樊鸣晓

（同济大学；上海大众汽车有限公司产品工程部）

雨刮刮片的噪声和使用寿命是用户抱怨的两大重点内容。并且噪声偏大的刮片往往伴随工况不良。攻击角是描述刮片和玻璃的相对位置关系，是雨刮刮片中线和玻璃法线间的夹角。在实车上由于造型和风阻需要，前风窗玻璃均为曲面，肯定存在攻击角。实践表明，攻击角布置不合理会造成刮片工况不良，对刮片的噪声会带来一定的影响。文章试图分析两者相关性，寻找是否有从设计初始就用攻击角参数优化噪声的可能。

1 试验概述

1.1 试验背景

为了改善雨刮工况，提高雨刮刮片寿命，目前国内外在刮片的噪声抖动方面做了大量研究。根据研究结果，雨刮刮片噪声集中在500 Hz以下[1-2]。并且已有国内外学者将雨刮刮片和玻璃之间的噪声主要归为3类[2-3]。

1）尖锐的高频噪声。一般由胶条和玻璃间润滑不足而产生的摩擦导致。文献[4]对此进行了分析，并结合有限元和Matlab对刮片和玻璃间的接触力分布参数进行优化，控制高频噪声。同时雨刮在使用有效涂层后，新件以及设计寿命内基本可以避免尖锐的高频噪声产生。

2）翻转噪声。雨刮在上下2个极限位置发生胶条翻转时，会带来500 Hz以下的换向噪声。文献[5]对其分歧特性进行了研究。

3）抖动噪声。主要是粘滑现象导致的噪声。在水润滑不足或者速度不够的情况下易发生。通常在100 Hz以下。文献[6]对其进行了比较系统地分析。但抖动噪声和胶条截面形状也存在一定的关系。文献[7-9]运用有限元和相关试验对其关系进行了分析及验证。

但现阶段研究结果主要有3点不足：1）在理论分析时基于平面进行分析，未引入攻击角概念；2）使用自制台架试验时，台架为平板玻璃，其攻击角只能为某一特定角度，无法模拟实车攻击角实时改变的情况；3）实车测试没有基于攻击角进行分析，对不同攻击角参数未进行对比试验。

基于以上情况，设计了一组基于不同攻击角的实车高低两挡雨刮速度噪声测试，并对试验数据进行综合分析，寻求攻击角和噪声间的相关性，为设计优化和更进一步的理论分析提供支持。

1.2 试验对象

本次试验采用调整刮杆扭角的方式制作了3组攻击角不同且压力一致的刮杆，在一国产轿车上进行实车对比测试。除刮杆外，攻击角、刮片、雨刮四连杆机构总成及电压等条件均一致。测试用刮杆压力值分配也尽量保持一致，表1示出测试用刮杆压力参数。实测雨刮系统高低速两挡转速分别为60，42 r/min。

表1 测试用刮杆压力参数

将3组刮杆装在实车上呈3组不同攻击角曲线，如图1所示。

试验的3组攻击角曲线中，第1组攻击角曲线为产品设计状态，其0°角出现在刮角为65～75°；第2组刮角攻击角曲线相对于第1组攻击角曲线往正角方向移动；第3组攻击角曲线相对于第1组攻击角曲线往负角方向移动。

1.3 测量采集设备

测量设备采用型号为HEAD BHSII的采集麦克风及型号为HEADSQuadrigaII的A/D转换器。

1.4 试验描述

试验在半消音室进行。半消音室本底噪声小于32 dB。试验前清洁玻璃同时采用全新刮片，确保试验数据不会被玻璃表面脏污或刮片质量缺陷干扰。试验时整车发动机关闭，同时关闭车上所有噪声源。电瓶并联12 V外接电源，确保每次采集工作电压一致。

湿度会对噪声产生影响，因此试验将基于完全润滑工况进行。玻璃表面润滑液体采用自来水，试验全程水均用手动喷壶喷洒。喷壶出水呈雾化状，确保喷水时给噪声采集带来的影响最小。试验会根据高低两种雨刮电机转速分别进行，同步采集噪声和加速度。

音频采集方面，首先将主驾驶座椅调整至H点位置，同时安排一位测试人员模拟驾驶员坐在主驾驶位。噪声采集话筒戴在测试人员头部，采集麦克风位于测试人员左右耳部位置，同时可以记录人的左右耳听感。分析时按照车内噪声国标，仅分析驾驶员左耳音频数据。

2 试验数据处理与分析

采集音频数据后，对多组测量数据整理对比后进行时域和频域分析。

2.1 时域分析

时域分析是直接在时间域中对系统进行分析，所以时域分析具有直观和准确的优点。雨刮噪声呈明显周期性，因此针对不同工况各截取4个完整周期进行时域对比。通过时域对比可以直观看出各攻击角噪声信号的周期性差异。

