樊鳴曉

（同濟(jì)大學(xué)；上海大眾汽車有限公司產(chǎn)品工程部）

雨刮刮片的噪聲和使用壽命是用戶抱怨的兩大重點(diǎn)內(nèi)容。并且噪聲偏大的刮片往往伴隨工況不良。攻擊角是描述刮片和玻璃的相對(duì)位置關(guān)系，是雨刮刮片中線和玻璃法線間的夾角。在實(shí)車上由于造型和風(fēng)阻需要，前風(fēng)窗玻璃均為曲面，肯定存在攻擊角。實(shí)踐表明，攻擊角布置不合理會(huì)造成刮片工況不良，對(duì)刮片的噪聲會(huì)帶來(lái)一定的影響。文章試圖分析兩者相關(guān)性，尋找是否有從設(shè)計(jì)初始就用攻擊角參數(shù)優(yōu)化噪聲的可能。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)背景

為了改善雨刮工況，提高雨刮刮片壽命，目前國(guó)內(nèi)外在刮片的噪聲抖動(dòng)方面做了大量研究。根據(jù)研究結(jié)果，雨刮刮片噪聲集中在500 Hz以下[1-2]。并且已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者將雨刮刮片和玻璃之間的噪聲主要?dú)w為3類[2-3]。

1）尖銳的高頻噪聲。一般由膠條和玻璃間潤(rùn)滑不足而產(chǎn)生的摩擦導(dǎo)致。文獻(xiàn)[4]對(duì)此進(jìn)行了分析，并結(jié)合有限元和Matlab對(duì)刮片和玻璃間的接觸力分布參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，控制高頻噪聲。同時(shí)雨刮在使用有效涂層后，新件以及設(shè)計(jì)壽命內(nèi)基本可以避免尖銳的高頻噪聲產(chǎn)生。

2）翻轉(zhuǎn)噪聲。雨刮在上下2個(gè)極限位置發(fā)生膠條翻轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)帶來(lái)500 Hz以下的換向噪聲。文獻(xiàn)[5]對(duì)其分歧特性進(jìn)行了研究。

3）抖動(dòng)噪聲。主要是粘滑現(xiàn)象導(dǎo)致的噪聲。在水潤(rùn)滑不足或者速度不夠的情況下易發(fā)生。通常在100 Hz以下。文獻(xiàn)[6]對(duì)其進(jìn)行了比較系統(tǒng)地分析。但抖動(dòng)噪聲和膠條截面形狀也存在一定的關(guān)系。文獻(xiàn)[7-9]運(yùn)用有限元和相關(guān)試驗(yàn)對(duì)其關(guān)系進(jìn)行了分析及驗(yàn)證。

但現(xiàn)階段研究結(jié)果主要有3點(diǎn)不足：1）在理論分析時(shí)基于平面進(jìn)行分析，未引入攻擊角概念；2）使用自制臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，臺(tái)架為平板玻璃，其攻擊角只能為某一特定角度，無(wú)法模擬實(shí)車攻擊角實(shí)時(shí)改變的情況；3）實(shí)車測(cè)試沒(méi)有基于攻擊角進(jìn)行分析，對(duì)不同攻擊角參數(shù)未進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

基于以上情況，設(shè)計(jì)了一組基于不同攻擊角的實(shí)車高低兩擋雨刮速度噪聲測(cè)試，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，尋求攻擊角和噪聲間的相關(guān)性，為設(shè)計(jì)優(yōu)化和更進(jìn)一步的理論分析提供支持。

1.2 試驗(yàn)對(duì)象

本次試驗(yàn)采用調(diào)整刮桿扭角的方式制作了3組攻擊角不同且壓力一致的刮桿，在一國(guó)產(chǎn)轎車上進(jìn)行實(shí)車對(duì)比測(cè)試。除刮桿外，攻擊角、刮片、雨刮四連桿機(jī)構(gòu)總成及電壓等條件均一致。測(cè)試用刮桿壓力值分配也盡量保持一致，表1示出測(cè)試用刮桿壓力參數(shù)。實(shí)測(cè)雨刮系統(tǒng)高低速兩擋轉(zhuǎn)速分別為60，42 r/min。

表1 測(cè)試用刮桿壓力參數(shù)

將3組刮桿裝在實(shí)車上呈3組不同攻擊角曲線，如圖1所示。

試驗(yàn)的3組攻擊角曲線中，第1組攻擊角曲線為產(chǎn)品設(shè)計(jì)狀態(tài)，其0°角出現(xiàn)在刮角為65～75°；第2組刮角攻擊角曲線相對(duì)于第1組攻擊角曲線往正角方向移動(dòng)；第3組攻擊角曲線相對(duì)于第1組攻擊角曲線往負(fù)角方向移動(dòng)。

