車身NVH性能設(shè)計(jì)策略

謝貴山， 趙肖斌， 黃宗斌， 覃鵬飛*， 陳濤， 勞兵

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司， 柳州 545007； 2.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410082)

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，顧客對(duì)車內(nèi)噪聲和振動(dòng)的控制水平關(guān)注度越來(lái)越高，汽車噪聲、振動(dòng)、平順性(noise vibration harshness，NVH)性能目標(biāo)要求也越來(lái)越高。NVH是乘客對(duì)汽車在聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)等方面的主觀感受特性，是衡量汽車品質(zhì)的重要指標(biāo)。NVH性能是最易被顧客感知的汽車性能，在顧客對(duì)汽車抱怨的問(wèn)題當(dāng)中，與汽車NVH相關(guān)的問(wèn)題占比約1/3；在汽車售后問(wèn)題中，與汽車NVH相關(guān)的問(wèn)題占比約1/5。汽車NVH性能是汽車質(zhì)量和性能的一大衡量指標(biāo)，也是影響汽車產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和品牌口碑的重要因素。汽車NVH問(wèn)題主要有：①在30～400 Hz低頻范圍內(nèi)的路面不平度激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳遞至車身，造成方向盤抖動(dòng)、座椅抖動(dòng)，車身結(jié)構(gòu)是NVH的響應(yīng)器，帶動(dòng)空氣振動(dòng)后輻射噪聲至乘員耳朵等問(wèn)題；②高頻(>400 Hz)噪聲由空氣經(jīng)車身縫隙或孔洞傳遞到汽車內(nèi)部。汽車NVH性能通過(guò)NVH實(shí)驗(yàn)室或在道路上進(jìn)行測(cè)試，振動(dòng)信號(hào)是通過(guò)加速度傳感器進(jìn)行測(cè)量，噪聲信號(hào)是通過(guò)麥克風(fēng)進(jìn)行測(cè)量。在汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中，試驗(yàn)與設(shè)計(jì)、仿真的相互緊密結(jié)合，有效提高了NVH開(kāi)發(fā)效率。汽車NVH性能是涉及多系統(tǒng)的復(fù)雜綜合性學(xué)科，基于目前汽車動(dòng)力配置多樣化引起的噪聲、振動(dòng)問(wèn)題復(fù)雜化、突出化，法規(guī)和顧客對(duì)NVH性能的要求越來(lái)越高[1-2]，汽車行業(yè)對(duì)汽車NVH性能控制愈發(fā)重視，中國(guó)汽車車企由于NVH技術(shù)起步晚、積累少，NVH已成為汽車發(fā)展的技術(shù)瓶頸。汽車行業(yè)對(duì)動(dòng)力總成、底盤系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)的NVH技術(shù)研究較多[3-5]，對(duì)車身NVH性能設(shè)計(jì)研究相對(duì)較少而且缺乏系統(tǒng)性設(shè)計(jì)。車身不僅是動(dòng)力總成、底盤、動(dòng)力電池的載體，而且也是噪聲與振動(dòng)的傳遞路徑，車身NVH性能設(shè)計(jì)是汽車NVH性能設(shè)計(jì)中不可忽視的重要一環(huán)。基于對(duì)車身NVH技術(shù)的研究結(jié)合汽車產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)闡述車身系統(tǒng)中的阻尼產(chǎn)品、補(bǔ)強(qiáng)產(chǎn)品、消音產(chǎn)品、車身結(jié)構(gòu)等方面的關(guān)鍵設(shè)計(jì)方法,總結(jié)出提升汽車NVH性能的車身系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。研究成果可為NVH問(wèn)題解決和研究提供幫助，對(duì)有效提高汽車NVH性能、品質(zhì)和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)汽車行業(yè)的發(fā)展有重要的意義。

1 汽車NVH問(wèn)題來(lái)源

汽車NVH問(wèn)題是系統(tǒng)性的問(wèn)題，根據(jù)車身外部噪聲、振動(dòng)源傳播特性分類，一般分為空氣聲、結(jié)構(gòu)聲。外部噪聲振動(dòng)源通過(guò)空氣、固體結(jié)構(gòu)傳遞到車身上，導(dǎo)致車身產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并直接影響到乘客的主觀感受。車身外部噪聲振動(dòng)源還向車外輻射噪聲，引發(fā)噪聲污染。外部激勵(lì)分類為3種噪聲振動(dòng)源：路噪系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲源、動(dòng)力系統(tǒng)的噪聲振動(dòng)源、風(fēng)激勵(lì)引起的噪聲振動(dòng)源。汽車NVH問(wèn)題來(lái)源、傳遞路徑、響應(yīng)之間的關(guān)系如圖1所示。

