賴穎

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車門尺寸偏差風(fēng)噪聲形成機(jī)理及氣密性分析*

賴穎

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，廣東 韶關(guān) 512126）

針對(duì)某車型汽車高速行駛時(shí)車內(nèi)風(fēng)噪聲較大的問題。文章首先從車門尺寸偏差設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析了車門尺寸偏差形成的主要影響因素及車門尺寸偏差風(fēng)噪聲形成機(jī)理，然后對(duì)車門尺寸偏差與整車氣密性及高速行駛下風(fēng)噪聲關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，車門偏差對(duì)靜態(tài)氣密性影響關(guān)系較小，但高速行駛風(fēng)噪聲影響較大，為車門尺寸公差設(shè)計(jì)提供理論參考。

車門；偏差；風(fēng)噪聲；氣密性

前言

車門公差設(shè)計(jì)要求通常為±2mm，在不同制造階段制定相應(yīng)的合格率標(biāo)準(zhǔn)，車門總成部件裝配到整車車身，最重要是保證車門與相鄰表面的間隙面差值。（如圖1所示）。

車門的間隙公差3~5mm±0.5mm，面差范圍0mm+2.0/- 0mm，特征線錯(cuò)位偏差1.0mm以下，汽車質(zhì)量的提升，我國汽車間隙面差的公差要求越來越高，而針對(duì)各種不同車型定位需對(duì)公差、成本、性能的關(guān)系綜合考慮，得到最佳方案。研究對(duì)車門尺寸偏差對(duì)整車氣密性及噪聲性能的影響關(guān)系進(jìn)行分析，通過氣密性實(shí)驗(yàn)得到不同偏差與氣密性關(guān)系，最后通過道路實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得車門密封性對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪聲的影響。為整車廠車門尺寸公差設(shè)計(jì)提供理論參考。

圖1 車門尺寸公差（DTS）設(shè)計(jì)要求

1 車門尺寸偏差原因分析

車門在裝配中的問題主要有Y軸的面差與XZ平面的間隙偏差。在車門總成的裝配過程中，部件自身、裝配工藝參數(shù)與生產(chǎn)實(shí)際過程都將會(huì)對(duì)車門偏差產(chǎn)生影響，為了準(zhǔn)確、快速地進(jìn)行車門偏差的診斷，分析車門的裝配過程及車門的工藝特點(diǎn)，利用車門偏差魚刺圖對(duì)偏差進(jìn)行診斷（如圖2所示）。車門各部件的偏差傳遞到車門分總成，分總成偏差在包邊工藝過程傳遞到車門總成，影響車門外觀，導(dǎo)致密封性差。因此車門裝配過程，要求綜合考慮內(nèi)外部間隙面差的偏差狀態(tài)，避免對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪聲產(chǎn)生影響。

圖2 車門裝配尺寸偏差來源

2 車門尺寸偏差風(fēng)噪聲機(jī)理分析

Lighthill空氣動(dòng)力學(xué)理論指出，風(fēng)噪聲主要由三種線性典型聲源構(gòu)成——單極子聲源、偶極子聲源及四極子聲源，流體中聲源如圖3所示。

圖3 氣流運(yùn)動(dòng)中的三種聲源

結(jié)合聲源理論，對(duì)高速行駛下的車門偏差風(fēng)噪聲產(chǎn)生因素分析如下。

（1）單極子聲源：表現(xiàn)在介質(zhì)中的質(zhì)量或熱量膨脹和壓縮不均而產(chǎn)生的聲源。該聲源如脈沖噴氣或液體氣泡爆裂等，流場(chǎng)速度對(duì)單極子聲源的聲強(qiáng)產(chǎn)生巨大的影響，其形成的聲功率為：

該聲源直接傳到車內(nèi)，并與車速四次方成正比；上式中，代表流動(dòng)區(qū)域在流動(dòng)方向上的截面積，0為密度，為聲速。

車內(nèi)單極子噪聲源主要有以下兩種情況：一種是通過車門窗的密封條傳遞的噪聲，稱為滲漏噪聲車門偏差一個(gè)最重要的問題是導(dǎo)致車門密封性變差。另一部分是車外空氣動(dòng)壓導(dǎo)致車門窗密封條區(qū)域較大的負(fù)壓。

車門偏差使車門密封膠條壓縮形狀的變化加劇該噪聲源的產(chǎn)生。車門配合處間隙形成氣吸噪聲，車內(nèi)氣流在車體內(nèi)外壓差下向外流動(dòng)，該氣流與車外氣流碰撞加大車外湍流強(qiáng)度，從而增大車門外表面處噪聲級(jí)，并降低密封結(jié)構(gòu)傳聲損失，從而引起車內(nèi)噪聲級(jí)增大。