1.3 測(cè)量采集設(shè)備

測(cè)量設(shè)備采用型號(hào)為HEAD BHSII的采集麥克風(fēng)及型號(hào)為HEADSQuadrigaII的A/D轉(zhuǎn)換器。

1.4 試驗(yàn)描述

試驗(yàn)在半消音室進(jìn)行。半消音室本底噪聲小于32 dB。試驗(yàn)前清潔玻璃同時(shí)采用全新刮片，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)不會(huì)被玻璃表面臟污或刮片質(zhì)量缺陷干擾。試驗(yàn)時(shí)整車發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，同時(shí)關(guān)閉車上所有噪聲源。電瓶并聯(lián)12 V外接電源，確保每次采集工作電壓一致。

濕度會(huì)對(duì)噪聲產(chǎn)生影響，因此試驗(yàn)將基于完全潤(rùn)滑工況進(jìn)行。玻璃表面潤(rùn)滑液體采用自來(lái)水，試驗(yàn)全程水均用手動(dòng)噴壺噴灑。噴壺出水呈霧化狀，確保噴水時(shí)給噪聲采集帶來(lái)的影響最小。試驗(yàn)會(huì)根據(jù)高低兩種雨刮電機(jī)轉(zhuǎn)速分別進(jìn)行，同步采集噪聲和加速度。

音頻采集方面，首先將主駕駛座椅調(diào)整至H點(diǎn)位置，同時(shí)安排一位測(cè)試人員模擬駕駛員坐在主駕駛位。噪聲采集話筒戴在測(cè)試人員頭部，采集麥克風(fēng)位于測(cè)試人員左右耳部位置，同時(shí)可以記錄人的左右耳聽(tīng)感。分析時(shí)按照車內(nèi)噪聲國(guó)標(biāo)，僅分析駕駛員左耳音頻數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

采集音頻數(shù)據(jù)后，對(duì)多組測(cè)量數(shù)據(jù)整理對(duì)比后進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。

2.1 時(shí)域分析

時(shí)域分析是直接在時(shí)間域中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，所以時(shí)域分析具有直觀和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。雨刮噪聲呈明顯周期性，因此針對(duì)不同工況各截取4個(gè)完整周期進(jìn)行時(shí)域?qū)Ρ取Ｍㄟ^(guò)時(shí)域?qū)Ρ瓤梢灾庇^看出各攻擊角噪聲信號(hào)的周期性差異。

時(shí)域分析將根據(jù)雨刮高低轉(zhuǎn)速各取4個(gè)周期進(jìn)行分析，每個(gè)周期均按照?qǐng)D2順序從下翻轉(zhuǎn)位開(kāi)始直至下刮階段完成。高速和低速由于頻率不同，因此每周期時(shí)間有所區(qū)別。通過(guò)ArtemiS求取3組攻擊角時(shí)域幅值A(chǔ)計(jì)權(quán)包絡(luò)曲線后，對(duì)各工況噪聲周期性變化進(jìn)行直觀對(duì)比。圖3示出雨刮完全潤(rùn)滑時(shí)域圖。

從圖3a可以看出，低速時(shí)第1組攻擊角和第2組攻擊角在上行階段聲音相差不大，但是在下行階段第2組攻擊角聲音大于第1組攻擊角。第3組攻擊角下翻轉(zhuǎn)位噪聲比第1組攻擊角和第2組攻擊角稍有提高，但是從上刮過(guò)程開(kāi)始后，3個(gè)過(guò)程噪聲均較另2組攻擊角有大幅提高。

從圖3b可以看出，在高速完全潤(rùn)滑工況，第1組攻擊角和第2組攻擊角的噪聲情況基本一致，第3組攻擊角同樣噪聲偏大，特別是上行和上翻轉(zhuǎn)位。但是整體差值要小于低速時(shí)，上翻轉(zhuǎn)位和第1組峰值相比，相差約6 dB。

高速時(shí)，攻擊角曲線往正角方向移動(dòng)對(duì)噪聲稍有影響，在上翻轉(zhuǎn)位和下翻轉(zhuǎn)位峰值區(qū)域約有2 dB的影響。但是往負(fù)角方向移動(dòng)對(duì)噪聲影響很大。除了下翻轉(zhuǎn)位噪聲和以前基本接近外，全區(qū)域噪聲都較其余攻擊角狀態(tài)有較大幅度增加，在極端情況可以增加10 dB以上噪聲。

2.2 頻域分析

利用頻域的功率譜密度可以對(duì)噪聲來(lái)源進(jìn)行分析。通過(guò)時(shí)域可以看出，攻擊角對(duì)上下行噪聲有著不同程度的影響。因此將利用功率譜密度對(duì)上行和下行分別進(jìn)行頻域分析，找出不同階段噪聲影響區(qū)域。