1.1 動(dòng)力總成激勵(lì)

汽車主要的激勵(lì)源來(lái)自動(dòng)力總成，動(dòng)力總成的振動(dòng)噪聲源來(lái)自熱力過(guò)程的周期性和部分受力桿件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可分為機(jī)械噪聲、燃燒噪聲、空氣動(dòng)力噪聲。機(jī)械噪聲發(fā)生在運(yùn)動(dòng)部件上，在氣缸壓力和運(yùn)動(dòng)部件慣性力的作用下，運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)而引起噪聲；燃燒噪聲發(fā)生在氣缸中，燃燒氣體產(chǎn)生的壓力波沖擊氣缸壁，使得氣缸產(chǎn)生振動(dòng)輻射出噪聲；空氣動(dòng)力噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)周期性進(jìn)氣和排氣引起氣體流動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲，主要發(fā)生在進(jìn)氣口和排氣口位置。動(dòng)力總成的振動(dòng)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、排氣系統(tǒng)掛鉤、進(jìn)氣系統(tǒng)支架傳遞到車身，引起車身振動(dòng)，從而產(chǎn)生車內(nèi)噪聲。

1.2 路面激勵(lì)

汽車在路面上行駛時(shí)，輪胎與路面不斷地局部擠壓和釋放，造成垂向激振力；在汽車行駛過(guò)程中輪胎與路面在接觸面持續(xù)地滾擠、釋放，造成縱向激振力。一般情況下粗糙路面產(chǎn)生的激振力要比光滑平坦路面產(chǎn)生的激振力要大。汽車行駛過(guò)程產(chǎn)生的激振力傳遞到輪胎，再經(jīng)過(guò)輪胎內(nèi)空氣和輪輞的耦合系統(tǒng)傳遞到前后懸架系統(tǒng)，引起懸架控制臂、副車架、扭轉(zhuǎn)梁發(fā)生垂向和縱向的沖擊振動(dòng)，通過(guò)車身上的底盤安裝點(diǎn)傳遞到車身上，最后導(dǎo)致車內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。

1.3 風(fēng)激勵(lì)

汽車在高速行駛時(shí)，與空氣存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，高速氣流作用在車身上，產(chǎn)生風(fēng)噪聲，我們稱這過(guò)程叫風(fēng)激勵(lì)。風(fēng)噪聲按風(fēng)激勵(lì)對(duì)象和變現(xiàn)形式不同來(lái)劃分，可劃分為風(fēng)振噪聲、脈動(dòng)噪聲、空腔噪聲、氣吸噪聲。高速氣流作用在車身上后產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，造成渦流擾動(dòng)的脈動(dòng)噪聲；高速行駛時(shí)氣流通過(guò)由于車內(nèi)外壓差形成的車身縫隙進(jìn)入車內(nèi)產(chǎn)生氣吸噪聲；汽車行駛時(shí)打開(kāi)天窗或側(cè)窗玻璃時(shí)，在窗口位置氣流渦流運(yùn)動(dòng)頻率與車內(nèi)聲腔頻率共振產(chǎn)生風(fēng)振噪聲；高速氣流進(jìn)入車身外部件之間的間隙空腔振蕩進(jìn)而產(chǎn)生空腔噪聲。一般車速達(dá)到70 km/h以上風(fēng)噪會(huì)凸顯，當(dāng)車速達(dá)到130 km/h以上時(shí)風(fēng)噪是汽車噪音的主要部分。

圖1 汽車NVH問(wèn)題來(lái)源、路徑、響應(yīng)關(guān)系圖Fig.1 Automotive NVH problem source, path, response diagram

2 汽車NVH開(kāi)發(fā)流程

汽車NVH開(kāi)發(fā)流程主要分為5個(gè)步驟：目標(biāo)設(shè)定→目標(biāo)分解→設(shè)計(jì)→性能驗(yàn)證→量產(chǎn)，如圖2所示。具體步驟如下。

