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轿车侧门关闭NVH性能分析

2021-11-01 08:55:59·  来源：汽车工程师  
　
作者：熊辉、邓超等单位：奇瑞汽车股份有限公司来源：汽车工程师摘要：关闭轿车侧门的NVH问题是整车NVH研究的重要内容，识别侧门关闭的噪声振动原理和传播路径并
作者：熊辉、邓超等
单位：奇瑞汽车股份有限公司
来源：汽车工程师

摘要：关闭轿车侧门的NVH问题是整车NVH研究的重要内容，识别侧门关闭的噪声振动原理和传播路径并制定有效的措施对整车NVH控制意义重大。以某车型关闭的NVH性能为例，利用有限元法，按照各种实际工况进行cAE模态和振动模拟计算，获得车门结构的声学模态频率和变形部位位移分布情况，依据CAE分析结果和工程实践经验制定优化方案并进行试验验证。通过方案的实施有效地提升了车门NvH性能，这种分析方法和方案为车身系统结构与声学优化设计提供了依据。

关键词：轿车；车门；关闭；NVH；优化

NVH(Noise，Vibration，Harshness)是噪声、振动与不舒适性的英文缩写，目前NvH控制水平是汽车行业的衡量汽车制造质量的一个综合性指标。有统计资料显示，整车约有1／3的故障问题是和汽车的NVH有关，用户反映的20％～30％的问题都与NVH有关,因此，汽车的NVH问题也是国际汽车业各大整车制造企业关注的问题之一。文章主要研究轿车侧门系统在关闭过程中的NVH问题，对提升整车NVH性能提供有效方案和思路。

1 侧门系统结构及NVH问题
轿车的车门一般由车门钣金、车门附件及内饰盖板三部分组成，如图1和图2所示。整个车门由开启到关闭的过程是车门以铰链为旋转轴，门锁和锁扣啮合的过程。图2所示的车门系统的其他结构在关门过程中产生相互碰撞，从而引起车门系统的振动，这类振动可通过合理布置各个结构之间的安全距离或易碰撞部位进行隔断来解决。

目前，经过大量理论分析以及工程经验总结出车门产生NVH问题主要有：1)车门在关闭过程中，车门系统与车身系统撞击激励导致车门系统产生的振动；2)车门在关闭过程中，车门系统与车身系统撞击激励导致车门系统产生的噪声；3)车门在关闭过程中，车门系统各机构的相互撞击。
文章以某公司的车型为例，分别从关门振动、噪声及不舒适性进行分析，并制定不同的改善方案。
2 侧门关闭振动影响
某车型通过在多次关闭试验中发现，车门系统与车身系统撞击激励导致车门系统产生的振动，以车门外板的振动最为明显。这主要是由于外板为0．7 mm厚的薄钢板制成，中间大面积无结构支撑，因此以车门钣金中的门外板为研究对象，着重分析在关闭过程中门外板的振动。
首先，对车门和整车系统进行CAE建模；然后，按照关闭的工况对车门和整车系统进行约束，并按照振动工况进行加载，计算出侧门外板响应情况。图3示出侧门外板对各频率的响应曲线，从图3可以看出，在振动模式9，10，12，16，18及20工况下，侧门外板的加速度响应较大，是产生振动的主要工况。图4示出侧门外板在这6个工况下的CAE振动相对位移云图，由图4也可以分析出各个工况下振动响应最激烈的区域。本次分析的车门系统车门外板面积较大，中间支撑较少，整个外板无明显的特征结构，整体刚度弱，对振动工况的响应比较明显。


3 侧门关门声音
车门关闭声音质量的好坏，对顾客形成该车质量的好坏与否有极其重要的影响，好的车门关闭声质量能给用户安全、舒适、豪华及车身结实可靠和自信等印象，因此车门关闭声是各汽车厂家主要研究的问题之一。
响度与尖锐度是心理声学中准确评价人对声音主观感知的属性，可以用来表示人类主观感知的平均水平【1】。响度表示人的听觉系统判断声音强弱的程度，是
一个主观感觉量，测量单位是“宋”(sone)，可以按照ISO532B程序进行计算。在最小关闭速度下，好的车门关闭声响度峰值大约为55宋。尖锐度是一种描述声音频谱分布的方法，单位为“Acum”。该量值赋予高频段声音较高的加权值。“嘶嘶声”“砰然声”等声音具有高频率能量，因此在最小关闭速度下，理想的尖锐度是4．2 Acum。
声音衰荡指的是在关门初始撞击发生后，声音持续较长一段时间。如果声音频率很高，听起来象是铃声；如果频率较低，听起来是“抖动”不定的音，或者是低频下嗡嗡响的声音，这种声音信号的能量在碰撞发生后持续时间超过500 ms。
利用响度、尖锐度及衰荡能准确地描述声音，需要通过对多个不同车门关闭声音做主观评价试验，由评审的人对这些声音成对进行试听，选出喜欢的声音。每对声音组合的试验要做2次，用好听的声音数据拟合出一个模型，从该模型可以得到每个声音的评价值。该方法称为成对比较测试法圆。可以把合适的评价值和很多基于声音印象的声音量值关联起来，门的关闭声，低的响度、尖锐度及衰荡是比较理想的。
根据图4及以上分析，采用了如图5所示的方案对振动和噪声进行改善，在侧门外板上增加了膨胀胶并贴上了加强衬板，以提高局部的刚度。

