汽車小天窗風振研究及優化

侯宇丹 侯兆平

摘? 要：為了得到滿足用戶感知要求的汽車小天窗風振效果，針對當前SUV現有小天窗擋風條結構，開展基于PowerFLOW的汽車天窗風振噪聲仿真分析，得到特定車速下的流場數據和駕駛員耳旁聲壓數據。在原車型仿真結果基礎上對擋風條結構優化設計，按影響參數采用正交實驗分析，進行各設計方案的仿真、實車對比研究。數值仿真、實車測試、主觀感知得到的結果在整體趨勢上一致，數值仿真結果顯示最佳優化方案聲壓級在峰值頻率點下降17.8dB（A）；路試結果顯示，該方案聲壓級最大降低21.9dB（A），主觀感知不到風振，表明了優化方案的有效性。

關鍵詞：風振；正交設計；聲壓級；數值仿真；優化設計

中圖分類號：U467.4+93? ? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2023）02-0034-05

Study and Optimization on Wind Vibration of Small Skylight

HOU Yu-dan1? ，HOU Zhao-ping2

（1. Jilin University，Changchun 130026， China；2.Saic-gm-wuling Automobile Co.， LTD，Liuzhou 545007， China）

Abstract： In order to obtain the wind vibration effect of a small automobile sunroof that meets the users perception requirements， the wind vibration noise simulation analysis of the automobile sunroof based on PowerFLOW was carried out according to the existing small sunroof windscreen structure of the vehicle， and the flow field data and the sound pressure data near the drivers ear at a specific speed were obtained.On the basis of the simulation results of the original model， the optimal design of the windshield plate structure is carried out. According to the influence parameters， the orthogonal experimental analysis is used to carry out the simulation of each design scheme and the comparison study of the real vehicle.The results obtained by numerical simulation， real vehicle test and subjective perception are consistent in the overall trend， and the numerical simulation results show that the sound pressure of the best optimization scheme decreases by 17.8 dBA at the peak frequency point.The road test results show that the maximum sound pressure level of the proposed scheme is reduced by 21.9 dBA， and the wind vibration is not perceived subjectively， indicating the effectiveness of the optimized scheme.

Key Word： Wind Vibration; Orthogonal Design; Sound Pressure Level; Numerical Simulation; Optimal Design

侯宇丹

畢業于吉林大學2020級電氣工程及其自動化專業本科，獲2021-2022學年國家獎學金，第十三屆全國大學生數學競賽一等獎。

1? ? 前言

近年來，隨著汽車尤其新能源汽車越來越普及，用戶對汽車使用舒適度的要求越來越高。NVH體驗受到用戶普遍關注，氣動噪聲對駕駛員及乘客造成的困擾表現較為突出，其中天窗風振噪聲不斷得到行業重視、研究、解決。

汽車小天窗風振現象表現為汽車低速行駛時，保持天窗全開，當車輛起步緩加速至20km/h～50km/h區間，會產生頻率18Hz左右，聲壓級50dB（A）以上的壓力脈動，有特別強烈的壓耳感，嚴重影響乘客艙內的舒適性能。

目前國內外對天窗風振現象的研究大都是基于仿真、風洞試驗加實車驗證的方式進行，尚雷[1]、古正氣[2]等通過仿真分析的手段提出了降低風振方案，楊振東[3]、黃磊[4]等則從風洞試驗的角度驗證了風振優化方案，黃麗那[5]從道路試驗的角度開展了風振噪聲研究。仿真應用有不同的流體分析軟件做支撐，風洞試驗成本較高，實車驗證相對簡便易行且更接近用戶體驗。行業內尚無明確的標準限定風振現象的分析及控制方法。

本文根據公司現有條件，采用基于Power FLOW的汽車天窗風振噪聲仿真分析，同時考慮到改變天窗尺寸對車內噪聲改變較大，但其對開發成本、進度影響顯著。故在不考慮改變天窗尺寸前提下對擋風條進行研究改進以改善風振效果。根據仿真分析結果，針對小天窗擋風條當前結構參數，應用六西格瑪方法，開展質量屋分析，正交實驗設計，再針對不同設計方案開展仿真分析，制作快速樣件路試驗證，結合仿真、道路測試、主觀評價，得到滿意的優化方案。

2? ? 小天窗風振噪聲現狀分析

2.1? ?仿真分析

在數模階段進行小天窗風振噪聲性能仿真分析，可對設計狀態聲學性能水平進行有效評估，對可能存在的設計風險進行預測，并及時做出有效的設計優化方案。有限元分析依次分為前處理、求解和后處理三個步驟。要求采用的軟件分別為前處理軟件ANSA、PowerDELTA，求解軟件PowerCASE、PowerFLOW和后處理軟件PowerACOUSTICS、PowerVIZ。

