外前圍隔音墊設計及鋁箔問題優化

溫 杰，楊雙雙，張 健，侯 沖，卜 虎，吳勝極

外前圍隔音墊設計及鋁箔問題優化

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.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201208）

外前圍隔音墊是保證整車噪音、振動和聲振粗糙度（NVH）性能的重要零部件之一，但其表面無紡布無法承受過高溫度，因此，通常需要根據熱圖在無紡布外表面覆蓋一層鋁箔，這就帶來了鋁箔開裂及邊緣褶皺等常見的外觀問題。文章結合實際生產過程中出現的典型案例，分析外前圍隔音墊表面鋁箔開裂及褶皺的原因，并從隔音墊零件的設計角度出發，對隔音墊的鋁箔開裂等問題給出了各個階段的優化解決方案，為后續同類型零件的設計開發及問題解決提供指導。

隔音墊；鋁箔；NVH

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

在車輛行駛過程中，前艙內的發動機、排氣系統等高溫部件將對周圍零件產生熱輻射[3]，同時車速和風扇產生的風都會加快熱量向車后方向傳遞，致使隔音墊局部溫度可高達170 ℃。過高的溫度會導致隔音墊老化，造成性能降低甚至完全失效，故在設計時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，易出現開裂等外觀問題。

本文將圍繞外前圍隔音墊零件的設計要求，分析鋁箔出現開裂、邊緣不齊等問題的原因，并尋找此問題的優化及解決方案。

1 零件的設計要求

對于整車而言，一方面，發動機及排氣系統是前艙內的主要噪音源，故其內部需要布置大量的聲學包零件；另一方面，因前艙需布置發動機、管路等眾多零件，使得空間較為緊湊，布置聲學包零件極為艱難。而外前圍零件作為前艙面積最大、吸音性能最好的部件，它的存在對于提升整車NVH性能是至關重要的。

1.1 外前圍隔音墊的設計及要求

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

受限于整車前艙零件的空間布置，某車型發動機艙熱源距聲學包的平均間隙為40 mm，最小間隙僅23 mm（見圖1）。經計算機輔助工程（Com- puter Aided Engineering, CAE）熱分析確認外前圍表面穩態最高溫度為147 ℃，瞬時最高溫度達167 ℃，如圖2和圖3所示。

研究表明：當表面無紡布受熱超過150 ℃時，易碳化并與輕質PU剝離分層。故要求當隔熱墊表面溫度超過150 ℃時，需在無紡布表面再覆蓋一層隔熱材料。鋁箔因隔熱優異、輕、無污染成為首選，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-無紡布-PU-無紡布的常見結構。

圖1 隔熱墊與管路間距

圖2 外前圍穩態溫度

圖3 外前圍瞬時最高溫度

1.2 鋁箔的設計及要求

考慮成型性及美觀性，隔音墊外側的鋁箔常選擇穿孔鼓花鋁箔，關鍵參數有穿孔密度、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包零件的吸聲效果，開孔率越高、孔徑越大，聲學包的吸聲性越好，但同時也會導致鋁箔的隔熱性能降低。鋁箔厚度越厚，聲學包的吸聲性、隔熱性越好，但成本也越高。故在定義開孔率及厚度時，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/m2、孔徑為100 μm，厚度為0.1 mm。

與前面參數不同，鼓花紋局部存在均勻的小變形，可增大產品的成型性，同時能使聲波和熱量均產生漫反射，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。其對應的拉伸強度為62 MPa，延伸率為11.3%。除了鋁箔自身的材料參數外，鋁箔的位置與尺寸也是設計時需要重點關注的內容，主要由輻射到零件表面的溫度場所決定。另外，為保證在熱輻射區域內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 復合成型工藝

為降低零件的制造成本，內前圍隔音墊通常選擇一次復合成型，即鋁箔片材與無紡布、PU板材同時放置在模具內模壓成型。為保證材料經切邊、沖孔后，表面無紡布能完全包裹白色的PU基材，不產生輪廓邊露白色PU的現象，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

統計某零部件供應商的生產制造問題，發現鋁箔開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（見圖4），在零件試制階段發現成型后鋁箔中部區域開裂率高達50%，其開裂位置、開裂大小基本相同，呈規律性分布，如圖5所示。此外，在邊沿區域，100%存在鋁箔邊緣不齊問題。