步驟1在目標(biāo)設(shè)定階段的工作主要是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)目標(biāo)市場(chǎng)的競(jìng)品車型進(jìn)行NVH性能參數(shù)測(cè)試，結(jié)合整車定位、客戶需求、成本要素、發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)等方面制定整車NVH性能目標(biāo)。

步驟2在目標(biāo)分解階段，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)設(shè)定，如對(duì)動(dòng)力、懸架系統(tǒng)設(shè)定連接點(diǎn)的位移量，對(duì)車身系統(tǒng)設(shè)定模態(tài)、聲靈敏度等。通過(guò)各子系統(tǒng)的性能目標(biāo)實(shí)現(xiàn)達(dá)到整車NVH性能目標(biāo)要求。

步驟3對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行3D數(shù)據(jù)建模、CAE(computer aided engineering，CAE)仿真分析、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)測(cè)與評(píng)估、運(yùn)動(dòng)模擬分析設(shè)計(jì)(digital mock up，DMU)檢查、優(yōu)化設(shè)計(jì)。

步驟4在性能驗(yàn)證階段，主要對(duì)樣車在怠速、加速、滑行、勻速、高速等常規(guī)工況下的車內(nèi)振動(dòng)、噪聲、聲品質(zhì)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)試。主觀評(píng)價(jià)是人體對(duì)車內(nèi)聲音和振動(dòng)的主觀生理感受，客觀測(cè)試是通過(guò)數(shù)據(jù)采集器對(duì)樣車在各個(gè)常規(guī)工況下的車內(nèi)振動(dòng)、噪聲和聲品質(zhì)進(jìn)行客觀測(cè)試。

步驟5綜合整車NVH性能狀態(tài)和可靠穩(wěn)定性，確認(rèn)是否達(dá)到整車量產(chǎn)目標(biāo)要求。

對(duì)于不達(dá)標(biāo)NVH性能項(xiàng)進(jìn)行原因分析、制定改進(jìn)措施、仿真分析、方案實(shí)物驗(yàn)證，直至性能滿足量產(chǎn)目標(biāo)要求。

3 車身NVH性能的提升

車身內(nèi)部是乘員艙區(qū)域，汽車的主要系統(tǒng)直接與車身結(jié)構(gòu)相連，如動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)懸置支架安裝到車身上，底盤懸架通過(guò)襯套隔振與車身相連，進(jìn)排氣系統(tǒng)通過(guò)掛鉤和支架與車身連接，因此車身是汽車的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。車身作為外部激勵(lì)的傳播路徑和車內(nèi)結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲發(fā)生體，相比動(dòng)力底盤NVH優(yōu)化可行性而言，在新車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中車身結(jié)構(gòu)具備更大的可操作空間，并且優(yōu)化車身對(duì)其他汽車性能的影響可以預(yù)見(jiàn)和控制，因此車身NVH性能在很大程度上決定了汽車的NVH品質(zhì)。

汽車的NVH問(wèn)題分類和對(duì)應(yīng)措施如圖3所示，車身提高NVH的途徑有：①設(shè)計(jì)合理的車身模態(tài)，實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)模態(tài)的固有頻率避開(kāi)外界激勵(lì)頻率，避免發(fā)生車身與外界激勵(lì)共振問(wèn)題；②提高車身密封性能；③通過(guò)阻尼材料、補(bǔ)強(qiáng)材料、吸聲材料、隔聲材料、低風(fēng)噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方式減少振動(dòng)和降低噪聲。

