一種輕質PU隔音墊的設計及應用

操倩+許明春+李子田

摘 要：面對汽車輕量化的需求和車用材料的發展，人們傾向于使用新型的輕質材料達到降低重量和提升性能的目標。作為聲學包的部件之一，隔音墊需要具備優良的隔音性能。文章通過對隔音墊新型材料的工藝調研和微觀結構分析研究在輕量化的同時提升吸音性能的關鍵因素，并制作樣塊進行摸底試驗，依托于試驗結論有效的支撐數據設計，最終通過實物驗證達到預期的目標值。相對于傳統的材料，降重率達到60%以上，并獲得優異的吸音性能，實現了輕量化工作的真正意義，為客戶提供良好的乘坐環境和聲品質感受。

關鍵詞：輕量化；吸音性；輕質PU；混響-半消聲

中圖分類號：U463.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）30-0115-02

引言

隨著汽車輕量化趨勢的發展，聲學包逐漸走向“以吸代隔”的趨勢，由高密度的隔音材料替換為低密度的多孔吸音材料，輕質且性能優良的材料越來越得到青睞，在汽車領域的應用越來越廣泛。隔音墊作為聲學包的部件之一，在輕量化的同時也必須具有優異的聲學性能，為乘員提供優異的乘坐環境和聲品質感受。本文通過材料試驗驗證在傳統樹脂氈隔音墊的基礎上進行改進，引進輕質PU隔音墊，調研工藝流程及內部結構，分析微觀上結構對吸音性的貢獻，并探討如何在輕量化的同時保證優良的吸音性，達到輕量化目標的真正意義。

1 生產工藝

區別于傳統的PU發泡，隔音墊使用的PU為開模發泡，自然發泡，無壓力，無回彈性，通過切割得到片材，以此形成引擎蓋隔音墊模壓的基材，而傳統的座椅及前圍發泡為閉模發泡，高壓力，且具有高回彈性，密度根據部件需要調整。故輕質PU密度較低，目前使用的密度均在15kg/m3至18kg/m3之間。

與傳統的樹脂氈隔音墊相同，得到片材后通過模壓模具覆表面面料形成最終的成品。樹脂氈大部分只覆表面一層面料即可，也可根據需要覆正反兩面面料，而輕質PU需要覆正反兩面面料，防止PU破損，吸濕，以及長時間風化后剝落。（如圖1）

2 吸音原理

吸音的原理就是聲能轉化成熱能，而熱能是產生是微乎其微的，對零部件和整車沒有影響。傳統的樹脂氈為纖維交織而成的結構，工藝流程為PET纖維混合PP纖維和低熔點纖維通過開松、混合、梳理、鋪網、針刺形成樹脂氈墊，故而微觀結構為纖維絲互相纏繞糾結的形態。輕質PU是通過A、B料混合反應而成，微觀結構為多孔互聯結構，孔與孔之間互相串聯，路徑不同扭曲。當聲波傳入進去后，多孔之間類似迷宮的微觀結構使能量大幅衰減，從而達到吸音目的。故而從微觀結構本身分析，輕質PU相對于樹脂氈在吸音性上會更有明顯優勢。（如圖2）

3 吸音性片材測試

為獲得不同材料具體的吸音性數值，驗證理論結構。用混響-半消聲法對傳統樹脂氈及輕質PU片材的吸音性進行測試驗證，輕質PU常用的密度均在15kg/m3～18kg/m3，根據應用在不同部件上選擇不同厚度，以下選擇常用厚度15mm、20mm、25mm、30mm、35mm進行測試。樹脂氈常用克重1200g/m2左右，根據針刺工藝可以做到的范圍，厚度可以實現5mm、10mm、15mm、20mm，太薄纖維無法進一步刺緊，太厚纖維無法纏繞連接形成氈墊。分別測試以上共9組片材，得到以下吸音性結果。（如圖3）

從測試結果可以看出：輕質PU的吸音性隨頻率增加響應更快，很快到達較高水平，表現為在中低頻階段相對于樹脂氈吸音性明顯提高，每個頻率上平均高出50%～125%不等，高頻階段兩者幾乎相當。

我們可以根據吸音特性曲線，根據重量目標，成本目標以及吸音性目標選擇合適規格的輕質PU片材來設計隔音墊。在密度相當的情況下，厚度在一定范圍內增加，會獲得更好的吸音性，但是成本和重量隨之進一步增加，所以需要權衡選擇。

4 3D設計

確認了面料及PU片材的規格后可以開始進行隔音墊的3D數據制作，以用于引擎蓋上的隔音墊為例：

（1）確認覆蓋面積，根據引擎蓋鈑金的型面及尺寸確認隔音墊的外形尺寸；（2）主定位及輔定位確認，根據優先要保證精度的位置或者裝配卡扣的操作慣性，確定定位孔的位置；（3）安裝點間距確認，傳統的樹脂氈隔音墊推薦間距在250mm左右，保證安裝牢靠且不下塌變形，經過驗證輕質PU隔音墊重量較輕，安裝點可適當減少也無影響，間距可放寬至300mm左右；（4）結構設計，安裝點的位置保證和鈑金貼合，其余位置設計3mm左右間隙，保證裝配方便性；（5）壓變設計，相對于樹脂氈隔音墊，輕質PU隔音墊外觀更美觀在于壓變厚度更小，封邊美觀，邊界幾乎不可見，不易炸邊。具體的壓邊厚度要根據隔音墊的主體厚度來確定；（6）翻邊設計，為了外觀裝配后更美觀，通常會一圈增加反向翻邊結構，通過和鈑金干涉，達到裝配后無縫隙的效果。

5 實物吸音性驗證

根據3D數據開發一款隔音墊，利用混響-半消聲法進行檢測，經過兩輪次PU內部孔隙率的適應性調整，對照當初輸入的目標值，吸音性達成，且遠遠高于目標值。（如圖4）

在孔隙率調整的過程中發現隨著孔隙率的上升，PU內部開孔率提高后吸音性逐漸提高，在微觀結構上，此為一大影響因素。

6 推廣應用

目前輕質PU根據不同部件的功能特性可應用在引擎蓋隔音墊和前圍隔熱墊上，可實現降重60%左右且不影響性能。應用在前圍隔熱墊上后，除了吸音性之外，還要保證隔熱性不降低。

7 結束語

本文通過對吸音性原理的分析，對不同規格的片材進行摸底對比測試，用理論結果支撐實際設計，最終驗證達到預期的目標值且遠優于目標值。為輕量化工作提供了科學且有效的實施方向，深入輕量化的真正本質，在降重的同時保證產品性能，提升車型的產品競爭力，為客戶提供經濟、舒適的產品方案。

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