时域分析将根据雨刮高低转速各取4个周期进行分析，每个周期均按照图2顺序从下翻转位开始直至下刮阶段完成。高速和低速由于频率不同，因此每周期时间有所区别。通过ArtemiS求取3组攻击角时域幅值A计权包络曲线后，对各工况噪声周期性变化进行直观对比。图3示出雨刮完全润滑时域图。

从图3a可以看出，低速时第1组攻击角和第2组攻击角在上行阶段声音相差不大，但是在下行阶段第2组攻击角声音大于第1组攻击角。第3组攻击角下翻转位噪声比第1组攻击角和第2组攻击角稍有提高，但是从上刮过程开始后，3个过程噪声均较另2组攻击角有大幅提高。

从图3b可以看出，在高速完全润滑工况，第1组攻击角和第2组攻击角的噪声情况基本一致，第3组攻击角同样噪声偏大，特别是上行和上翻转位。但是整体差值要小于低速时，上翻转位和第1组峰值相比，相差约6 dB。

高速时，攻击角曲线往正角方向移动对噪声稍有影响，在上翻转位和下翻转位峰值区域约有2 dB的影响。但是往负角方向移动对噪声影响很大。除了下翻转位噪声和以前基本接近外，全区域噪声都较其余攻击角状态有较大幅度增加，在极端情况可以增加10 dB以上噪声。

2.2 频域分析

利用频域的功率谱密度可以对噪声来源进行分析。通过时域可以看出，攻击角对上下行噪声有着不同程度的影响。因此将利用功率谱密度对上行和下行分别进行频域分析，找出不同阶段噪声影响区域。

根据以往对雨刮系统噪声的分析结果，归纳出雨刮在整个频域段噪声成分。主要分为100 Hz以下的胶条摩擦和抖动噪声，100～500 Hz的上下翻转位换向噪声，此外还有因工艺问题导致的胶条高频尖锐噪声以及高频电机噪声。通过研究频域功率谱密度，可以直观看出攻击角改变对刮片不同噪声源的影响。由于根据时域分析结果，3组攻击角在上下行阶段噪声分布有明显不同，因此将对上下行阶段分别进行分析。

图4示出雨刮在低速完全润滑情况下的功率谱密度。从图4a可以看出，上行时各组攻击角在1 000 Hz以下功率谱密度分布比较接近。但是在下行时第3组攻击角能量明显大于前2组，其在82，188，293 Hz均存在峰值。实际测试第3组攻击角时明显感到雨刮下刮过程刮片异常抖动，82 Hz的噪声能量峰值是由于此异常抖动所导致。在整个500 Hz以下的刮片摩擦和换向噪声频率区段内，上行时第1组攻击角能量密度曲线基本在第2组攻击角下方，但是下行时落到了第2组攻击角的上方。在能量分布上可以看出，攻击角曲线正向移动带来雨刮运动上行噪声能量增加，下行噪声能量减少。

图5示出雨刮在高速完全润滑情况下的功率谱密度。从图5a可以看出，攻击角改变对高速的影响明显小于低速，和时域观察结果一致。第1组攻击角上行在152 Hz和258 Hz存在峰值。第2组攻击角和第3组攻击角上行噪声能量分布基本一致。从图5b可以看出，下行时第2组攻击角比第1组攻击角能量有明显下降。第3组攻击角噪声能量在300Hz以下和第1组攻击角类似，均存在211，258，352 Hz3个峰值。但是第3组攻击角还在82 Hz存在峰值，和低速存在的100 Hz以下能量峰值频率一致。实测此组工况时，下刮阶段同样感到雨刮异常抖动。从图5b还可以看出，第3组攻击角在300 Hz以后相比另外2组能量明显变大。

通过功率谱密度，可以看出攻击角往正角方向移动后稍微增加了上行能量，减少了下行能量。攻击角往负角方向移动后上行能量变化不大，但是下行能量大大增加。第3组攻击角在下行过程中甚至出现了刮片异常跳动。对比3组攻击角曲线，第3组攻击角曲线在0～40°刮角区间存在10°以上的大角度负向攻击角，第3组攻击角存在的异常跳动和运行过程中存在大角度攻击角有关。

整体来说，攻击角对噪声的影响在低速比在高速时更明显。

3 结论

在时域和频域范围均可明显看出，攻击角曲线往正角方向移动或往负角方向移动均会对噪声产生影响。

通过分析对比第1组和第2组攻击角噪声数据，可以发现：攻击角适度往正角方向移动时，会带来上行噪声和振动增加，下行噪声和振动减小；攻击角适度往负角方向移动时，会带来下行噪声和振动增加，上行噪声和振动减小。

通过分析第3组攻击角噪声数据，可以发现如果玻璃型面弧度变化过大，很容易在运行途中产生大角度攻击角。此时会使雨刮异常跳动，大大增加整体噪声。

在实车上，由于空气动力学和造型需要，攻击角不可避免。为了保持上下行噪声平衡，攻击角曲线应尽量落在正负攻击角角度基本相等的范围内，并且不要出现过大攻击角。