刘杰 冯浩

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

主题词：电动天窗 噪声解耦 试验 评价方法

1 前言

汽车电动天窗前、后排框架上装有驱动玻璃板或遮阳帘运行的电机，会引入振动噪声。目前在售车型的车身和天窗之间鲜见柔性解耦措施，天窗电机与车顶钣金间的振动噪声解耦效果一般，天窗电机运行时易引起车顶钣金共振，使整车的NVH 性能恶化。为解决这一问题，本文提出横向筋和纵向筋2 种噪声解耦方案，通过试验验证其噪声解耦的有效性，并借助本文提出的噪声优化评价方法，研究解耦装置各影响因素对解耦效果影响的显著性。

2 天窗电机运行噪声解耦

天窗电机运行噪声传递路径如图1所示：电机转子高速转动产生不平衡振动，碳刷与换向器高速摩擦也会引起振动，二者和其他因素结合引起电机整体振动，该振动通过电机固定螺栓在天窗前、后排框架上扩散，并通过天窗前、后排固定螺栓传递到车顶加强框，最终引起车顶钣金的鼓面振动。

图1 天窗电机运行噪声传递路径

天窗电机需要通过齿轮精准地输出动力，因此在电机的固定螺栓处解耦，会影响电机输出动力，最终影响天窗运行。另外，天窗前、后排框架多为背面加筋的单层或多层小面积盖板结构，传递到此处的振动，鼓面放大效果并不明显。因此在电机的固定螺栓处添加解耦措施是不合适的。

天窗前、后排框架固定螺栓是将振动传递到车顶钣金的关键位置，在此处解耦可以消除或减弱车顶钣金的鼓面振动，因此选择在此处解耦。

天窗电机运行噪声解耦装置主要包括解耦件和支撑件，该装置在天窗前、后排框架上的安装方式如图2 所示：解耦件9嵌在天窗前、后排框架11与钣金连接的安装孔1～安装孔8内，支撑件10安装在解耦件9内部。天窗与车顶钣金装配时，紧固螺栓12依次压紧支撑件10、解耦件9、天窗前、后排框架11、车顶钣金，在实现天窗前、后排框架与钣金固连的同时，柔性的解耦件可以吸收或缓和电机的振动，从而改善天窗电机运行噪声问题。

图2 天窗电机运行噪声解耦装置示意

支撑件由11SMnPb30 钢制成，解耦件由Shore A 20～60 硬度范围内的硅橡胶制成，可以起到高频减振作用。解耦件通孔内壁有若干条横向或纵向筋，该结构允许解耦件内壁与支撑件外壁的接触力动态变化，在轴向或径向具有柔性，起到轴向或径向解耦的作用。另外，考虑到车辆在寒冷环境下使用的情况，硅橡胶在低温条件下也有较好的柔性，可起到解耦作用。2种形式的解耦件如图3所示。

图3 解耦件和支撑件示意

支撑件下部的法兰带有锥度，在压紧解耦件的同时，支撑件与解耦件的接触力在轴向也可以动态变化，起到轴向解耦作用。在解耦件和支撑件的共同作用下，该装置可以在多个方向将天窗电机的振动与车顶钣金解耦，起到减振降噪作用。

3 天窗电机运行噪声解耦试验

3.1 噪声解耦装置有效性试验

如图2a 所示，天窗前、后排框架有8 个与车顶钣金连接的安装孔位。本文所述的天窗玻璃板和遮阳帘电机分别安装在孔2、孔3 以及孔6、孔7 之间。为了验证天窗电机运行噪声解耦装置的有效性，针对遮阳帘电机运行噪声解耦，设计如表1 所示的对比试验。其中，对照组E使用原车螺栓刚性连接，为无解耦状态，E去除后排框架4颗螺栓，仅靠天窗左右导轨上的螺栓与车顶连接，是一种完全解耦的理想状态。前排框架4个固定螺栓均为刚性连接。

表1 天窗电机运行噪声解耦装置有效性试验表

试验前，将天窗玻璃板和遮阳帘电机换装成噪声明显的问题件，将某型SUV车顶切割，在半消声室中按照表1中E～E依次进行天窗电机运行噪声测量试验。为测量驾驶员和乘客头部耳旁位置的噪声，在车顶左前和右后侧天窗下方30 cm 处布置麦克风，如图4 所示。分别记录遮阳帘开启和关闭工况下，前、后2 个麦克风所测量的声压级时程，并对其进行噪声频域分析。噪声声压级（Sound Pressure Level）定义为：

图4 天窗运行噪声测试情况

式中，为采样点声压有效值；为参考声压，即人的听觉下限声压，取=2×10Pa。

3.2 正交试验因素选择

本文选择解耦件邵氏硬度、法兰边缘厚度、支撑件外径、横向筋圆角、纵向筋圆角及其数量作为试验因素，部分因素如图5 所示。法兰边缘厚度可以控制法兰面的锥度（法兰根部尺寸不变），从而控制解耦件与支撑件在轴向的接触力；支撑件外径可以控制解耦件筋条与支撑件配合的过盈量；纵向筋的均布数量和筋圆角可以控制解耦件与支撑件的径向接触力。

图5 各因素示意

3.3 横向筋解耦装置正交试验

为了研究解耦件硬度、支撑件法兰锥度、解耦件内壁横向筋过盈量、横向筋圆角等因素对天窗电机运行噪声解耦效果的影响，针对只有1 条横向筋的解耦件，设计如表2 所示的四因素三水平正交试验。F～F每组分别使用8个相同横向筋解耦装置，将其安装在图2所示的8 个孔处，开关玻璃板和遮阳帘时，测量其动态声压均方根值。