3.1 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車身NVH指標(biāo)主要有：①車身靜剛度，分別是彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度；②全局/局部模態(tài)；③接附點(diǎn)剛度；④車身NVH傳遞特性，分別是內(nèi)飾車身(TB)的噪聲傳遞函數(shù)(noise transfer function，NTF)、振動(dòng)傳遞函數(shù)(vibration transfer function，VTF)；⑤聲腔模態(tài)。車身結(jié)構(gòu)NVH性能指標(biāo)參考如表1所示。車身結(jié)構(gòu)是10～80 Hz低頻范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)輻射噪聲源，車身的一階彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)應(yīng)避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況的激勵(lì)頻率，避免車身共振。車身結(jié)構(gòu)NVH性能主要與車身框架結(jié)構(gòu)、接頭結(jié)構(gòu)、主截面腔體尺寸、接附點(diǎn)結(jié)構(gòu)有關(guān)，如圖4所示。在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)設(shè)計(jì)完整的車身關(guān)鍵環(huán)路、關(guān)鍵斷面、關(guān)鍵接頭、接附點(diǎn)結(jié)構(gòu)來(lái)提高NVH性能。車身模態(tài)可以通過(guò)基于靈敏度增加車身的扭轉(zhuǎn)剛度、在扭轉(zhuǎn)薄弱處進(jìn)行剛度加強(qiáng)和質(zhì)量重分布來(lái)提高模態(tài)，從而提高NVH性能[6-8]。聲腔模態(tài)主要考察200 Hz以內(nèi)的頻段，一階聲腔模態(tài)容易引起車內(nèi)轟鳴噪聲。聲腔模態(tài)與車內(nèi)空腔大小相關(guān)，無(wú)法改變，車身設(shè)計(jì)只能避開(kāi)車身結(jié)構(gòu)模態(tài)。

圖2 汽車NVH開(kāi)發(fā)流程Fig.2 Automotive NVH development process

圖3 汽車NVH問(wèn)題分類和對(duì)應(yīng)措施Fig.3 Classification of automotive NVH problems and countermeasures

在汽車行車過(guò)程中，接附點(diǎn)(主要是動(dòng)力總成懸置點(diǎn)、底盤懸架安裝點(diǎn)、排氣系統(tǒng)吊點(diǎn))是向車身傳遞振動(dòng)的主要來(lái)源；在車身被激勵(lì)時(shí)，車身上的點(diǎn)，如座椅導(dǎo)軌、方向盤、車身地毯等與肢體接觸部位的振動(dòng)輸出響應(yīng)與輸入激勵(lì)的拉氏變換之比，一般用加速度輸出表示。在車身某處被激勵(lì)時(shí)，車身上的點(diǎn)，如駕駛員右耳處、后排成員耳旁等處的噪聲響應(yīng)，一般用聲壓級(jí)評(píng)價(jià)。車身對(duì)激振源的響應(yīng)越小，NVH性能越好。通常我們改善振動(dòng)和噪聲的響應(yīng)是通過(guò)提高車身接附點(diǎn)的動(dòng)剛度[9-10]，主要方法有：①連接點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先布置在車身框架件，如橫梁、縱梁、加強(qiáng)板的位置；②避免車身接附點(diǎn)的懸臂結(jié)構(gòu)，如無(wú)法避免，應(yīng)盡量減小懸臂長(zhǎng)度；③連接點(diǎn)盡量布置加強(qiáng)筋、加強(qiáng)板，避免設(shè)計(jì)在光板、薄板等容易被激勵(lì)的區(qū)域。

表1 車身結(jié)構(gòu)NVH性能指標(biāo)Table 1 Body structure NVH performance index

圖4 車身結(jié)構(gòu)NVH性能的主要關(guān)鍵設(shè)計(jì)Fig.4 Main key design for NVH performance of body structure

3.2 車身阻尼設(shè)計(jì)

從振動(dòng)與噪聲控制的角度來(lái)看，阻尼可以定義為消耗系統(tǒng)振動(dòng)能量的能力，將系統(tǒng)的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變成熱能或者其他形式的能量而耗散掉，從而抑制了系統(tǒng)的振動(dòng)并降低輻射噪聲。阻尼材料的使用可以有效地降低板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，通過(guò)在車身上施加阻尼可以抑制車身鈑金的振動(dòng)，降低車內(nèi)噪聲，因此阻尼材料被廣泛應(yīng)用于車身上來(lái)提升NVH性能[11-12]。在設(shè)計(jì)階段，采用應(yīng)變能分析找到車身振動(dòng)明顯區(qū)域，圖5為某車型的應(yīng)變能分析結(jié)果，紅色區(qū)域是振動(dòng)明顯區(qū)域，需要針對(duì)性地進(jìn)行阻尼布置設(shè)計(jì)來(lái)減小振動(dòng)。

