電動(dòng)汽車車門聲學(xué)包優(yōu)化解決路徑研究

楊 靖 ，林 奇

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院；2.安徽永鑫汽車制造裝備有限公司，安徽 滁州 239000)

0 引言

電動(dòng)汽車作為新能源汽車重要類型，其發(fā)展規(guī)模已經(jīng)出現(xiàn)趕超燃油汽車的趨勢(shì)。由于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力來(lái)源于電動(dòng)機(jī)，在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的噪音明顯小于燃油汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)，如果按照傳統(tǒng)的燃油車隔音方式設(shè)計(jì)，駕駛員及乘客會(huì)明顯感受到電動(dòng)汽車在噪音控制方面的優(yōu)越性。但是電動(dòng)汽車的續(xù)航能力受限于動(dòng)力電池，要達(dá)到提高續(xù)航能力的目的，除了提高電池性能外，還需要減少車輛自重耗電，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化。而輕量化設(shè)計(jì)通常從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量化材料應(yīng)用、先進(jìn)生產(chǎn)工藝著手[1]。為了平衡電動(dòng)汽車各結(jié)構(gòu)部件聲學(xué)性能和輕量化的矛盾，就需要在原有電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)隔音設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上適當(dāng)進(jìn)行減重優(yōu)化，利用輕量化替代材料和優(yōu)化隔音材料覆蓋位置和面積的方法，達(dá)到改善的目的。

本研究主要針對(duì)某自主品牌電動(dòng)汽車車門進(jìn)行聲學(xué)包優(yōu)化設(shè)計(jì)。聲學(xué)包是控制車內(nèi)高頻噪聲的有效措施，將不同吸、隔聲材料進(jìn)行最優(yōu)組合，不僅可獲得良好的聲學(xué)性能，還能實(shí)現(xiàn)材料的輕量化[2]。目前國(guó)內(nèi)的一些汽車廠商以及科研院校從不同的角度對(duì)聲學(xué)包優(yōu)化進(jìn)行了研究。唐中華等[1]從汽車駕駛員頭部聲壓影響分析著手，提出了多目標(biāo)遺傳算法對(duì)聲學(xué)包材料厚度優(yōu)化。陸彬[2]改進(jìn)制造工藝，采用激光拼焊板、輥壓工藝、烘烤硬化鋼等方式，達(dá)到制造輕量化的目的。劉秀影等[3]針對(duì)電動(dòng)汽車整車聲源和車內(nèi)VTS指標(biāo)分解，提出了將隔音材料由“重層+軟層”改變成“軟層+軟層”的優(yōu)化方法。這些研究一部分在制造中得到了驗(yàn)證，取得了明顯的優(yōu)化效果。但是，目前大多數(shù)研究都是針對(duì)整車，當(dāng)某些電動(dòng)汽車局部構(gòu)造發(fā)生變化時(shí)，仿真結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)偏差。

基于上述分析，對(duì)一款電動(dòng)汽車在換代車型的車門部分進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。在考慮電動(dòng)汽車運(yùn)行特點(diǎn)、駕駛員側(cè)車門和后備車門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)情況下，利用能量統(tǒng)計(jì)分析(Statistical Energy Analysis，SEA)方法，結(jié)合仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，從材料的成本應(yīng)用、隔音材料覆蓋面積和位置等角度優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從實(shí)用層面上達(dá)到減重與隔音性能平衡的目的。本文的分析結(jié)果可為電動(dòng)汽車車門部分的設(shè)計(jì)提供參考。

1 SEA車門模型的建立

SEA方法是通過(guò)能量傳遞分析穩(wěn)態(tài)聲振系統(tǒng)，分析各聲振子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系以及能量流在子系統(tǒng)間傳遞的過(guò)程。由于其計(jì)算有效頻段與聲學(xué)包作用頻段重合度較高，因此適用于聲學(xué)包優(yōu)化分析[4]。

從能量傳遞角度來(lái)看，車門模型單個(gè)子系統(tǒng)參數(shù)用模態(tài)密度和內(nèi)損耗因子來(lái)表達(dá)，模態(tài)密度是子系統(tǒng)吸收和存儲(chǔ)能量能力的參數(shù)，內(nèi)損耗因子是子系統(tǒng)自身對(duì)能量衰減強(qiáng)弱的參數(shù),兩者的平衡方程可轉(zhuǎn)化為分析子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)。在此原理基礎(chǔ)上，為了便于分析車門聲學(xué)包優(yōu)化方法，可將車門子系統(tǒng)分為板件結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和聲腔子系統(tǒng)兩部分，然后建立車門的SEA模型。板件結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)劃分時(shí)，玻璃用平板單元，車門鈑金用曲面板單元建模。聲腔子系統(tǒng)考慮聲源激勵(lì)特點(diǎn)，建立車門內(nèi)腔子系統(tǒng)。