（2）偶極子聲源：表現(xiàn)為流體與物體相遇近距離而形成180度的相位差而引起相互的反作用力的單極子聲源所組成，即為一對(duì)單極子聲源構(gòu)成的表面動(dòng)態(tài)聲壓變化，與車速六次方成正比，偶極子聲源輻射聲功率表達(dá)為：

車門偏差使車門與A柱，側(cè)圍，門檻之間匹配面差偏大形成凸出表面，氣流經(jīng)過前風(fēng)擋玻璃時(shí)產(chǎn)生分流，其中一個(gè)方向流向頂蓋和另一種流向車身側(cè)面。氣流流向車身側(cè)門位置經(jīng)過A柱區(qū)域再形成分流，分流后的氣流速度梯度與壓力梯度同時(shí)產(chǎn)生了很大的改變。同時(shí)在車門與車身結(jié)合位置，會(huì)在車門上形成渦流與再附流，但該渦流的強(qiáng)度非常小，A柱產(chǎn)生的附著流對(duì)車門的振動(dòng)進(jìn)行激勵(lì)，從而導(dǎo)致車內(nèi)噪聲增大。

車門與翼子板及后側(cè)門連接面縫隙過大形成的空腔，由于縫隙外部湍流與空腔內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)流相互作用，形成類似二維剪切層的流動(dòng)，如果空腔內(nèi)與空腔外氣流速度差值到達(dá)臨界值時(shí)，剪切層流動(dòng)不穩(wěn)定引起共振現(xiàn)象，當(dāng)氣流經(jīng)過該剪切層時(shí)導(dǎo)致強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)而產(chǎn)生風(fēng)振噪聲向車內(nèi)輻射；腔體噪聲也為偶極子聲源。

（3）四級(jí)子聲源：主要為近距離、相位相反的流體單元不穩(wěn)定的粘滯應(yīng)力而形成的聲波，即由一對(duì)偶極子聲源構(gòu)成，與車速八次方成正比，四極子聲源輻射聲功率：

車輛正常行駛速度下，車身與凸出位置區(qū)域強(qiáng)烈起伏的紊流壓力。由于流場(chǎng)速度遠(yuǎn)小于聲速，四極子聲源發(fā)射效率很低。偶極子聲源發(fā)射效率高于四級(jí)子聲源，但低于單極子聲源。由于汽車行駛速度屬于小馬赫數(shù)（M<0.3），對(duì)于汽車風(fēng)噪聲來說，單極子噪聲源強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過偶極子聲源，而偶極子聲源強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過四極子聲源強(qiáng)度。

（4）其他噪聲源，車門連接處在高速行駛過程中因動(dòng)態(tài)載荷變化，氣流壓力的作用引起車身剛度微變，車門與車身剛度變化不協(xié)調(diào)時(shí)，引起車身局部扭曲變形而使車門在XZ方向空間范圍運(yùn)動(dòng)，最終體現(xiàn)為車門與側(cè)圍面差與間隙的變化，另一方面車門裝配過程中容易使玻璃導(dǎo)槽與車窗導(dǎo)槽間隙偏大導(dǎo)致玻璃上下擺動(dòng)形成振動(dòng)噪聲，總體而言，車門偏差各種因素引起的風(fēng)噪聲分布情況如圖4所示。

圖4 車門偏差風(fēng)噪聲形成機(jī)理分析圖

3 車門尺寸偏差對(duì)氣密性影響試驗(yàn)分析

氣密性是整車對(duì)氣體的密封性要求。車門尺寸偏差通常對(duì)整車氣密性產(chǎn)生影響，在早期的試制車裝配階段應(yīng)展開對(duì)氣密性及風(fēng)噪聲實(shí)驗(yàn)。為了得到車門尺寸偏差與氣密性的關(guān)系，在保證其他因素對(duì)氣密性影響不變的條件下，測(cè)試整車多種車門尺寸偏差特征與汽車氣密性的影響關(guān)系。首先要求整車內(nèi)部壓力保持恒定的條件下，對(duì)整車氣體的泄漏量進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)氣體泄漏量來表征整車氣密性。車門面差與氣密性關(guān)系如式4所示。

式（4）中：QG——?dú)怏w泄漏速度；p——容器壓力，Pa； Cd——?dú)怏w泄漏常數(shù)；A——裂口面積，m2；試驗(yàn)采用的是某商用車車型與整車廠廠家提供的整車氣密性測(cè)試設(shè)備，如圖5所示。

