天窗電機運行噪聲解耦試驗研究及噪聲優化評價方法

劉杰 馮浩

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

主題詞：電動天窗 噪聲解耦 試驗 評價方法

1 前言

汽車電動天窗前、后排框架上裝有驅動玻璃板或遮陽簾運行的電機，會引入振動噪聲。目前在售車型的車身和天窗之間鮮見柔性解耦措施，天窗電機與車頂鈑金間的振動噪聲解耦效果一般，天窗電機運行時易引起車頂鈑金共振，使整車的NVH 性能惡化。為解決這一問題，本文提出橫向筋和縱向筋2 種噪聲解耦方案，通過試驗驗證其噪聲解耦的有效性，并借助本文提出的噪聲優化評價方法，研究解耦裝置各影響因素對解耦效果影響的顯著性。

2 天窗電機運行噪聲解耦

天窗電機運行噪聲傳遞路徑如圖1所示：電機轉子高速轉動產生不平衡振動，碳刷與換向器高速摩擦也會引起振動，二者和其他因素結合引起電機整體振動，該振動通過電機固定螺栓在天窗前、后排框架上擴散，并通過天窗前、后排固定螺栓傳遞到車頂加強框，最終引起車頂鈑金的鼓面振動。

圖1 天窗電機運行噪聲傳遞路徑

天窗電機需要通過齒輪精準地輸出動力，因此在電機的固定螺栓處解耦，會影響電機輸出動力，最終影響天窗運行。另外，天窗前、后排框架多為背面加筋的單層或多層小面積蓋板結構，傳遞到此處的振動，鼓面放大效果并不明顯。因此在電機的固定螺栓處添加解耦措施是不合適的。

天窗前、后排框架固定螺栓是將振動傳遞到車頂鈑金的關鍵位置，在此處解耦可以消除或減弱車頂鈑金的鼓面振動，因此選擇在此處解耦。

天窗電機運行噪聲解耦裝置主要包括解耦件和支撐件，該裝置在天窗前、后排框架上的安裝方式如圖2 所示：解耦件9嵌在天窗前、后排框架11與鈑金連接的安裝孔1～安裝孔8內，支撐件10安裝在解耦件9內部。天窗與車頂鈑金裝配時，緊固螺栓12依次壓緊支撐件10、解耦件9、天窗前、后排框架11、車頂鈑金，在實現天窗前、后排框架與鈑金固連的同時，柔性的解耦件可以吸收或緩和電機的振動，從而改善天窗電機運行噪聲問題。

圖2 天窗電機運行噪聲解耦裝置示意

支撐件由11SMnPb30 鋼制成，解耦件由Shore A 20～60 硬度范圍內的硅橡膠制成，可以起到高頻減振作用。解耦件通孔內壁有若干條橫向或縱向筋，該結構允許解耦件內壁與支撐件外壁的接觸力動態變化，在軸向或徑向具有柔性，起到軸向或徑向解耦的作用。另外，考慮到車輛在寒冷環境下使用的情況，硅橡膠在低溫條件下也有較好的柔性，可起到解耦作用。2種形式的解耦件如圖3所示。

圖3 解耦件和支撐件示意

支撐件下部的法蘭帶有錐度，在壓緊解耦件的同時，支撐件與解耦件的接觸力在軸向也可以動態變化，起到軸向解耦作用。在解耦件和支撐件的共同作用下，該裝置可以在多個方向將天窗電機的振動與車頂鈑金解耦，起到減振降噪作用。

3 天窗電機運行噪聲解耦試驗

3.1 噪聲解耦裝置有效性試驗

如圖2a 所示，天窗前、后排框架有8 個與車頂鈑金連接的安裝孔位。本文所述的天窗玻璃板和遮陽簾電機分別安裝在孔2、孔3 以及孔6、孔7 之間。為了驗證天窗電機運行噪聲解耦裝置的有效性，針對遮陽簾電機運行噪聲解耦，設計如表1 所示的對比試驗。其中，對照組E使用原車螺栓剛性連接，為無解耦狀態，E去除后排框架4顆螺栓，僅靠天窗左右導軌上的螺栓與車頂連接，是一種完全解耦的理想狀態。前排框架4個固定螺栓均為剛性連接。

表1 天窗電機運行噪聲解耦裝置有效性試驗表

試驗前，將天窗玻璃板和遮陽簾電機換裝成噪聲明顯的問題件，將某型SUV車頂切割，在半消聲室中按照表1中E～E依次進行天窗電機運行噪聲測量試驗。為測量駕駛員和乘客頭部耳旁位置的噪聲，在車頂左前和右后側天窗下方30 cm 處布置麥克風，如圖4 所示。分別記錄遮陽簾開啟和關閉工況下，前、后2 個麥克風所測量的聲壓級時程，并對其進行噪聲頻域分析。噪聲聲壓級（Sound Pressure Level）定義為：

