1 概述

    近年來(lái)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)迅速發(fā)展，中國(guó)已成為世界上最大的汽車(chē)生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，天窗版汽車(chē)成為多數(shù)購(gòu)車(chē)者的首選,主要因?yàn)樘齑澳軌蛴行У厥管?chē)內(nèi)空氣流通，增加新鮮空氣的進(jìn)入，為車(chē)主帶來(lái)健康、舒適的享受。同時(shí)汽車(chē)車(chē)窗也可以開(kāi)闊視野，也常用于移動(dòng)攝影攝像的拍攝需求。隨著汽車(chē)安全性、動(dòng)力性的提升，消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)舒適性也有了較高的要求，天窗作為汽車(chē)的重要組成部分，其N(xiāo)VH (Noise、 Vibration、Harshness)性能對(duì)乘員的舒適性有重要的影響。

    2 汽車(chē)天窗噪聲

    當(dāng)天窗產(chǎn)生振動(dòng)和噪音的時(shí)候，首先必須尋找天窗振動(dòng)噪音源及產(chǎn)生機(jī)理，然后針對(duì)各種振動(dòng)噪音源采取相應(yīng)對(duì)策。天窗噪聲振動(dòng)激勵(lì)源主要有：發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)、路面激勵(lì)、風(fēng)扇等旋轉(zhuǎn)機(jī)械激勵(lì)、風(fēng)激勵(lì)、摩擦和撞擊激勵(lì)。下面將簡(jiǎn)單的介紹這些振動(dòng)源和應(yīng)對(duì)措施。

    2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)和路面噪聲等振動(dòng)源

    汽車(chē)在使用的過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)和路面等激勵(lì)通過(guò)車(chē)輛的傳動(dòng)系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)車(chē)身傳給天窗，若天窗的模態(tài)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和路面等激勵(lì)的頻率重合，將會(huì)導(dǎo)致明顯的振動(dòng)或因?yàn)檎駝?dòng)產(chǎn)生異響，如怠速的轟鳴聲，加速時(shí)天窗的抖動(dòng)等等，這些天窗的問(wèn)題都會(huì)影響乘員的舒適性，從而影響消費(fèi)者對(duì)整車(chē)質(zhì)量的評(píng)價(jià)。因而，在天窗開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，天窗的模態(tài)是成為一個(gè)關(guān)鍵的考核指標(biāo)。

    在整車(chē)開(kāi)發(fā)前期階段，為了使各個(gè)系統(tǒng)的模態(tài)分離和解耦，必須制定整車(chē)模態(tài)規(guī)劃表來(lái)嚴(yán)格規(guī)范各個(gè)子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。因此在天窗前期開(kāi)發(fā)階段也必須基于整車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型，怠速范圍，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，道路情況和天窗等因素，確定天窗各在各個(gè)狀態(tài)下的頻率，必須滿(mǎn)足一個(gè)重要的基本原則：天窗的固有頻率與激勵(lì)頻率之間要差3Hz以上。

    發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)源 ：對(duì)于汽車(chē)常用的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，通怠速轉(zhuǎn)約為750 ～850r/min, 其怠速時(shí)的頻率為25～28 Hz 。加速和巡航時(shí)候的轉(zhuǎn)為1000~6000r/min, 其激勵(lì)頻率為33.3~200Hz。

    路面與輪胎激勵(lì) ：與汽車(chē)行駛速度和輪胎尺寸大小有關(guān)，第一階動(dòng)不平衡激勵(lì)頻率一般為10~20Hz。

    旋轉(zhuǎn)機(jī)械激勵(lì)源 ：風(fēng)扇、發(fā)電機(jī)水泵等旋轉(zhuǎn)械通過(guò)車(chē)身傳給天窗,其中風(fēng)扇的激最為常見(jiàn)。風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速范圍一般為1500~3000r/min, 對(duì)應(yīng)的一階動(dòng)平衡頻率為25.5~50Hz。

    2.2 風(fēng)激勵(lì)引起的噪聲振動(dòng)源

    在長(zhǎng)時(shí)間的駕駛過(guò)程中，天窗打開(kāi)可以改善車(chē)內(nèi)的空氣質(zhì)量,但是天窗的打開(kāi)會(huì)引起氣動(dòng)噪聲，它的頻率低（<20Hz）強(qiáng)度卻很高（>100dB）,雖然它不易被人耳聽(tīng)到，但是它產(chǎn)生脈動(dòng)壓力卻使駕乘人員感到煩躁和疲倦，影響駕乘的舒適性。由于天窗打開(kāi)后，車(chē)廂內(nèi)形成空腔。車(chē)外高速的氣流與車(chē)內(nèi)相對(duì)靜止的氣體存在一個(gè)剪切層。當(dāng)車(chē)內(nèi)外的氣流速度差超過(guò)一個(gè)臨界值后，剪切層就會(huì)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，最終形成漩渦，并周期性散發(fā)，當(dāng)漩渦的發(fā)散頻率與車(chē)廂的空氣固有頻率一致時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生了風(fēng)振噪聲[2]�？刂骑L(fēng)振噪聲最基本的方法就是打破氣流在天窗前后邊緣的運(yùn)動(dòng)，或者不讓氣流吹到天窗。通常在天窗的前邊緣加擋風(fēng)條和側(cè)邊加擋風(fēng)板如圖1和2所示。

    2.3 摩擦和撞擊異響噪聲源

    天窗異響噪聲是指汽車(chē)在行駛中或天窗在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的非正常、沒(méi)有規(guī)律的聲音。異響的隨機(jī)性強(qiáng)，重復(fù)一致性差。天窗的異響通常分為兩類(lèi)：尖叫異響和撞擊異響。