圖4 某款車型的外前圍零件

圖5 鋁箔開裂及邊緣問題

2.1 前圍隔音墊的設計

根據吸音材料的物性，通常其性能與厚度成正比。但受限于鈑金造型、發動機、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，匹配面也非常復雜，如圖6所示。尤其是當前艙鈑金附近的管路與隔音墊還有最小間隙要求時，會直接造成隔音墊型面復雜、縱深大，如圖4所示，該車型局部縱深已超過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的鋁箔幾乎無拉伸性，穿孔鼓花鋁箔的延伸率也僅有11%～11.5%，其拉伸強度為62～65 MPa，這使得其成型性極差，一旦局部斷面的應力超過其強度極限時，便會出現開裂現象。

而對于邊沿區域，縱深大容易導致鋁箔失穩彎曲，造成邊緣高低不齊。綜合整車的布置要求、溫度分布及聲學性能要求，無法減短鋁箔或更改隔音墊型面；同時為盡可能降低成本，無法延長鋁箔，這導致鋁箔的邊緣無法均勻分布在同一豎直面。

2.3 成型工藝

目前常采用一次復合成型工藝，但采用此種工藝，無法增加定位工裝，導致鋁箔邊緣不齊。

3 優化方案及設計

3.1 前期優化設計

在設計階段，就需要考慮鋁箔的成型問題。為避免出現鋁箔開裂，型面設計時有以下建議：

1）采用均勻的截面厚度，保證零件型面變化的一致性，零件型面的階差應小于10 mm，如圖7所示；2）若造型因要求，無法減小階差，應考慮增加過渡圓角或臺階面，避免出現尖角，建議圓角值≥5 mm，如圖8所示；3）在設計階段，需設計拔模角，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域開口或切邊，如圖10所示，容易造成鋁箔局部弱連接繼而發生開裂，如有開口或切邊，需保證連接寬度≥20 mm。

(a) 優化前

(b) 優化后

圖7 局部截面階梯差

圖8 局部圓角區域

圖9 拔模角

圖10 彎折區域切口

對于鋁箔邊緣不齊問題，需避免鋁箔邊緣處于造型突變或豎直拉深區域附近。若出現此問題，優先考慮移動鋁箔邊緣解決。若鋁箔邊緣無法更改，則可考慮移動隔音墊的造型面，如圖11所示。

圖11 鋁箔邊緣褶皺優化

針對前文某車型零件試制出現的問題，根據型面設計參數優化后實物產品如圖12所示，鋁箔開裂及邊緣不齊問題均被解決。

圖12 設計優化數據及實物

3.2 工藝優化

當產品設計鎖定時，可通過優化工藝控制解決失效。除采用一次復合成型工藝外，可增加鋁箔的預壓成型工裝，通過減小單次成型的深度和階差，使得鋁箔變形均勻化，減少鋁箔的局部應力集中，從而避免鋁箔出現開裂。

同時在預壓工裝上，還可考慮增加定位工裝及刀口，以解決邊緣不齊問題。但此方法將導致零件的工藝時間和成本增加。

在產品設計及工藝受限，無法優化時，可通過局部疊放小面積鋁箔，或將穿孔鋁箔更改為玻纖鋁箔，即在鋁箔與無紡布間增加橫縱編織而成的玻纖層，以解決開裂問題。

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鋁箔總面積的5%，否則將影響零件的吸音性能。

4 總結

本文從隔音墊零件的設計角度出發，結合實際生產出現的典型開裂及邊緣不齊問題，分析其產生的原因，并從設計預防、工藝控制及補救返修三個階段給出優化及解決方案，為隔音墊提供設計指導，并為鋁箔開裂問題提供解決思路。

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

[2] 劉國杰,王旭初.基于前圍內隔音墊NVH性能的材料及結構優化方案研究[J].汽車實用技術,2018,43(22): 229-234.

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

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

[5] 操倩,許明春,李子田.一種輕質PU隔音墊的設計及應用[J].科技創新與應用,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，研究方向為汽車內飾零件結構設計，E-mail:1353267185@qq.com。