圖1 車門總成SEA系統(tǒng)聲包模型圖

在子系統(tǒng)之間的連接耦合關(guān)系中，部件間可以簡(jiǎn)化為通過(guò)點(diǎn)、線、面?zhèn)鬟f能量，在針對(duì)車門的聲學(xué)包優(yōu)化分析中暫時(shí)忽略車門與車身之間的連接，因?yàn)樵诋a(chǎn)品后期設(shè)計(jì)中會(huì)通過(guò)NVH(Noise，Vibration&Harshness)常用仿真軟件完成子系統(tǒng)自動(dòng)連接處理。

通過(guò)車門子系統(tǒng)模型的物理參數(shù)設(shè)置，將車門玻璃按照非夾層玻璃材料、厚度4 mm，車門鈑金按照1 mm鋼板設(shè)置。在車門板件結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)與車門聲腔子系統(tǒng)基礎(chǔ)上形成SEA模型并覆蓋飾板及吸聲材料，如圖1所示。

在對(duì)車門子系統(tǒng)物理參數(shù)模態(tài)密度和內(nèi)損耗因子解析后，模型建立的效果滿足仿真條件。根據(jù)實(shí)際工作條件需要，在模型上設(shè)置門鎖、落水孔等泄漏部位，可以使仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2 車門聲學(xué)包性能分析

由于電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)與燃油汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作方式不同，因此它們的外部激勵(lì)條件有不同的特征。聲學(xué)包分析是以聲激勵(lì)作為主要主體，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)中產(chǎn)生噪音以高頻為主，而車門受到電動(dòng)機(jī)噪音傳導(dǎo)影響較小，但高頻噪音改善需求高于燃油汽車。駕駛艙內(nèi)受到風(fēng)噪和胎噪影響明顯，車門隔音結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及吸聲材料選用對(duì)改善噪音有明顯作用。

2.1 吸音材料性能分析

圖2 吸音棉吸音性能對(duì)比圖

車門聲學(xué)包性能主要體現(xiàn)在材料樣件的吸聲系數(shù)和隔音性能上。吸聲系數(shù)以0和1為極限，0表示材料無(wú)吸聲能力，1則表示材料可以實(shí)現(xiàn)全吸聲。通常在車門中設(shè)置吸聲材料為吸音棉，吸音棉的吸音性能如圖2所示。

測(cè)試分別選取150 g/m2和450 g/m2兩種不同密度的吸音棉比較，首先從吸聲系數(shù)角度分析，兩種吸音棉均有良好的吸音性能，在中低頻段(<3000 Hz)條件下，450 g/m2吸音棉的吸聲性能要好于150 g/m2，但是在3000 Hz以上，吸聲性能基本相同。

電動(dòng)汽車相對(duì)于燃油汽車而言，噪音主要以中高頻(3000～8000 Hz)為主。考慮到吸聲系數(shù)與材料流阻性能的關(guān)系，電動(dòng)汽車在行駛中，風(fēng)壓從車門泄漏處產(chǎn)生噪音，不同密度的吸音棉流阻性能不同。450 g/m2吸音棉密度大則增加流阻，不利于消除風(fēng)壓帶來(lái)的噪音；相反，150 g/m2吸音棉密度小，流阻小，有利于減弱風(fēng)壓帶來(lái)的噪音。因此，150 g/m2吸音棉更適用于電動(dòng)汽車車門。從重量角度分析，傳統(tǒng)燃油車和早期電動(dòng)汽車的車門通常采用吸音棉整面覆蓋的隔音結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)下，150 g/m2比450 g/m2吸音棉的重量明顯更輕，更有利于輕量化設(shè)計(jì)。

2.2 隔音性能分析

隔音性能分析是在隔音棉隔音結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，將車窗玻璃以及車門工藝泄漏處作為參考因素，根據(jù)分析結(jié)果找出優(yōu)化方案。針對(duì)車門部分，評(píng)價(jià)隔音性能的方法采用傳遞損失法(sound transmission loss，STL)，利用聲強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)，將車門玻璃對(duì)車門隔音性能的影響、吸音棉覆蓋面積對(duì)車門隔音性能的影響以及泄漏處對(duì)隔音性能的影響等方面作為測(cè)試分析目標(biāo)，結(jié)合降本需求，找到解決方法。實(shí)際測(cè)試中，在混響室中設(shè)置不同聲壓級(jí)噪聲，車門放于半消聲室，通過(guò)安裝車門玻璃測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)形成圖3；通過(guò)封閉泄漏孔安裝隔音棉測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)形成圖4;通過(guò)更換不同品牌隔音棉測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)形成圖5；通過(guò)改變隔音棉覆蓋面積測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)形成圖6。

圖3 有無(wú)車門玻璃隔音性能對(duì)比

圖4 無(wú)泄漏狀態(tài)有無(wú)隔音棉性能對(duì)比

2.2.1 車門玻璃的影響

車門在封閉泄漏處(主要是門鎖、揚(yáng)聲器及落水孔等部位)的情況下，對(duì)有車門玻璃和無(wú)車門玻璃分別進(jìn)行了隔音測(cè)試，如圖3所示。從隔音效果看，有玻璃狀態(tài)比無(wú)玻璃狀態(tài)聲壓高出10 dB左右，特別是中高頻4000 Hz后，車門玻璃隔音有明顯變化，證明車門玻璃在整個(gè)總成隔音性能中，處于薄弱環(huán)節(jié)。由于玻璃的材料屬性及廠商的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)需求，在優(yōu)化方案中暫時(shí)排除車門玻璃因素。