試驗(yàn)步驟如下：

（1）拆除車身外部附件如前雨刮器擋板及后保，用專用膠帶密封進(jìn)排口及后保安裝孔，密封后車窗。為保證車內(nèi)密封，拆除車輛座椅。密封車輛尾門及座椅安裝孔。將設(shè)備進(jìn)氣口安裝在車輛后車窗玻璃處，并將后車窗玻璃附近區(qū)域進(jìn)行密封。

（2）檢查設(shè)備安裝密封性。首先調(diào)整車內(nèi)壓力值到0.5（inches of water）后，整車漏氣量達(dá)到140（scfm- standard cubic foot per Hour）。檢測(cè)泄露部位，其中裙邊的焊縫漏氣現(xiàn)象較為嚴(yán)重，重新密封使漏氣量下降為120csfm。檢測(cè)其他漏氣部位，對(duì)漏氣現(xiàn)象較為明顯的車門把手及尾門漏液孔進(jìn)行密封后漏氣量下降為100csfm。最后密封車門底部的漏液孔，使漏氣量降為80scfm。整車密封符合要求，檢查設(shè)備安裝完整，進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

（3）為獲得較好的重復(fù)性，檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果是否具有重復(fù)性。在車輛初始條件下，調(diào)整車內(nèi)壓力值在(0.1-0.5)csfm范圍并測(cè)量整車漏氣量并記錄。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明汽車氣密性實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果波動(dòng)小，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性高，不需重復(fù)測(cè)量。

（4）調(diào)整車輛左前門鎖扣，記錄汽車左前門與側(cè)圍之間的面差以及對(duì)應(yīng)的漏氣量。

（5）調(diào)整車輛鎖扣位置模擬制造偏差，鎖扣調(diào)整到極限位置后，整車漏氣量變化不大。拆除左前車門鎖扣并調(diào)整車門與側(cè)圍之間的面差，記錄壓力與漏氣量隨面差的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)圖片及結(jié)果匯總，泄露量測(cè)量數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 泄露量測(cè)量數(shù)據(jù)

面差及泄露量測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 面差及泄露量測(cè)量結(jié)果表

首先對(duì)第一組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)羅曼諾夫斯基原則剔除數(shù)據(jù)中的粗大誤差。對(duì)于在5-20個(gè)以內(nèi)的數(shù)據(jù)，使用羅曼諾夫斯基準(zhǔn)則來剔除測(cè)量中的粗大誤差。根據(jù)羅曼諾夫斯基準(zhǔn)則計(jì)算可知，實(shí)驗(yàn)中不存在粗大誤差。

表3 面差及泄露量測(cè)量結(jié)果

根據(jù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算得到，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果較穩(wěn)定，無需進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)來減小測(cè)量結(jié)果的隨機(jī)誤差。對(duì)第二組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到不同氣體壓力下多組面差與漏氣量之間的關(guān)系。使用光順曲線擬合結(jié)果如圖6所示。

圖6 車門偏差與氣體泄漏量的關(guān)系曲線

通過對(duì)該車輛車門偏差聲學(xué)密封性能檢測(cè)，得到以下結(jié)論：對(duì)靜態(tài)工況下車門偏差氣密性檢測(cè)。通過調(diào)整車門鎖扣，改變車門與側(cè)圍之間的面差值，分別調(diào)整車內(nèi)壓力值為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，車內(nèi)壓力得增大引起車門與側(cè)圍之間的面差值改變，結(jié)果表明，面差在0~4mm時(shí)，氣體泄漏量變化不大；面差為4~6mm時(shí)，氣體泄漏量隨面差增大而增大，5mm內(nèi)變化幅度相對(duì)較小，當(dāng)偏差值超過5mm后，整車的氣體泄漏量變化逐漸增加。故車門尺寸偏差對(duì)整車靜態(tài)氣密性影響較小。但靜態(tài)氣密性好并不意味著動(dòng)態(tài)密封性好，下一步將針對(duì)汽車在高速行駛下車門動(dòng)態(tài)偏差的密封性對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪聲的影響關(guān)系展進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4 車門動(dòng)態(tài)密封性與風(fēng)噪聲關(guān)系實(shí)驗(yàn)