阻尼材料分為：熱熔瀝青阻尼板、磁性瀝青阻尼板和水性阻尼。瀝青類阻尼材料是常用的阻尼材料，屬于黏彈性阻尼材料。熱熔類片狀阻尼具有熔點(diǎn)低、加熱后有一定流動(dòng)性的特點(diǎn)，一般熱熔類片狀阻尼材料平鋪在白車身地板上，通過(guò)涂裝線烘烤時(shí)材料會(huì)熔化，待冷卻后會(huì)牢固粘貼在地板上。磁吸類片狀阻尼是在黏彈性材料中添加磁粉，使該阻尼具有磁性，通過(guò)涂裝烘烤時(shí)材料會(huì)熔化，冷卻后阻尼材料與鋼板牢固粘合。熱熔瀝青阻尼板不能粘附在立面的板件上，主要是布置在水平的車身地板上。磁性瀝青阻尼板是在瀝青阻尼板中添加磁粉而得到，可以吸附于板件結(jié)構(gòu)上，固常用于垂直的、有斜度、有弧面的區(qū)域，如前隔板、輪轂包、門板、側(cè)圍、頂棚等。車身常見(jiàn)的阻尼布置位置如圖6，在使用阻尼材料之前，應(yīng)當(dāng)注意幾個(gè)方面：在考慮工作環(huán)境溫度及作用頻率范圍的前提下，盡量選取損耗因子較高的阻尼材料；根據(jù)阻尼板材料性能的不同，在不同的位置選用合理的阻尼材料類型；常規(guī)使用的阻尼板厚度1.6～4 mm，可根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)和仿真分析來(lái)確定阻尼板的厚度；在布置阻尼材料之前，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行模態(tài)應(yīng)變能或其他適當(dāng)?shù)姆治龇椒▉?lái)確定阻尼板的厚度、大小、布置位置。

3.3 車身密封設(shè)計(jì)

汽車的氣密性性能是指由于車輛存在各種縫隙而引起泄漏的評(píng)價(jià)指標(biāo)，它是通過(guò)整車氣體泄漏量進(jìn)行量化的評(píng)價(jià)，泄漏量單位是標(biāo)準(zhǔn)立方英尺每分鐘(standard cubic foot per minute，SCFM)，它與車輛的隔離噪音和降低噪音密切相關(guān)。車身氣密性的指標(biāo)一般有白車身及門系統(tǒng)的泄漏量指標(biāo)組成，參考目標(biāo)如表2所示。在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，可采用LeakageMaster泄露路徑仿真軟件對(duì)車身3D數(shù)模進(jìn)行密封性確認(rèn)，對(duì)各個(gè)泄漏點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)、消除、封堵，確保設(shè)計(jì)狀態(tài)達(dá)到子系統(tǒng)NVH目標(biāo)要求。

圖6 車身常見(jiàn)的阻尼設(shè)計(jì)位置Fig.6 Common damping design positions in the body

圖5 某車型的應(yīng)變能分析結(jié)果Fig.5 Strain energy analysis results of a vehicle

車身密封設(shè)計(jì)的原則：①車身盡量少開(kāi)孔；②通往車外的孔必須做密封處理，如地板、側(cè)圍、頂蓋、前圍板區(qū)域的孔需要密封；③間接連通車內(nèi)車外的孔洞需要密封；④通往車外的鈑金搭接邊要有密封膠密封。車身密封主要采用的車身密封膠、涂裝密封膠、膠塞堵蓋、聚氯乙烯(PVC)膠，以車身前圍為例，常用的密封設(shè)計(jì)如圖7所示。車身在實(shí)物驗(yàn)證階段需要做車身氣密性試驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)氣密性測(cè)試設(shè)備檢測(cè)白車身氣體泄漏的泄漏源以及相應(yīng)的泄漏量，判斷車身實(shí)物的密封性是否符合子系統(tǒng)NVH目標(biāo)要求，對(duì)于不符合要求的則要對(duì)泄漏源進(jìn)行涂膠、堵蓋、結(jié)構(gòu)更改等方式封堵，保證車身密封性達(dá)到質(zhì)量目標(biāo)要求，減小外界噪聲傳入乘員艙，提高NVH性能。

表2 車身氣密性要求Table 2 Body air tightness requirements

3.4 車身阻隔設(shè)計(jì)