由圖4可知，將車門泄漏處封閉，在有隔音棉無(wú)泄漏情況下，隔音效果明顯，有、無(wú)隔音棉的隔音差距在中高頻區(qū)域升高至9 dB。在確定隔音棉的效果后，基于降本需求，對(duì)比3M棉和直立棉隔音性能，見圖5。由圖5可知，兩者隔音性能無(wú)明顯差距，說(shuō)明可以用直立棉代替3M棉。

圖5 兩種隔音棉隔音性能對(duì)比

圖6 不同隔音棉覆蓋率的隔音性能對(duì)比

降本方案考慮從改變隔音棉覆蓋面積進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比隔音棉100%覆蓋率、50%覆蓋率和20%覆蓋率的隔音性能，如圖6所示。因?yàn)樵胍艨赡軓能囬T泄漏處對(duì)內(nèi)部造成影響，所以打開泄漏處，從圖中看出，3種覆蓋率對(duì)于隔音量的影響比較接近，特別是100%覆蓋率和50%覆蓋率在中高頻區(qū)域相差約1 dB,相對(duì)于車門玻璃的影響幾乎可以忽略，因此隔音棉可以在減少一半的基礎(chǔ)上達(dá)到隔音的目的。而覆蓋率為20%時(shí)，隔音棉在車門隔音的貢獻(xiàn)量較大，且成本對(duì)比50%覆蓋率情況下降不明顯，所以作為備選方案。

2.2.2 泄漏處對(duì)隔音的影響

在車門泄漏處隔音性能測(cè)試中，首先封閉門鎖處泄漏，因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行狀態(tài)下門鎖位置沒(méi)有泄漏點(diǎn)。重點(diǎn)考慮車門下部落水孔的影響。如圖7所示，在隔音棉50%覆蓋率的情況下，測(cè)試結(jié)果在中高頻有5 dB差距且處于提升狀態(tài)，落水孔泄漏明顯對(duì)隔音影響較大。因此，可在落水孔處加裝單向閥裝置，在保證排水通暢的前提下，改善隔音效果。

3 改進(jìn)方案實(shí)施

圖7 開閉落水孔的隔音性能對(duì)比

本文對(duì)車門包括后備門進(jìn)行了分析，后備門的分析過(guò)程和結(jié)果與車門基本一致，這里不另做闡述。根據(jù)整個(gè)分析過(guò)程，150 g/m2和450 g/m2吸音棉的吸聲性能在中低頻區(qū)有差別，在中高頻區(qū)差別不明顯，但是在車門存在泄漏的情況下，受到流阻系數(shù)的影響和降低成本的考慮，適合選用中高頻吸聲性能更好、成本更低的150 g/m2吸音棉。

隔音分析中發(fā)現(xiàn),車門玻璃在高頻區(qū)對(duì)隔音性能起明顯的副作用，但是按照玻璃選用標(biāo)準(zhǔn)和材料本身屬性，這一項(xiàng)暫時(shí)無(wú)法改善，因此忽略。隔音棉可以提高隔音性能，但是直立棉和3M棉隔音性能無(wú)明顯差別，而直立棉的成本為3M棉的75%，因此可以用直立棉取代3M棉。從隔音棉覆蓋面積影響隔音性能的情況看，100%覆蓋率與50%覆蓋率的隔音性能十分接近，與20%覆蓋率的隔音性能有一些差距，所以可以將隔音棉覆蓋率調(diào)整為50%，如果對(duì)于成本控制要求更高，也可以將20%覆蓋率作為備選方案，但并不建議。隔音棉具體安裝位置如圖8所示，左圖為駕駛側(cè)車門，右圖為后備門，兩種車門上黑色范圍區(qū)域是覆蓋率50%的隔音棉布局形態(tài)。

圖8 車門聲學(xué)包優(yōu)化圖

在泄漏孔影響隔音性能的測(cè)試中，門鎖、揚(yáng)聲器孔以及線束孔均可能對(duì)隔音性能造成影響，因此在這些結(jié)構(gòu)裝配時(shí)，要注意加強(qiáng)密封工藝處理。而車門落水孔對(duì)于隔音性能影響最明顯，為了達(dá)到堵漏改善隔音的效果并且保證排水正常，可以采用安裝單向閥的方案。

4 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車的聲學(xué)包設(shè)計(jì)優(yōu)化通常需要考慮在滿足使用性能的基礎(chǔ)上兼顧成本開發(fā)。由于電動(dòng)汽車與燃油汽車驅(qū)動(dòng)裝置的不同工作原理，產(chǎn)生不同的激勵(lì)傳導(dǎo)方式，因此電動(dòng)汽車著重在中高頻噪音范圍研究，這與燃油汽車有著較大的區(qū)別。針對(duì)車門聲包材料和結(jié)構(gòu)屬性，通過(guò)仿真結(jié)果制定優(yōu)化方案，在實(shí)際應(yīng)用中可以起到顯著的改善效果。