基于DFSS 的某車型風噪評估分析與優化

王毅剛 張文韜 劉玖洋

（1.同濟大學，上海 201804；2.菲亞特克萊斯勒亞太投資有限公司，上海 200241）

1 某車型風噪水平穩健評估

1.1 風噪水平穩健模型確定

穩健性評估是對不同設計概念的系統穩健性進行對標的試驗過程。建立汽車風噪評估模型可從以下幾個方面展開。

1.1.1 確立能量傳輸理想方程

當以“整車”作為評估系統時，整車輸出響應y 與輸入信號M 成正比例關系，可以確立評估R 車型及其競品車型的風噪水平理想方程為動態響應方程，即y=βM[1]。

1.1.2 確立輸入信號和噪聲因子

研究在不同車速下，R 車型及其競品車型的風噪水平。將選用3 種不同風速作為輸入信號M，分別為M1=56mph、M2=70mph 以及M3=87mph。為了貼合穩健性評估中定義的理想函數方程y=βM，研究將以清晰度衰減指數1-AI（%）作為輸出響應y[2]。

1.2 風洞試驗

試驗過程中，風洞邊界層抽吸及移動帶系統關閉，移動帶張緊并用氣吸住，吸緊力0.4kPa。按正交風洞試驗參數表進行風洞試驗，測得清晰度衰減指數1-AI（%）并記錄在正交表內[3]。試驗結果如圖1 所示。

1.3 風噪穩健性評估

六西格瑪設計中，系統穩健性的評價指標是信噪比S/N。S/N 值越高，系統的穩健性越高。根據理想方程，β 代表通過坐標原點到所有點的坐標點的回歸線的斜率。β 值越高，系統對輸入信號M 的能量損失越小。當β 值過高時，通過優化S/N 來確保系統的敏感度處于合適的范圍[4]。

按正交風洞試驗參數表進行風洞試驗，測得清晰度衰減指數1-AI(%)，理想方程為yi=βMi，輸入為風速Mi，輸出值yi為清晰度衰減指數1-AI(%)，β 代表通過坐標原點到所有點的坐標點的回歸線的斜率。β 值越高，系統對輸入信號M 的能量損失越小。當β 值過高時，通過優化S/N 來確保系統的敏感度在合適范圍內。但在實際試驗時，由于清晰度衰減指數只有在較高風速Mi輸入（大于45mph）時才產生[5]，將輸入條件由Mi修正為Mi-45，則理想方程修正為yi=β(Mi-45)。按修正后的理想方程參數計算所得的S/N 值和β 值整理后，分別如圖2 和圖3 所示。圖2 中是對不同車型的測試結果，包括RT（如虎）、odyssey（奧德賽）、Sienna（豐田塞納）、Enclave（昂科威）和Flex（福特福萊克斯）。

2 某車型風噪問題分析

2.1 車身密封風洞試驗設計

選定11 個最影響車身風噪水平的車身密封部位作為控制因子，分別為前風擋-A 柱處（Wind Shield A-pillar Molding），角窗密封條處（1/4 Glass Seal），前后門外把手處（Frt/Rr Door Exterior Handle），C 柱車門導槽處（C-pillar Glassrun），B 柱前門間隙處（B-pillar Frt-Door Cutline），B 柱前門導槽處（B-pillar Frt-Door Glassrun），C 柱后門間隙處（C-pillar Door Cutline），B 柱后門導槽處（B-pillar Rr-Door Glassrun），A 柱 車 門 間 隙 處（A-pillar Door Cutline），后視鏡車門間隙處（Mirror Flag / Pass Through）和尾門頂端間隙處（Liftgate Header Cutline）。利用開窗法原理[6]，測試車身不同密封部位形成的泄漏風噪對車內總噪聲貢獻量的大小。根據修正的理想方程y=β(M-45)，計算可得不同工況下的信噪比S/N 和β 值（控制因子），分別如表1 和表2 所示。其中：n 表示理想方程中y 的個數；r 代表輸入信號Mi的平方和，有；St代表輸出響應yi的平方和，有；Sβ表示β 值對應的方差，為噪聲因子方差，。L1～L11表示11 個最影響車身風噪水平的車身密封部位的工況。

圖1 清晰度衰減指數（1-AI）測量值矩陣

圖2 按修正后理想方程計算所得的S/N 分布圖

圖3 按修正后的理想方程計算所得的β 值分布圖

2.2 風噪水平評估

為了評估R 車型11 個控制因子對整車風噪水平的影響量，計算每種因子的同一水平累加并取平均值，同時將每個因子的間隙處不密封與間隙處用膠帶密封水平的差值Δ填入表格底端。

以駕駛員側的前風擋-A 柱處為例，A 間隙處不密封時（記為A1），計算所得的S/N 均值為：

計算所得的β 均值為：

同理，可得不同控制因子的S/N 均值和β 均值。以駕駛員側控制因子和二排側控制因子為例，不同噪聲因子（乘客座位）下的控制因子對應的S/N 均值與β 均值如表2 ～表5 所示。其中，工況1 和工況2 分別表示間隙處不密封和間隙處用膠帶密封各個控制因子的不同水平時的清晰度衰減指數平均值；Δ 表示每個因子的間隙處不密封和間隙處用膠帶密封時的水平差值。

2.3 風噪優化目標值確定

采集Enclave 和Flex 車型的整車車內語音清晰度衰指數1-AI(%)。A 計權聲壓級、響度以及尖銳度，分別與R 車型的相關參數值進行對比分析。R 車型后排車內風噪的優化目標定義如表6 所示。