車身的A、B、C、D立柱和橫梁、門檻等結(jié)構(gòu)都是空心結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、輪胎噪聲、風(fēng)噪會(huì)在腔體里面?zhèn)鬟f，由于安裝和排液等功能需要，這些橫梁和立柱面對(duì)車內(nèi)一側(cè)會(huì)開(kāi)孔，在立柱和橫梁內(nèi)傳遞的聲音就會(huì)通過(guò)這些孔傳遞到車內(nèi)。當(dāng)空氣進(jìn)入車身側(cè)圍腔體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高速的氣流場(chǎng)，產(chǎn)生了噪聲。針對(duì)上述問(wèn)題，車身系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)阻隔產(chǎn)品來(lái)防止噪聲進(jìn)入車內(nèi)，防止空腔共鳴噪聲[13]。阻隔材料是一種發(fā)泡材料，常用的發(fā)泡材料是醋酸乙烯共聚物(EVA)，在腔體大的區(qū)域設(shè)計(jì)有隔斷骨架，常用的骨架材料是聚酰胺材料(PA66)。EVA的原始體積很小，在涂裝高溫烘烤的作用下膨脹，膨脹倍率在8～18倍，PA66耐高溫特性其體積幾乎沒(méi)有變化，膨脹后的EVA將牢牢地卡在通道中間，阻止氣流在梁和立柱的通道中流動(dòng)，從而達(dá)到阻隔聲音的目的。一般側(cè)圍的內(nèi)腔腔體尺寸大，外腔是加強(qiáng)板緊貼外板而造成腔體尺寸小，如圖8所示，所以內(nèi)腔的隔斷塊材料為PA66+EVA，外腔隔斷塊材料為EVA。阻隔材料一般在進(jìn)入涂裝前會(huì)裝配在立柱和梁的相應(yīng)位置在設(shè)計(jì)階段基于聲振全耦合技術(shù)方法，采用有限元和邊界元耦合的方法設(shè)計(jì)隔斷塊的位置、數(shù)量，常見(jiàn)的車身布置位置如圖9所示。車身阻隔材料主要分布在立柱、橫梁等空心結(jié)構(gòu)中，根據(jù)各個(gè)位置在涂裝烘烤時(shí)的溫度選擇低溫、常溫或高溫發(fā)泡類型，以確認(rèn)在車身過(guò)涂裝烘烤工位的時(shí)間、溫度內(nèi)能正常發(fā)泡，與車身鈑金牢固粘接，實(shí)現(xiàn)了車身側(cè)圍空腔的封堵。

圖8 車身的阻隔設(shè)計(jì)Fig.8 Body barrier design

圖9 車身隔斷塊策略Fig.9 Body Partition Block Strategy

3.5 車身補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

由于車身外覆蓋件通常是0.6～0.8 mm厚度的薄板，薄板在外造型平的區(qū)域通常剛度較差，容易被激勵(lì)，需要針對(duì)性的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)來(lái)降低聲學(xué)貢獻(xiàn)量，達(dá)到抑制噪聲的目的。補(bǔ)強(qiáng)材料是通過(guò)提高車身板件的剛度從而提高其固有頻率，避開(kāi)激勵(lì)頻率及聲腔模態(tài)頻率，起到模態(tài)避頻作用以降低車內(nèi)振動(dòng)和噪聲。補(bǔ)強(qiáng)材料主要用于局部剛度較弱的區(qū)域，不僅可減振降噪，同時(shí)可提高板件的抗變形能力，提高安全性能。在設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)主要外覆蓋件如發(fā)動(dòng)機(jī)罩、翼子板、側(cè)圍外板、頂蓋、車門、行李箱蓋進(jìn)行剛度分析，對(duì)剛度弱的區(qū)域進(jìn)行布置補(bǔ)強(qiáng)膠片。補(bǔ)強(qiáng)膠片粘貼在車身鈑金表面，經(jīng)過(guò)涂裝高溫烘烤后，硬化發(fā)泡，提高車身局部的剛度。補(bǔ)強(qiáng)膠片主要用于外覆蓋件區(qū)域，如圖10所示，這些區(qū)域通常是相對(duì)平整的薄板結(jié)構(gòu)，板上面的凹槽、沖筋、支撐等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)相對(duì)較少，板件的剛度較低。

