峰值僅為30 dB，風振噪聲峰值極大降低，如圖4所示。

圖4 天窗全開/全關對比圖

4.3 風振車速下天窗開啟與關閉過程

為了尋找天窗開啟的舒適位置，除了通過CFD仿真來初步確定位置之外，還需要在出現風振的風速中，通過天窗開啟及關閉的全過程，來找到天窗風振產生位置的臨界點，從而可以確保天窗開度最大，乘客能夠接受。把風速設定為65 km/h來測試天窗開啟及關閉整個過程中的車內噪聲，通過客觀數據查找最合適的開度，如圖5所示。

圖5 天窗開啟/關閉過程

4.4 天窗舒適位置調節

該車型的天窗全開的尺寸為60 cm，在前期通過CFD仿真得到的舒適位置天窗開口尺寸為53 cm，占比為88%，而通過試驗發現的舒適位置臨界開口為54.5 cm，總占比為91%。通過試驗對比了2個開度下的風振噪聲，頻譜圖中發現2個位置下17 Hz的幅值均為30 dB，如圖6所示。通過瀑布圖對比兩者的噪聲能量，可以判定2個位置均能滿足性能要求。考慮到乘客對于全景天窗的追求在于更大、視野更好，故最終設定天窗開啟的舒適位置為試驗調試發現的位置，總開度為91%。

圖6 仿真與試驗舒適位置噪聲對比

5 結論

在分析天窗風振噪聲形成機理的基礎上，以某純電動車全景天窗為例，通過前期的CFD仿真分析發現問題，找到天窗開度的舒適位置，在此基礎上，通過優化天窗擾流板導風網的結構，來降低風振噪聲，同時，通過在中控軟件中增加天窗舒適位置，提升乘客的體驗。