圖4 天窗運行噪聲測試情況

式中，為采樣點聲壓有效值；為參考聲壓，即人的聽覺下限聲壓，取=2×10Pa。

3.2 正交試驗因素選擇

本文選擇解耦件邵氏硬度、法蘭邊緣厚度、支撐件外徑、橫向筋圓角、縱向筋圓角及其數量作為試驗因素，部分因素如圖5 所示。法蘭邊緣厚度可以控制法蘭面的錐度（法蘭根部尺寸不變），從而控制解耦件與支撐件在軸向的接觸力；支撐件外徑可以控制解耦件筋條與支撐件配合的過盈量；縱向筋的均布數量和筋圓角可以控制解耦件與支撐件的徑向接觸力。

圖5 各因素示意

3.3 橫向筋解耦裝置正交試驗

為了研究解耦件硬度、支撐件法蘭錐度、解耦件內壁橫向筋過盈量、橫向筋圓角等因素對天窗電機運行噪聲解耦效果的影響，針對只有1 條橫向筋的解耦件，設計如表2 所示的四因素三水平正交試驗。F～F每組分別使用8個相同橫向筋解耦裝置，將其安裝在圖2所示的8 個孔處，開關玻璃板和遮陽簾時，測量其動態聲壓均方根值。

表2 橫向筋解耦裝置正交試驗表

3.4 縱向筋解耦裝置正交試驗

為了研究解耦件硬度、支撐件法蘭錐度、解耦件內壁縱向筋數量、縱向筋圓角等因素對天窗電機運行噪聲解耦效果的影響，針對縱向筋解耦件，設計如表3 所示的四因素三水平正交試驗。與3.3節類似，G～G每組分別使用8個相同的縱向筋解耦裝置，將其安裝在圖2中的8 個孔處，開關玻璃板和遮陽簾時，測量其動態聲壓均方根值。

表3 縱向筋解耦裝置正交試驗表

4 天窗電機運行噪聲解耦裝置關鍵影響因素分析

4.1 噪聲解耦裝置有效性分析

3.1 節對應的試驗結果如圖6所示，分別展示了遮陽簾開、關工況下2 個麥克風測量的聲壓級頻譜。由圖6可見，在后排框架與車頂鈑金采用4個螺栓剛性連接的情況下，麥克風采集的聲壓級峰值集中在500～1 000 Hz范圍內，且人耳對1 000 Hz的聲音最為敏感，與該遮陽簾電機的主觀噪聲評價較差的情況一致。

圖6 遮陽簾開、關工況2個麥克風測量的聲壓級頻譜

由于人腦對瞬時聲壓幅值波動不敏感，但對動態聲壓的均方根值（RMS）敏感，因此計算4組試驗工況的聲壓級，匯總結果如表4所示。由表4可知：完全去除4顆固定螺栓是一種理想的解耦情況，對照組E的聲壓級都處于較小水平；使用2個解耦裝置時（E）的聲壓級介于剛性連接和無任何連接的完全解耦狀態之間；使用4個解耦裝置時（E）的聲壓級較使用2個解耦裝置時（E）小，與去除4 顆固定螺栓的完全解耦狀態幾乎相當，且該解耦裝置在500～2 000 Hz 的頻段具有明顯的降噪效果。由此可見：該解耦裝置對天窗電機運行噪聲解耦有效，使用4個解耦裝置時的噪聲水平優于使用2個解耦裝置時的噪聲水平。

表4 橫向筋解耦裝置有效性試驗聲壓級 dB(A)

4.2 噪聲優化評價方法

本文采用加權均方誤差對試驗測量結果進行處理。在解耦裝置優化噪聲水平基礎上，其值越大，解耦效果越好。定義式為：

式中，為評價結果，即A 計權聲壓級的加權均方誤差；為3.3 節和3.4 節橫、縱向筋解耦裝置正交試驗中玻璃板和遮陽簾開關工況下左前、右后麥克風的測量次序，且當取奇數時代表左前麥克風測量值，當取偶數時代表右后麥克風測量值；=8 為一組解耦裝置噪聲測量總數；W為不同位置測得的A 計權聲壓級的權重系數，W=（當取奇數），W=（當取偶數）；依次取原車剛性連接狀態E第次測得的A計權聲壓級；=1,2,…,9為F～F或G～G9組正交試驗，為第組樣件的第次測量值。

4.3 橫向筋解耦裝置關鍵影響因素分析

3.3 節對應的試驗結果如表5 所示。其中，樣件組E是在前后排框架與車頂之間使用8 顆螺栓剛性連接狀態下測量的聲壓級。

表5 橫向筋解耦裝置正交試驗聲壓級 dB(A)