圖10 車身補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)Fig.10 Body reinforcement design

3.6 車身吸聲設(shè)計(jì)

行業(yè)內(nèi)將吸聲系數(shù)大于0.2的材料稱作吸聲材料，吸聲材料可以吸收車內(nèi)聲能量從而降低車內(nèi)的噪聲。汽車上常用的吸聲材料有兩種：泡沫吸聲材料和纖維吸聲材料。吸聲系數(shù)的影響因素有：①結(jié)構(gòu)參數(shù)，指的是吸聲材料的結(jié)構(gòu)因子、流阻、孔隙率；②物理參數(shù)，指的是吸聲材料的厚度、密度；③環(huán)境因數(shù)，指的是吸聲材料的溫度、濕度。當(dāng)溫度降低，整個(gè)吸聲系數(shù)曲線向低頻方向漂移；溫度升高，則向高頻方向漂移。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮吸聲材料的吸聲系數(shù)以針對(duì)不同噪聲源區(qū)域進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，常用吸聲材料是聚丙烯和聚乙烯對(duì)苯二甲酸酯復(fù)合材料(PP+PET)，其吸聲系數(shù)如圖11所示，其測(cè)試材料為2.0 mm厚度，采用阻抗管測(cè)試方法，大管(測(cè)200～1 600 Hz)取樣直徑100 mm，小管(1 600～6 300 Hz)取樣直徑29 mm進(jìn)行測(cè)試，擬合大小管測(cè)試結(jié)果即是該樣件在200～6 300 Hz頻段的吸音系數(shù)。

在選用吸聲材料的設(shè)計(jì)原則：吸聲材料的最佳流阻為100～1 000 Pa·s/m范圍，可通過(guò)改變材料的體積密度實(shí)現(xiàn)流阻的調(diào)整；孔隙率高、孔隙細(xì)小的吸聲材料吸聲效果好；吸聲材料厚度一般小于 30 mm，增加材料厚度可提高材料吸聲系數(shù)；在低頻段提高材料密度可提高吸聲系數(shù)，但在高頻段的吸聲系數(shù)會(huì)降低，設(shè)計(jì)要綜合考慮合理的材料密度；需考慮溫度和濕度對(duì)材料吸聲系數(shù)的影響。吸聲材料主要布置在儀表板、前圍板、頂蓋、側(cè)圍、車門、后輪罩、A/B/C柱等區(qū)域，如圖12所示。

圖11 PP+PET吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果Fig.11 Sound absorption coefficient test results of PP+PET

圖12 車身的吸聲設(shè)計(jì)Fig.12 Body sound absorption design

3.7 車身隔聲設(shè)計(jì)

車身隔聲是通過(guò)結(jié)構(gòu)隔聲、隔聲材料隔聲兩種方式。文獻(xiàn)[14]選取車門主要板件厚度作為變量進(jìn)行優(yōu)化，提高車門隔聲量。隔聲材料阻隔車外噪聲向車內(nèi)的傳播，從而降低了車內(nèi)的噪聲。隔聲材料一般與吸聲材料組合一起使用，其隔聲性能與車身厚度、隔聲材料的吸聲能力、隔聲能力、隔聲材料與車身貼合程度相關(guān)。在設(shè)計(jì)階段選擇隔聲材料時(shí)，在可選擇的范圍內(nèi)，應(yīng)盡量選取面密度大、厚度大、阻尼大的隔聲材料。隔聲產(chǎn)品由吸收層和隔聲層構(gòu)成，吸聲層一般采用聚氨基甲酸酯(PU)泡沫或棉氈材料，隔聲層一般是EVA材料。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮隔聲材料的隔聲量以針對(duì)不同噪聲源區(qū)域進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，對(duì)EVA材料進(jìn)行阻抗管測(cè)試，大管(測(cè)200～1 600 Hz)取樣直徑100 mm，小管(1 600～6 300 Hz)取樣直徑 29 mm 進(jìn)行測(cè)試，擬合大小管測(cè)試結(jié)果即是該樣件在200～6 300 Hz頻段內(nèi)的隔聲量，測(cè)量結(jié)果如圖13所示。車身隔音材料主要布置在儀表板、前圍板、地板、側(cè)圍、車門、輪罩等區(qū)域，如圖14所示。