表1 R 車型不同工況下的相關參量

表2 駕駛員側控制因子信號和噪聲比均值表

表3 駕駛員側控制因子均值表

表4 二排駕駛側控制因子信號和噪聲比均值表

表5 二排駕駛側控制因子均值表

表6 R 車型風噪問題優化目標值（87mph，0°偏航角）

3 某車型風噪問題穩健設計

3.1 基于決策矩陣方法的設計方案確定

研究選用J 車型為基準斷面，比較其他概念斷面與基準斷面，并使用“+”“S”“-”對可選方案進行排序。如果該車型的密封條相關性能優于基準密封條斷面，則記為“+”；如果性能不如基準斷面，則記為“-”；“S”則代表參考車型與基準車型性能水平相當。最后，將所有的“+”的次數、“-”的次數以及“S”次數做一個總計，分別記在“∑+”“∑-”“∑S”中。權衡過程除了確定最優方案外，還可以發現其他方案較好的方面，為后期結合其他方案做優化設計提供思路。根據決策矩陣，整理幾種尾門密封條斷面性能，結果如表7 所示。其中，概念B、C 的密封條在尾門開閉過程中未接觸頂蓋，其耐刮擦性能優于概念A 且記為“+”，其他性能指標判斷標準類同。R 車型由于沒有尾門頂端密封條，故不考慮安裝形式、裝配性和互換性，以“N/A”示意。

表7 尾門頂端密封條決策矩陣-普式圖

通過決策矩陣分析圖可以明顯看到，W 車型的密封條有3 個“+”，其斷面性能優于其他車型的斷面結構。從斷面結構概念選擇上，選擇W 車型的密封條結構作為研究基礎斷面，在此基礎上對其進行結構優化設計。

3.2 設計方案的驗證與實施

項目組按此參數組合要求制作了手工樣件在R 車型上進行確認驗證，測得R 車型上采用最佳參數的尾門密封條后的車內清晰度衰減指數，并計算出每種工況所對應的β均值和S/N 均值，同時以W 車型的斷面參數A1（舌邊材料類型）、B1（X 向舌邊寬度）、C3（Y 向舌邊長度）和全覆蓋工況為參考進行對比。N1和N2實測值相對于理論值的調整仍然表現了兩種趨勢的噪聲水平，其中N1代表間隙和面差的最優狀況，N2代表間隙和面差的最差狀況。車輛外表面風噪問題分析的理想方程函數為y=βM，其中輸入參數M為風速，輸入參數組合（M1、M2、M3）由風速置換為語音情緒度衰減指數。由于物理試驗時車身的制造公差等，用于試驗的車輛對尾門頂端的間隙面差難以調整至噪聲水平定義的理想值N1和N2，在實際試驗時測得的N1和N2值分別為6.5mm Gap（間隙值）、-3mm Flushness（面差值，平度值）和8.5mm Gap（間隙值）、0mm Flushness（面差值，平度值）。控制因子中，A 表示舌邊材料類型值，B 表示舌邊寬度（X 向），C 表示舌邊長度（Y 向）。結果如表8 所示，最佳參數和參考參數之間的關系如表9 所示。

表8 尾門頂端密封條優化后狀態驗證試驗

表9 最佳參數組合確認試驗結果

在確立了尾門頂端密封條的最佳設計方案后，需要通過制作R 車型適配的密封條樣件對R 車型風噪問題的提升進行物理試驗驗證。

在完成R 車型尾門密封條3D 模型和2D 圖紙的制作及釋放后，密封條供應商根據設計要求加工完成R 尾門密封條樣件。經檢具檢查，密封條相關尺寸符合產品設計定義，同時對尾門鈑金進行手工沖孔，以提供密封條安裝所需的安裝孔。制作完成的帶尾門頂端密封條樣件的尾門總成如圖4 所示。

圖4 R 車型帶尾門密封條的尾門樣件

將制作完成的尾門總成裝到R 車型上并進行風洞試驗驗證，測得在87mph 風速下前排和后排A 計權聲壓級頻譜。通過測試，增加優化后的尾門頂端密封條后，前排A計權聲壓級降低約2dB（A），后排A 計權聲壓級降低約4dB（A），為67.1dB（A）。A 計權聲壓級滿足目標值（67±1）dB（A）。同時，測得優化后的R 車型在87mph車速、0°偏航角的工況下，其后排語音清晰度指數為58.46%，略低于目標值62%±2%。初步分析可能是由于競品車型的后排車窗玻璃采用雙層夾層隔音玻璃所致，由于不涉及到車身外表面間隙泄漏的噪聲，因此針對此因素的影響量將在今后的工作中進行研究。

研究結果說明，經優化后的R 車型后排車內噪聲水平達到了競品車型Enclave 和Flex 的車內噪聲水平，基本達到了研究所設立的優化目標值。

4 結語

以密封條舌邊硬度不高于35HA 的邵氏硬度作為軟材料，對尾門至頂蓋間隙進行整車前后向和整車側向進行全覆蓋，這是最佳設計。通過加裝設計優化后的尾門密封條制作樣件并進行風洞試驗，使R 車型后排A 聲級水平降低到67.1dB（A），語音清晰度指數提高到58.46%。可見，尾門密封條的穩健設計可以滿足R 車型的目標定義，降低了車內風噪水平，提升了客戶滿意度。