基于上述方法針對當前SUV車型進行仿真分析，在（30/35/40）km/h三個典型切片條件下（15-20）Hz區域存在峰值及對應渦流，試車反映為特定工況車內聲腔共振、壓耳膜，即風振現象，見下圖1車內噪聲仿真分析，取典型車速35km/h：

2.2? ?實車分析

當前SUV在典型車速35km/h狀態下，采集駕駛員內耳麥克風處數據，在（15-20）Hz處存在明顯的風振現象，見下圖2車內噪聲測試瀑布圖：

當前SUV在典型車速35km/h狀態下（15-20）Hz處存在明顯的聲壓級峰值，見下圖3車內噪聲測試頻譜圖：

實車測試反映的數據趨勢與仿真一致，且與主觀感知狀態吻合。

3? ? 擋風條參數優化方案設計及驗證

3.1? ?當前擋風條設計狀態

基于六西格瑪質量屋及普氏分析，不考慮變更天窗尺寸前提下，擋風條結構設計是風振最為敏感項，包括天窗擋風條高度（相對白車身）、天窗擋風條角度（迎風面與X向夾角）、天窗擋風條導流槽數量/寬度/深度設計等，當前結構設計如圖4示：

當前擋風條結構設計參數表如表1：

3.2? ?擋風條優化設計方案分析及驗證

基于仿真驗證的總結及結構布局的可行性，設定優化設計的參數如下表2：

噪聲因子反映在車速偏差方面，取車速N1=35km/h，N2=40km/h，代表風振合理偏差敏感工況，在此基礎上開展5因子2水平正交設計，計算駕駛員內耳聲壓級，單位dB（A），對應仿真計算結果如下表3：

為了驗證仿真分析與實車測試的一致性，特制作3D快速樣件，輔助以油泥模型及彈簧角度調整的方法，開展實車測試工作，具體方案如下圖5：

實車測試的信息如下表4所示，對應結果為不同噪聲因子駕駛員內耳聲壓級dB（A）。

針對風振現象的主觀評價方法如下表5所示。

針對風振現象的主觀評價結果如下表6所示。主觀評價分值計算方法：5名評價人員對不同方案風振效果分別打分，計算均值，作為各方案主觀評價最終得分。

4? ? 試驗對比分析

針對優化參數設計后的擋風條， 結合仿真、測試、主觀評估的數據統計，對比分析見下表7：

分析結果顯示，方案1為最佳方案，仿真、測試、主觀評價高度統一，方案一對應仿真分析結果與原車比較如下圖6所示。

方案1對應實車測試結果與原車比較如下圖7所示：

結? ? 論

a.當前SUV車型小天窗風振問題最佳優化方案為方案1，該方案擋風條高度、角度不變，僅對導流槽數量、寬度、深度進行優化，不影響整車外觀美觀。具體優化參數見表8：

b.當前售前、售后都有小天窗風振相關訴求的反饋，通過對汽車小天窗風振現象研究及優化，明確小天窗風振控制的重要性；

c.通過本次研究可以初步建立風振對應仿真工況及控制指標；

d.本次研究表明風振仿真、測試、主觀感知具備高度一致性，后續可以通過仿真分析的手段在項目初期對風振性能評估優化，避免后期改進成本；

e.本次針對SUV車型小天窗風振現象的研究及優化可推廣應用于CAR、MPV車型，應用過程中因整車腔體、姿態、外觀等發生變化，可能會存在問題的反復，需要進一步研究。

參考文獻：

[1]尚雷，董立強，徐文斌，等.帶紗網導流的汽車天窗風振噪聲仿真研究[J].汽車工程學報.2021，11（2）：137-141.

[2]古正氣，劉壯志，楊振東，等.汽車風振噪聲的空氣射流結構優化[J].中國機械工程. 2021，33（6）：681-688.

[3]楊振東，古正氣，謝超，等. 汽車天窗開槽擾流器的降噪機理試驗研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2018，45（2）：26-33.

[4]黃磊.汽車天窗風振問題的研究[J].噪聲與振動控制，2009，4（2）：38-41.

[5]黃麗那，藍志坤，孫冰寒，等.汽車天窗風振噪聲的道路試驗研究[J].汽車零部件，2018，11：34-36.

專家推薦語

康潤程

國家汽車質量檢驗檢測中心（襄陽）

NVH專業副總師? 研究員級高級工程師

本文針對某SUV現有小天窗擋風條結構，開展了基于PowerFLOW的汽車天窗風振噪聲仿真分析，得到了特定車速下的流場數據和駕駛員耳旁聲壓數據。然后在原車型仿真結果基礎上對擋風條結構進行優化設計，按影響參數采用正交實驗分析，進行各設計方案的仿真、實車對比研究。數值仿真、實車測試、主觀感知得到的結果在整體趨勢上一致：最佳優化方案聲壓級在峰值頻率點下降明顯，主觀感知不到風振，優化方案有效。

全文結構完整，論點明確、理論正確、論據有效、邏輯性強、可讀性強。有創新和較好的學術水平，有很好的實際應用價值。