外前圍隔音墊設(shè)計(jì)及鋁箔問(wèn)題優(yōu)化

溫 杰，楊雙雙，張 健，侯 沖，卜 虎，吳勝極

外前圍隔音墊設(shè)計(jì)及鋁箔問(wèn)題優(yōu)化

溫 杰1，楊雙雙1，張 健2，侯 沖1，卜 虎1，吳勝極1

（1.上汽通用汽車有限公司 武漢分公司，湖北 武漢 430200； 2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208）

外前圍隔音墊是保證整車噪音、振動(dòng)和聲振粗糙度（NVH）性能的重要零部件之一，但其表面無(wú)紡布無(wú)法承受過(guò)高溫度，因此，通常需要根據(jù)熱圖在無(wú)紡布外表面覆蓋一層鋁箔，這就帶來(lái)了鋁箔開(kāi)裂及邊緣褶皺等常見(jiàn)的外觀問(wèn)題。文章結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的典型案例，分析外前圍隔音墊表面鋁箔開(kāi)裂及褶皺的原因，并從隔音墊零件的設(shè)計(jì)角度出發(fā)，對(duì)隔音墊的鋁箔開(kāi)裂等問(wèn)題給出了各個(gè)階段的優(yōu)化解決方案，為后續(xù)同類型零件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及問(wèn)題解決提供指導(dǎo)。

隔音墊；鋁箔；NVH

整車噪音、振動(dòng)和聲振粗糙度（Noise, Vibra- tion, Harshness, NVH）[1]性能直接影響客戶的乘車體驗(yàn)，是整車性能的重要一環(huán)，故滿足客戶需求且提升NVH感知質(zhì)量是至關(guān)重要的。前圍外隔音墊是汽車聲學(xué)包的關(guān)鍵部件之一[2]，其吸音性能影響著整車的聲學(xué)性能。

在車輛行駛過(guò)程中，前艙內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣系統(tǒng)等高溫部件將對(duì)周圍零件產(chǎn)生熱輻射[3]，同時(shí)車速和風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)都會(huì)加快熱量向車后方向傳遞，致使隔音墊局部溫度可高達(dá)170 ℃。過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致隔音墊老化，造成性能降低甚至完全失效，故在設(shè)計(jì)時(shí)常選擇在隔音墊外表覆蓋一層鋁箔。但因鋁箔的延伸率較差，易出現(xiàn)開(kāi)裂等外觀問(wèn)題。

本文將圍繞外前圍隔音墊零件的設(shè)計(jì)要求，分析鋁箔出現(xiàn)開(kāi)裂、邊緣不齊等問(wèn)題的原因，并尋找此問(wèn)題的優(yōu)化及解決方案。

1 零件的設(shè)計(jì)要求

對(duì)于整車而言，一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)及排氣系統(tǒng)是前艙內(nèi)的主要噪音源，故其內(nèi)部需要布置大量的聲學(xué)包零件；另一方面，因前艙需布置發(fā)動(dòng)機(jī)、管路等眾多零件，使得空間較為緊湊，布置聲學(xué)包零件極為艱難。而外前圍零件作為前艙面積最大、吸音性能最好的部件，它的存在對(duì)于提升整車NVH性能是至關(guān)重要的。

1.1 外前圍隔音墊的設(shè)計(jì)及要求

為了在保證整車NVH性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化，外前圍隔音墊常選擇雙面覆無(wú)紡布的輕質(zhì)聚氨酯[4]（Polyurethane, PU）（17 kg/m3）材料，其為多孔材料，孔與孔之間互相串聯(lián)[5]，路徑不同扭曲，能較好地耗散噪聲。整車布置時(shí)，不同工況下隔音墊與管路及其他零件的間隙要求不同：相對(duì)靜止時(shí)，其間隙至少為10 mm；相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，隔音墊與運(yùn)動(dòng)包絡(luò)間隙至少為10 mm；若對(duì)手件為制動(dòng)管等重要運(yùn)動(dòng)管路，間隙至少為25 mm。