    尖叫異響通常是由于材料之間的摩擦而引起的聲音。比如在某天窗運(yùn)行停止和啟動(dòng)的時(shí)候，機(jī)械組滑塊和導(dǎo)軌之間的相互摩擦并存在黏滑效應(yīng)，容易產(chǎn)生尖叫異響。

    撞擊異響是指兩個(gè)零件相互發(fā)生碰撞而發(fā)出的敲擊的聲音。比如，汽車(chē)在凹凸路面行駛的時(shí)候，路面的沖擊會(huì)引起天窗遮陽(yáng)板撞擊中橫梁，發(fā)出撞擊異響。

    產(chǎn)生天窗異響的原因有很多,主要是：間隙設(shè)計(jì)不合理、尺寸公差控制不好、裝配精度不高和安裝不牢靠、接觸面材料兼容性差、結(jié)構(gòu)的剛度和模態(tài)不合理等。

    天窗異響通常通過(guò)試驗(yàn)來(lái)識(shí)別，也可以通過(guò)CAE來(lái)預(yù)測(cè)。試驗(yàn)識(shí)別異響主要是在實(shí)際的道路和試驗(yàn)室臺(tái)架的兩個(gè)環(huán)境中通過(guò)主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)試來(lái)識(shí)別異響。異響CAE分析主要通過(guò)剛度和模態(tài)等分析方法。比如天窗版汽車(chē)在道路上進(jìn)行風(fēng)載測(cè)試時(shí)，天窗的整體剛度不足導(dǎo)致天窗密封條與車(chē)頂之間產(chǎn)生縫隙，車(chē)外的噪聲就會(huì)穿過(guò)此縫隙傳到車(chē)內(nèi)，這種透過(guò)縫隙的噪聲就被定義為氣吸噪聲，因此可以通過(guò)CAE分析天窗在高速風(fēng)載下密封條與車(chē)頂之間是否有間隙，就可以預(yù)測(cè)天窗的氣吸噪聲。還有關(guān)于天窗密封條在天窗開(kāi)啟過(guò)程中是否產(chǎn)生噪音，請(qǐng)參閱我已經(jīng)發(fā)表的文章《汽車(chē)天窗密封條分析與優(yōu)化》。

    3 汽車(chē)天窗掃頻測(cè)試

    正如前面所述，在汽車(chē)天窗開(kāi)發(fā)階段，天窗的固有頻率成為一個(gè)重要的指標(biāo)，為了在天窗前期開(kāi)發(fā)階段能夠利用CAE技術(shù)校核天窗的固有頻率，首先需要驗(yàn)證CAE分析的可信度。偉巴斯特(Webasto)中國(guó)在2013年選取了某款汽車(chē)天窗為研究對(duì)象，進(jìn)行了天窗固有頻率測(cè)試，同時(shí)也利用了OptiStruct進(jìn)行了頻率響應(yīng)CAE分析，下面先簡(jiǎn)單的介紹天窗固有頻率測(cè)試。

    3.1 振動(dòng)臺(tái)掃頻測(cè)試

    振動(dòng)臺(tái)掃頻激勵(lì)是測(cè)試系統(tǒng)固有頻率和阻尼的常見(jiàn)方法，其測(cè)試方法可以概括為：用振動(dòng)臺(tái)以基礎(chǔ)激勵(lì)的方式對(duì)天窗進(jìn)行正弦掃頻激勵(lì)，掃頻范圍為10～100 Hz，振動(dòng)量級(jí)為：0.9g、0.5g、0.1、0.05g (g=9.8m/s2)。掃頻測(cè)試裝置如圖（3）所示。

    圖3 天窗掃頻測(cè)試裝置圖

    在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析時(shí)候，將天窗系統(tǒng)簡(jiǎn)化為彈簧、阻尼器、質(zhì)量塊的單自由度模型，其結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)相對(duì)于基礎(chǔ)的振幅放大因子β及最大值βmax為：

    圖4 頻譜圖半功率帶寬點(diǎn)示意圖

    對(duì)汽車(chē)天窗進(jìn)行了不同能量下的激勵(lì)測(cè)試，其中0.05g 測(cè)試結(jié)果如圖5所示，表1列出了在不同振動(dòng)能量級(jí)下天窗系統(tǒng)固有頻率及相對(duì)阻尼系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

    從表1可以看出，隨著基礎(chǔ)激勵(lì)量級(jí)的增大，系統(tǒng)固有頻率減小，相對(duì)阻尼系數(shù)增大，呈現(xiàn)出較明顯非線(xiàn)性現(xiàn)象，即“頻率漂移”現(xiàn)象。

    3.2 影響因素

    汽車(chē)天窗中使用了大量的金屬，玻璃，塑料和橡膠許多種材料，通常有幾百個(gè)零件組成，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)主要是通過(guò)接觸來(lái)連接的。影響天窗頻率非線(xiàn)性的主要因素是材料和接觸的非線(xiàn)性，其中接觸連接非線(xiàn)性是造成“頻率漂移”的主要原因。

    任何材料特別是塑料和橡膠在大變形的情況下不滿(mǎn)足胡克定律，即受力和變形或應(yīng)力和應(yīng)變是非線(xiàn)性關(guān)系。

    汽車(chē)天窗運(yùn)動(dòng)是通過(guò)接觸來(lái)連接，隨著振動(dòng)量級(jí)的增加，接觸之間就會(huì)出現(xiàn)間隙，因此汽車(chē)天窗存在接觸連接非線(xiàn)性。

    因此在測(cè)試天窗的固有頻率時(shí)激勵(lì)能量盡可能小，否則天窗表現(xiàn)出明顯的非線(xiàn)性現(xiàn)象。

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