根據(jù)以往對(duì)雨刮系統(tǒng)噪聲的分析結(jié)果，歸納出雨刮在整個(gè)頻域段噪聲成分。主要分為100 Hz以下的膠條摩擦和抖動(dòng)噪聲，100～500 Hz的上下翻轉(zhuǎn)位換向噪聲，此外還有因工藝問(wèn)題導(dǎo)致的膠條高頻尖銳噪聲以及高頻電機(jī)噪聲。通過(guò)研究頻域功率譜密度，可以直觀看出攻擊角改變對(duì)刮片不同噪聲源的影響。由于根據(jù)時(shí)域分析結(jié)果，3組攻擊角在上下行階段噪聲分布有明顯不同，因此將對(duì)上下行階段分別進(jìn)行分析。

圖4示出雨刮在低速完全潤(rùn)滑情況下的功率譜密度。從圖4a可以看出，上行時(shí)各組攻擊角在1 000 Hz以下功率譜密度分布比較接近。但是在下行時(shí)第3組攻擊角能量明顯大于前2組，其在82，188，293 Hz均存在峰值。實(shí)際測(cè)試第3組攻擊角時(shí)明顯感到雨刮下刮過(guò)程刮片異常抖動(dòng)，82 Hz的噪聲能量峰值是由于此異常抖動(dòng)所導(dǎo)致。在整個(gè)500 Hz以下的刮片摩擦和換向噪聲頻率區(qū)段內(nèi)，上行時(shí)第1組攻擊角能量密度曲線基本在第2組攻擊角下方，但是下行時(shí)落到了第2組攻擊角的上方。在能量分布上可以看出，攻擊角曲線正向移動(dòng)帶來(lái)雨刮運(yùn)動(dòng)上行噪聲能量增加，下行噪聲能量減少。

圖5示出雨刮在高速完全潤(rùn)滑情況下的功率譜密度。從圖5a可以看出，攻擊角改變對(duì)高速的影響明顯小于低速，和時(shí)域觀察結(jié)果一致。第1組攻擊角上行在152 Hz和258 Hz存在峰值。第2組攻擊角和第3組攻擊角上行噪聲能量分布基本一致。從圖5b可以看出，下行時(shí)第2組攻擊角比第1組攻擊角能量有明顯下降。第3組攻擊角噪聲能量在300Hz以下和第1組攻擊角類似，均存在211，258，352 Hz3個(gè)峰值。但是第3組攻擊角還在82 Hz存在峰值，和低速存在的100 Hz以下能量峰值頻率一致。實(shí)測(cè)此組工況時(shí)，下刮階段同樣感到雨刮異常抖動(dòng)。從圖5b還可以看出，第3組攻擊角在300 Hz以后相比另外2組能量明顯變大。

通過(guò)功率譜密度，可以看出攻擊角往正角方向移動(dòng)后稍微增加了上行能量，減少了下行能量。攻擊角往負(fù)角方向移動(dòng)后上行能量變化不大，但是下行能量大大增加。第3組攻擊角在下行過(guò)程中甚至出現(xiàn)了刮片異常跳動(dòng)。對(duì)比3組攻擊角曲線，第3組攻擊角曲線在0～40°刮角區(qū)間存在10°以上的大角度負(fù)向攻擊角，第3組攻擊角存在的異常跳動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中存在大角度攻擊角有關(guān)。

整體來(lái)說(shuō)，攻擊角對(duì)噪聲的影響在低速比在高速時(shí)更明顯。

3 結(jié)論

在時(shí)域和頻域范圍均可明顯看出，攻擊角曲線往正角方向移動(dòng)或往負(fù)角方向移動(dòng)均會(huì)對(duì)噪聲產(chǎn)生影響。

通過(guò)分析對(duì)比第1組和第2組攻擊角噪聲數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：攻擊角適度往正角方向移動(dòng)時(shí)，會(huì)帶來(lái)上行噪聲和振動(dòng)增加，下行噪聲和振動(dòng)減?。还艚沁m度往負(fù)角方向移動(dòng)時(shí)，會(huì)帶來(lái)下行噪聲和振動(dòng)增加，上行噪聲和振動(dòng)減小。

通過(guò)分析第3組攻擊角噪聲數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)如果玻璃型面弧度變化過(guò)大，很容易在運(yùn)行途中產(chǎn)生大角度攻擊角。此時(shí)會(huì)使雨刮異常跳動(dòng)，大大增加整體噪聲。

在實(shí)車上，由于空氣動(dòng)力學(xué)和造型需要，攻擊角不可避免。為了保持上下行噪聲平衡，攻擊角曲線應(yīng)盡量落在正負(fù)攻擊角角度基本相等的范圍內(nèi)，并且不要出現(xiàn)過(guò)大攻擊角。