受限于整車前艙零件的空間布置，某車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱源距聲學(xué)包的平均間隙為40 mm，最小間隙僅23 mm（見(jiàn)圖1）。經(jīng)計(jì)算機(jī)輔助工程（Com- puter Aided Engineering, CAE）熱分析確認(rèn)外前圍表面穩(wěn)態(tài)最高溫度為147 ℃，瞬時(shí)最高溫度達(dá)167 ℃，如圖2和圖3所示。

研究表明：當(dāng)表面無(wú)紡布受熱超過(guò)150 ℃時(shí)，易碳化并與輕質(zhì)PU剝離分層。故要求當(dāng)隔熱墊表面溫度超過(guò)150 ℃時(shí)，需在無(wú)紡布表面再覆蓋一層隔熱材料。鋁箔因隔熱優(yōu)異、輕、無(wú)污染成為首選，它不僅能避免高溫滲入PU基體，還能有效提升零件的美觀度，這就形成了外前圍隔振墊鋁箔-無(wú)紡布-PU-無(wú)紡布的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)。

圖1 隔熱墊與管路間距

圖2 外前圍穩(wěn)態(tài)溫度

圖3 外前圍瞬時(shí)最高溫度

1.2 鋁箔的設(shè)計(jì)及要求

考慮成型性及美觀性，隔音墊外側(cè)的鋁箔常選擇穿孔鼓花鋁箔，關(guān)鍵參數(shù)有穿孔密度、穿孔直徑、鋁箔厚度、鼓花高度、鼓花直徑等。其中，穿孔密度及孔徑直接影響聲學(xué)包零件的吸聲效果，開(kāi)孔率越高、孔徑越大，聲學(xué)包的吸聲性越好，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致鋁箔的隔熱性能降低。鋁箔厚度越厚，聲學(xué)包的吸聲性、隔熱性越好，但成本也越高。故在定義開(kāi)孔率及厚度時(shí)，要考慮吸聲性、隔熱性以及成本之間的均衡。目前常用的鋁箔穿孔密度為24 000個(gè)/m2、孔徑為100 μm，厚度為0.1 mm。

與前面參數(shù)不同，鼓花紋局部存在均勻的小變形，可增大產(chǎn)品的成型性，同時(shí)能使聲波和熱量均產(chǎn)生漫反射，有效防止熱量集中。因此，鼓花紋的高度和直徑不僅影響產(chǎn)品的成型性，還影響前圍隔音墊的性能。目前常用的鼓花高度為 1.8 mm、鼓花直徑為6 mm。其對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度為62 MPa，延伸率為11.3%。除了鋁箔自身的材料參數(shù)外，鋁箔的位置與尺寸也是設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，主要由輻射到零件表面的溫度場(chǎng)所決定。另外，為保證在熱輻射區(qū)域內(nèi)100%覆蓋鋁箔，通常還需要考慮鋁箔的制造及定位公差（±20 mm）。

1.3 復(fù)合成型工藝

為降低零件的制造成本，內(nèi)前圍隔音墊通常選擇一次復(fù)合成型，即鋁箔片材與無(wú)紡布、PU板材同時(shí)放置在模具內(nèi)模壓成型。為保證材料經(jīng)切邊、沖孔后，表面無(wú)紡布能完全包裹白色的PU基材，不產(chǎn)生輪廓邊露白色PU的現(xiàn)象，工藝要求其隔音墊的最佳壓邊厚度為1 mm，壓邊寬度至少為3 mm。