針對天窗電機不同布置方案和不同級別車型，噪聲優化評價準則應體現出差異：當玻璃板電機和遮陽簾電機都布置在天窗前排框架或針對A0 和A 級車時，＞；當玻璃板電機和遮陽簾電機都布置在后排框架或針對B和C級車時，＜；當玻璃板電機和遮陽簾電機分別布置在前后排框架或車型因素不重要時，=。為了研究工程實踐中可能出現的上述3種全部情況，本文分別取歸一化的權重系數=2/3、=1/3，==1/2，=1/3、=2/3討論解耦裝置降噪效果及各影響因素的顯著性。使用式（2）對表5中的測量結果進行分析，繪制如圖7所示的不同權重時橫向筋解耦裝置噪聲優化評價結果。綜合表5和圖7不難發現，9組橫向筋解耦裝置均有噪聲優化效果，且在=1/3、=2/3時，噪聲優化評價結果更好，故橫向筋解耦裝置對后排遮陽簾電機運行噪聲有較大改善。

圖7 不同權重橫向筋解耦裝置噪聲優化評價結果

根據文獻[11]提供的方法，對表5 中的測量結果進行直觀分析，并繪制各因素的影響趨勢，如圖8 所示。綜合對比圖8可見，不論評價方法中權重系數、取值如何，影響解耦裝置噪聲優化的因素從顯著到不顯著的排序依次為解耦件硬度、橫向筋圓角、法蘭邊緣厚度、支撐件外徑，說明該噪聲優化評價方法可以客觀反映不同解耦裝置影響因素的顯著性，而與權重系數的選擇無關。解耦件硬度對噪聲優化的影響最大，并且硬度值取45 時，噪聲優化效果最好。針對橫向筋解耦裝置，并非解耦件硬度越小越好，這與解耦件橫向筋結構有關。取橫向筋圓角=0.5 mm 時，噪聲優化效果最好，說明橫向筋圓角越小，橫向筋軸向接觸力越小，越接近完全解耦的狀態。

圖8 不同權重時橫向筋解耦裝置影響因素趨勢

4.4 縱向筋解耦裝置關鍵影響因素分析

3.4節對應的試驗結果如表6 所示。使用式（2）對表6中的測量結果進行分析，繪制如圖9所示的不同權重縱向筋解耦裝置噪聲優化評價結果。綜合表6和圖9可以看出，9 組縱向筋解耦裝置均有噪聲優化效果，且在=1/3、=2/3 時，噪聲優化評價結果更好。更重要的是，對比圖7和圖9可見，多個縱向筋解耦裝置的噪聲優化評價結果普遍較單個橫向筋解耦裝置的評價結果大，說明多個縱向筋解耦裝置比單個橫向筋擁有更加優異的噪聲優化性能。

表6 縱向筋解耦裝置正交試驗聲壓級 dB(A)

圖9 不同權重縱向筋解耦裝置評價結果

同上，對表6 中的測量結果進行直觀分析，并繪制各因素的影響趨勢圖，如圖10所示。

圖10 不同權重時縱向筋解耦裝置影響因素趨勢

由圖10 可見，不論評價方法中權重系數、取值如何，影響解耦裝置噪聲優化的因素從顯著到不顯著的排序依次為解耦件硬度、法蘭邊緣厚度、縱向筋數量、縱向筋圓角，說明該噪聲優化評價方法同樣適用于縱向筋解耦裝置。解耦件硬度對噪聲優化的影響最大，并且硬度值越小，越接近完全解耦的狀態，噪聲優化效果越好。法蘭邊緣厚度=1 mm 時，縱向筋與該法蘭錐面的接觸狀態最優，噪聲優化效果最好；縱向筋數量越少，解耦件越接近完全解耦狀態，噪聲優化效果越好。

5 結束語

本文通過天窗電機運行噪聲解耦裝置有效性試驗和影響因素正交試驗，并借助天窗噪聲優化評價方法研究了天窗電機運行噪聲解耦裝置的有效性和相關影響因素的顯著性，可以得出以下結論：

a.本文提出的橫向筋和縱向筋解耦裝置和原車剛性連接狀態相比均有噪聲優化效果。

b.本文提出的噪聲優化評價方法可以客觀反映橫向筋和縱向筋解耦裝置各影響因素的顯著程度，定性分析結果不隨權重系數取值而改變。

c.多個縱向筋解耦裝置的降噪效果明顯優于單個橫向筋解耦裝置，影響縱向筋解耦裝置降噪效果因素分類，依據顯著性從高到低依次為：解耦件硬度、法蘭邊緣厚度、縱向筋數量、縱向筋圓角。