图6和图7示出实施如上所述的方案后的实测图及cAE分析图，对比图3～7，可以明显看出振动的响应大大减小，也说明理论分析和方案非常有效。整个车门系统的关系很复杂，而且相互交叉关联，图8示出声音质量影响矩阵图。


根据图8的各零部件相互作用原理，结合该车型车门和CAE分析，分别优化了车门内板和车门护板的整体刚度，确保各个部件安装牢固；优化了各个零部件安装点刚度、各零部件的安全间隙、门锁的布置以及缓冲结构，避免金属硬冲击；优化了密封条的缓冲和排气结构。实践证明，优化后车门的关闭声明显得到了改善。最终确定该车门的响度峰值和尖锐度分别为48宋和3．8 Acum，声音衰荡不超过400 ms。
对于车门关闭声的差异性，主要体现在车与车之间和同一辆车的门与门之间。从前门到后门，由于车门结构的不同，声音会有不同，但大部分车左右基本是对称的，因此应该保证左右车门的关闭声和关闭力一致，这种差异应归因于加工过程的偏差。同一辆车的车门关闭声存在差异，将会使乘客在下车关门时，产生廉价车的印象，因此一定要进行研究和分析。
4 侧门关闭不舒适性
车门关闭过程中的不舒适性，是一个比较主观概念。通常认为不舒适性除了与振动和噪声关系比较大外，还与最小关门能量有很大的关系。因为最小关门速度和乘客关门所需要的能量最为接近，所以通常习惯用最小关门速度来衡量最小关门能量。文章以最小关门速度作为对象进行分析。
基于空载且门窗均关闭的状况下，车门上的A点，通过A’点时，恰好能使车门关闭所达到的速度称为车门关闭速度；其中，A点为车门关闭时门外把手水平中心线上方(60±20)mm的门边缘处，如图9所示；A’点为车门打开时门外把手水平中心线上方(60±20)mm的门边缘处，距A点的直线距离为(60±5)mm处一点，如图9所示。A点和A’实际为车门上同一点，标示车门关闭和打开时不同的位置。

对同一辆车，不论如何关门，能使车门完全关上所消耗的最低限值能量是相同的。最小关门速度越小的车，关门时需要乘客用力也越小，关门过程中车门给整车输入的撞击能量也较小，因此能给乘客以顺畅和舒适的感觉。控制最小关门速度对提升关门舒适性有很大的作用。
经过长期研究和实践验证，得到关门的影响因素有以下3个方面。
1)接触密封条前影响因素：限位器摩擦力、限位器弹簧力、铰链旋转摩擦力及车门重心的上升或下降等几个主要影响因素；
2)接触密封条后影响因素：存在限位器摩擦力、限位器弹簧力、铰链旋转摩擦力、车门重心的上升或下降、空气阻力、密封条反作用力及锁闭合摩擦力等几个主要影响因素；
3)前期设计影响因素：铰链轴线布置、车门质心位置、锁体啮合布置、车门内间隙设计、密封条的结构设计、密封条的压缩负荷设计及空气流通设计。针对每个影响因素控制在什么样的水平，文章不再一一叙述。综合以上各个因素的有效控制，可以得出：该车型前门最小关门速度前门控制在0．9 r以左右，后门控制在1．0砒左右。比优化前的车型极大地提高了关门的舒适性。
5结论
通过对该车型的关门NVH的cAE分析和工程方案改善，通过减小振动响应位移和隔断位移以及声音的传递，使得该车型的侧门关闭NVH性能得到了很大地提升。后期通过随机的客户调查和竞品分析也证实了该方案的有效性。
文章对关门NVH的研究也为整车所有系统的NVH性能提升提供了很好的CAE分析方法和改进思路，另外后期还需要再加大cAE分析工况的研究，并与试验对应起来，提出更多更好的工程方案，以供产品设计参考。
 
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