2 零件失效分析

統(tǒng)計(jì)某零部件供應(yīng)商的生產(chǎn)制造問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)鋁箔開(kāi)裂是此類零件的典型缺陷之一。以某款車型的外前圍零件為例（見(jiàn)圖4），在零件試制階段發(fā)現(xiàn)成型后鋁箔中部區(qū)域開(kāi)裂率高達(dá)50%，其開(kāi)裂位置、開(kāi)裂大小基本相同，呈規(guī)律性分布，如圖5所示。此外，在邊沿區(qū)域，100%存在鋁箔邊緣不齊問(wèn)題。

圖4 某款車型的外前圍零件

圖5 鋁箔開(kāi)裂及邊緣問(wèn)題

2.1 前圍隔音墊的設(shè)計(jì)

根據(jù)吸音材料的物性，通常其性能與厚度成正比。但受限于鈑金造型、發(fā)動(dòng)機(jī)、管路及線束等零件的布置，致使留給隔音墊的空間非常狹小，匹配面也非常復(fù)雜，如圖6所示。尤其是當(dāng)前艙鈑金附近的管路與隔音墊還有最小間隙要求時(shí)，會(huì)直接造成隔音墊型面復(fù)雜、縱深大，如圖4所示，該車型局部縱深已超過(guò)33 mm。

圖6 某隔音墊配合界面

2.2 鋁箔成型性

厚度為0.1 mm的鋁箔幾乎無(wú)拉伸性，穿孔鼓花鋁箔的延伸率也僅有11%～11.5%，其拉伸強(qiáng)度為62～65 MPa，這使得其成型性極差，一旦局部斷面的應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度極限時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

而對(duì)于邊沿區(qū)域，縱深大容易導(dǎo)致鋁箔失穩(wěn)彎曲，造成邊緣高低不齊。綜合整車的布置要求、溫度分布及聲學(xué)性能要求，無(wú)法減短鋁箔或更改隔音墊型面；同時(shí)為盡可能降低成本，無(wú)法延長(zhǎng)鋁箔，這導(dǎo)致鋁箔的邊緣無(wú)法均勻分布在同一豎直面。

2.3 成型工藝

目前常采用一次復(fù)合成型工藝，但采用此種工藝，無(wú)法增加定位工裝，導(dǎo)致鋁箔邊緣不齊。

3 優(yōu)化方案及設(shè)計(jì)

3.1 前期優(yōu)化設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)階段，就需要考慮鋁箔的成型問(wèn)題。為避免出現(xiàn)鋁箔開(kāi)裂，型面設(shè)計(jì)時(shí)有以下建議：

1）采用均勻的截面厚度，保證零件型面變化的一致性，零件型面的階差應(yīng)小于10 mm，如圖7所示；2）若造型因要求，無(wú)法減小階差，應(yīng)考慮增加過(guò)渡圓角或臺(tái)階面，避免出現(xiàn)尖角，建議圓角值≥5 mm，如圖8所示；3）在設(shè)計(jì)階段，需設(shè)計(jì)拔模角，使零件截面盡可能平緩，以減少鋁箔的拉延，建議拔模角≥25°，如圖9所示；4）避免在鋁箔的彎折角區(qū)域開(kāi)口或切邊，如圖10所示，容易造成鋁箔局部弱連接繼而發(fā)生開(kāi)裂，如有開(kāi)口或切邊，需保證連接寬度≥20 mm。

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后

圖7 局部截面階梯差

圖8 局部圓角區(qū)域

圖9 拔模角

圖10 彎折區(qū)域切口

對(duì)于鋁箔邊緣不齊問(wèn)題，需避免鋁箔邊緣處于造型突變或豎直拉深區(qū)域附近。若出現(xiàn)此問(wèn)題，優(yōu)先考慮移動(dòng)鋁箔邊緣解決。若鋁箔邊緣無(wú)法更改，則可考慮移動(dòng)隔音墊的造型面，如圖11所示。

圖11 鋁箔邊緣褶皺優(yōu)化

針對(duì)前文某車型零件試制出現(xiàn)的問(wèn)題，根據(jù)型面設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化后實(shí)物產(chǎn)品如圖12所示，鋁箔開(kāi)裂及邊緣不齊問(wèn)題均被解決。