圖13 EVA的隔聲量測(cè)試結(jié)果Fig.13 Sound insulation test results of EVA

圖14 車身隔聲設(shè)計(jì)Fig.14 Body sound insulation design

3.8 車身低風(fēng)噪設(shè)計(jì)

車身產(chǎn)生風(fēng)噪的主要源頭如圖15所示，車身針對(duì)風(fēng)噪主要從整車造型設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)密封設(shè)計(jì)、局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三方面進(jìn)行[15]。在造型開(kāi)發(fā)階段需要基于造型模型CFD輸入條件進(jìn)行CAE分析汽車空氣動(dòng)力學(xué)性能，采用流體分析軟件對(duì)整車造型進(jìn)行流體預(yù)測(cè)，再用聲學(xué)軟件計(jì)算聲場(chǎng)。造型油泥模型階段也可采用風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行流體預(yù)測(cè)；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段要進(jìn)行風(fēng)噪檢查，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)庫(kù)、對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)、風(fēng)噪原理重點(diǎn)檢查風(fēng)噪敏感區(qū)域的零件，對(duì)零件的段差、間隙、弧度、角度、形狀等參數(shù)進(jìn)行檢查、確認(rèn)；在驗(yàn)證階段進(jìn)行實(shí)車洞試驗(yàn)主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)試、實(shí)車道路風(fēng)噪主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行匹配和校對(duì)。設(shè)計(jì)車身造型應(yīng)符合流線型，改善氣體流動(dòng)狀況，降低風(fēng)阻系數(shù)，避免形成渦流。動(dòng)態(tài)密封是密封條分別在兩個(gè)可以相互移動(dòng)或滑動(dòng)的零件上，主要是在車門、腰線、玻璃導(dǎo)槽、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前擋風(fēng)玻璃、天窗、行李箱蓋區(qū)域，如圖16所示，動(dòng)態(tài)密封是通過(guò)切斷風(fēng)噪傳遞到車內(nèi)的路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)降低風(fēng)噪。局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是對(duì)主要風(fēng)噪源頭區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括如下內(nèi)容。

(1)A柱區(qū)域。設(shè)計(jì)A柱與前擋風(fēng)玻璃的落差做小，A柱傾斜角度做大，降低氣流在該區(qū)域的渦流強(qiáng)度。

(2)后視鏡。與汽車整體造型進(jìn)行詳細(xì)匹配，優(yōu)化幾何形狀，減小凹槽和縫隙特征，降低壓力波動(dòng)，達(dá)到氣流遠(yuǎn)離車窗。

(3)前雨刮。優(yōu)先將雨刮器布置在前擋風(fēng)玻璃流水槽下方，使其行車過(guò)程不受氣流影響避免噪聲；如不能隱藏式布置，可配合發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣做幾何形狀優(yōu)化，使氣流在雨刮器上方偏轉(zhuǎn)。

(4)車底及尾部。車底設(shè)計(jì)導(dǎo)流板及尾部設(shè)計(jì)擾流板、減小渦旋區(qū)域的大小的方式可降低渦旋脈動(dòng)沖擊，降低車輛的阻力和風(fēng)噪。

圖15 汽車風(fēng)噪的主要源頭Fig.15 The main source of car wind noise

圖16 車身動(dòng)態(tài)密封Fig.16 Body dynamic seal

(5)天窗。減少撞擊在天窗的流動(dòng)動(dòng)量。

(6)天線。優(yōu)先推薦內(nèi)置天線結(jié)構(gòu)，消除天線對(duì)風(fēng)噪的貢獻(xiàn)；天線是外部布置的車型，推薦選用鯊魚(yú)鰭等低風(fēng)阻造型形式。

4 結(jié)論

車身NVH性能要從車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、阻尼設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)、阻隔、補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)、吸聲設(shè)計(jì)、隔聲設(shè)計(jì)、低風(fēng)噪設(shè)計(jì)全面考慮，結(jié)合有限元軟件虛擬分析通過(guò)提高車身剛度、結(jié)構(gòu)降噪、密封、吸聲、隔聲性能來(lái)提升車身NVH性能。研究結(jié)果對(duì)車身系統(tǒng)的NVH性能前期設(shè)計(jì)和后期改進(jìn)具有指導(dǎo)作用和借鑒意義。