往往車輛靜態(tài)工況下車門偏差氣密性良好并不能說明整車氣密性也良好，因?yàn)檐囕v在行駛工況下車門偏差產(chǎn)生的風(fēng)噪聲比靜態(tài)工況大得多，因此需對(duì)高速行駛車門偏差引起的風(fēng)噪聲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，車門連接處在高速行駛中因動(dòng)態(tài)載荷，空氣激流壓力的作用使車身剛度發(fā)生變化，當(dāng)車身與車門剛度變化不協(xié)調(diào)時(shí)，導(dǎo)致車身局部變形，車門上下部位受到的氣流壓力不同，產(chǎn)生了相對(duì)門鎖及鉸鏈為中心線的不同力矩，導(dǎo)致車門在XZ平面運(yùn)動(dòng)，于是，出現(xiàn)了車門和車身部件之間的匹配面差與間隙增大。另一方面，車體表面的空氣動(dòng)壓力主要由兩部分構(gòu)成，其中一部分為流場(chǎng)的平均壓力，另一部分為非定常流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)，平均壓力在車上表面產(chǎn)生的負(fù)壓大于車門密封壓力而破壞車門密封性，引起風(fēng)噪聲直接進(jìn)入車輛內(nèi)部，平均壓力的部分將直接影響到氣吸噪聲。車輛動(dòng)態(tài)聲學(xué)密封性能的測(cè)試，利用開窗法原理對(duì)左前門密封部位的泄露噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)量進(jìn)行測(cè)試，用專用膠帶密封車門與車身A柱及側(cè)圍間隙部位，然后比較密封前后的車內(nèi)噪聲級(jí)大小，確定該車車門密封位置對(duì)車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)值，車門密封如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)車輛

車門密封產(chǎn)生車內(nèi)泄露噪聲的情況分析如下：在120km/h車速關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)空擋滑行時(shí)，右前車門密封前后測(cè)試結(jié)果所得車內(nèi)測(cè)點(diǎn)副駕駛位置M2聲壓級(jí)的頻率特性，通過A計(jì)權(quán)1/3倍頻程譜表示，車門密封前后車內(nèi)噪聲級(jí)，如圖8所示。

圖8 車門偏差下密封性對(duì)車內(nèi)噪聲影響頻率特性曲線

從圖可以看出，在左前車門密封后，車內(nèi)噪聲的頻譜特性相對(duì)于密封前發(fā)生了明顯變化，當(dāng)頻率超過1100Hz車內(nèi)噪聲級(jí)顯著下降，在整個(gè)分析頻段15000Hz以內(nèi)，聲壓級(jí)由71.2dB下降到69.6dB，平均下降1.6dB(A)。

主要在（100~3000）Hz之間的高頻段聲壓級(jí)由70.8dB下降到69dB，平均下降1.8dB(A)，從頻譜圖分析，泄露噪聲頻率主要在200Hz以上，（300~3000）Hz頻段泄露噪聲較為明顯。由圖表明，右前車門密封下對(duì)車內(nèi)泄露噪聲體現(xiàn)的主要頻率范圍在（300~3000）Hz，在200-3000z之間頻率段對(duì)車內(nèi)噪聲級(jí)貢獻(xiàn)達(dá)到1.8dB。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在中高頻范圍泄漏噪聲占主導(dǎo)地位，且車門B柱上部和中部位置是該車主要的泄漏噪聲源。因此，首先要從車門B柱位置考慮改進(jìn)該車的車門偏差，高速行駛中汽車車門密封性對(duì)該車車內(nèi)風(fēng)噪聲影響較大，在風(fēng)噪聲控制中應(yīng)首先考慮該車門的密封設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

按照該車型車門尺寸公差設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，車門與側(cè)圍面差控制范圍為0~2mm。故車門偏差對(duì)整車靜態(tài)工況的氣密性影響較小。而高速行駛下右前車門動(dòng)態(tài)密封對(duì)車內(nèi)泄露噪聲體現(xiàn)的主要頻率范圍在（300~3000）Hz，在200-3000z之間頻率段對(duì)車內(nèi)噪聲級(jí)貢獻(xiàn)達(dá)到1.8dB因此，在對(duì)汽車裝配偏差控制中應(yīng)結(jié)合靜態(tài)密封和動(dòng)態(tài)密封同時(shí)展開具體分析。

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Analysis of formation mechanism and air tightness of car door size deviation wind noise

Lai Ying

( Department of mechanical engineering, Guangdong Songshan Polytechnic College, Guangdong Shaoguan 512126 )

Aiming at the problem of high wind noise in a vehicle at high speed. In this paper, the main influence factors and the formation mechanism of the door size deviation wind noise are analyzed from the design characteristics of the car door size deviation, and the relationship between the car door size deviation and the vehicle air tightness and the high speed driving noise is analyzed. The result shows that the door deviation has little influence on the static air tightness, and has great influence on the high speed wind noise, and provides a theoretical reference for the design of the dimension tolerance of the car.

Car door;Dimensional;deviationNoisegas;tightness

B

1671-7988(2018)18-102-05

U463.83+4

B

1671-7988(2018)18-102-05

CLC NO.: U463.83+4

賴穎，碩士，助教，就職于廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，研究方向：汽車噪聲與振動(dòng)。

廣東省教育廳青年創(chuàng)新人才類科研項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2017GkQNCX032。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.035