圖12 設(shè)計(jì)優(yōu)化數(shù)據(jù)及實(shí)物

3.2 工藝優(yōu)化

當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)鎖定時(shí)，可通過(guò)優(yōu)化工藝控制解決失效。除采用一次復(fù)合成型工藝外，可增加鋁箔的預(yù)壓成型工裝，通過(guò)減小單次成型的深度和階差，使得鋁箔變形均勻化，減少鋁箔的局部應(yīng)力集中，從而避免鋁箔出現(xiàn)開(kāi)裂。

同時(shí)在預(yù)壓工裝上，還可考慮增加定位工裝及刀口，以解決邊緣不齊問(wèn)題。但此方法將導(dǎo)致零件的工藝時(shí)間和成本增加。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工藝受限，無(wú)法優(yōu)化時(shí)，可通過(guò)局部疊放小面積鋁箔，或?qū)⒋┛卒X箔更改為玻纖鋁箔，即在鋁箔與無(wú)紡布間增加橫縱編織而成的玻纖層，以解決開(kāi)裂問(wèn)題。

3.3 返修措施

基于零件的美觀性需求，可考慮在成型后的局部破損位置粘貼鋁箔紙，但要求其尺寸不能超過(guò)鋁箔總面積的5%，否則將影響零件的吸音性能。

4 總結(jié)

本文從隔音墊零件的設(shè)計(jì)角度出發(fā)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)出現(xiàn)的典型開(kāi)裂及邊緣不齊問(wèn)題，分析其產(chǎn)生的原因，并從設(shè)計(jì)預(yù)防、工藝控制及補(bǔ)救返修三個(gè)階段給出優(yōu)化及解決方案，為隔音墊提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)，并為鋁箔開(kāi)裂問(wèn)題提供解決思路。

[1] 祝丹暉,楊樂(lè),ZHANG C.基于某純電動(dòng)車的低頻制動(dòng)噪聲優(yōu)化研究[J].汽車工程,2021,43(9):1411-1417.

[2] 劉國(guó)杰,王旭初.基于前圍內(nèi)隔音墊NVH性能的材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2018,43(22): 229-234.

[3] 唐海國(guó),黎謙,段大祿,等.基于三維耦合熱保護(hù)仿真技術(shù)的機(jī)艙熱害分析及優(yōu)化[J].裝備制造技術(shù),2021 (3):22-25.

[4] 朱沛英.翼子板隔音墊研究[J].環(huán)境技術(shù),2021,39(3): 217-220.

[5] 操倩,許明春,李子田.一種輕質(zhì)PU隔音墊的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2017(30):115-116.

Design of Outer Dash Insulator and Optimization of Al Foil Issue

WEN Jie1, YANG Shuangshuang1, ZHANG Jian2, HOU Chong1, BU Hu1, WU Shengji1

( 1.SAIC General Motors Company Limited, Wuhan Branch, Wuhan 430200, China; 2.Pan Asia Technical Automotive Center Company Limited, Shanghai 201208, China )

The outer dash insulator is an important part to ensure the noise, vibration, harshness (NVH) performance of the vehicle. However, the non-woven fabric on its surface can not be tolerant of high temperature, so aluminum foil should be covered on its outer surface according to the heat map. This brings the aluminum foil cracking and edge wrinkles and other common appearance problems. Based on the typical cases in actual production process, this paper analyzes the causes of aluminum foil cracking, and from the perspective of the design of insulator, gives the optimization solutions for the aluminum foil cracking of outer dash insulator and other problems at various stages are presented, providing guidance for the subsequent design, development and problem solving of similar parts.

Outer dash insulator; Al foil; NVH

TU112.4

A

1671-7988(2023)22-94-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.022.017

溫杰（1995－），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠噧?nèi)飾零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，E-mail:1353267185@qq.com。