表2 横向筋解耦装置正交试验表

3.4 纵向筋解耦装置正交试验

为了研究解耦件硬度、支撑件法兰锥度、解耦件内壁纵向筋数量、纵向筋圆角等因素对天窗电机运行噪声解耦效果的影响，针对纵向筋解耦件，设计如表3 所示的四因素三水平正交试验。与3.3节类似，G～G每组分别使用8个相同的纵向筋解耦装置，将其安装在图2中的8 个孔处，开关玻璃板和遮阳帘时，测量其动态声压均方根值。

表3 纵向筋解耦装置正交试验表

4 天窗电机运行噪声解耦装置关键影响因素分析

4.1 噪声解耦装置有效性分析

3.1 节对应的试验结果如图6所示，分别展示了遮阳帘开、关工况下2 个麦克风测量的声压级频谱。由图6可见，在后排框架与车顶钣金采用4个螺栓刚性连接的情况下，麦克风采集的声压级峰值集中在500～1 000 Hz范围内，且人耳对1 000 Hz的声音最为敏感，与该遮阳帘电机的主观噪声评价较差的情况一致。

图6 遮阳帘开、关工况2个麦克风测量的声压级频谱

由于人脑对瞬时声压幅值波动不敏感，但对动态声压的均方根值（RMS）敏感，因此计算4组试验工况的声压级，汇总结果如表4所示。由表4可知：完全去除4颗固定螺栓是一种理想的解耦情况，对照组E的声压级都处于较小水平；使用2个解耦装置时（E）的声压级介于刚性连接和无任何连接的完全解耦状态之间；使用4个解耦装置时（E）的声压级较使用2个解耦装置时（E）小，与去除4 颗固定螺栓的完全解耦状态几乎相当，且该解耦装置在500～2 000 Hz 的频段具有明显的降噪效果。由此可见：该解耦装置对天窗电机运行噪声解耦有效，使用4个解耦装置时的噪声水平优于使用2个解耦装置时的噪声水平。

表4 横向筋解耦装置有效性试验声压级 dB(A)

4.2 噪声优化评价方法

本文采用加权均方误差对试验测量结果进行处理。在解耦装置优化噪声水平基础上，其值越大，解耦效果越好。定义式为：

式中，为评价结果，即A 计权声压级的加权均方误差；为3.3 节和3.4 节横、纵向筋解耦装置正交试验中玻璃板和遮阳帘开关工况下左前、右后麦克风的测量次序，且当取奇数时代表左前麦克风测量值，当取偶数时代表右后麦克风测量值；=8 为一组解耦装置噪声测量总数；W为不同位置测得的A 计权声压级的权重系数，W=（当取奇数），W=（当取偶数）；依次取原车刚性连接状态E第次测得的A计权声压级；=1,2,…,9为F～F或G～G9组正交试验，为第组样件的第次测量值。

4.3 横向筋解耦装置关键影响因素分析

3.3 节对应的试验结果如表5 所示。其中，样件组E是在前后排框架与车顶之间使用8 颗螺栓刚性连接状态下测量的声压级。

表5 横向筋解耦装置正交试验声压级 dB(A)

针对天窗电机不同布置方案和不同级别车型，噪声优化评价准则应体现出差异：当玻璃板电机和遮阳帘电机都布置在天窗前排框架或针对A0 和A 级车时，＞；当玻璃板电机和遮阳帘电机都布置在后排框架或针对B和C级车时，＜；当玻璃板电机和遮阳帘电机分别布置在前后排框架或车型因素不重要时，=。为了研究工程实践中可能出现的上述3种全部情况，本文分别取归一化的权重系数=2/3、=1/3，==1/2，=1/3、=2/3讨论解耦装置降噪效果及各影响因素的显著性。使用式（2）对表5中的测量结果进行分析，绘制如图7所示的不同权重时横向筋解耦装置噪声优化评价结果。综合表5和图7不难发现，9组横向筋解耦装置均有噪声优化效果，且在=1/3、=2/3时，噪声优化评价结果更好，故横向筋解耦装置对后排遮阳帘电机运行噪声有较大改善。

图7 不同权重横向筋解耦装置噪声优化评价结果

根据文献[11]提供的方法，对表5 中的测量结果进行直观分析，并绘制各因素的影响趋势，如图8 所示。综合对比图8可见，不论评价方法中权重系数、取值如何，影响解耦装置噪声优化的因素从显著到不显著的排序依次为解耦件硬度、横向筋圆角、法兰边缘厚度、支撑件外径，说明该噪声优化评价方法可以客观反映不同解耦装置影响因素的显著性，而与权重系数的选择无关。解耦件硬度对噪声优化的影响最大，并且硬度值取45 时，噪声优化效果最好。针对横向筋解耦装置，并非解耦件硬度越小越好，这与解耦件横向筋结构有关。取横向筋圆角=0.5 mm 时，噪声优化效果最好，说明横向筋圆角越小，横向筋轴向接触力越小，越接近完全解耦的状态。

图8 不同权重时横向筋解耦装置影响因素趋势

4.4 纵向筋解耦装置关键影响因素分析

3.4节对应的试验结果如表6 所示。使用式（2）对表6中的测量结果进行分析，绘制如图9所示的不同权重纵向筋解耦装置噪声优化评价结果。综合表6和图9可以看出，9 组纵向筋解耦装置均有噪声优化效果，且在=1/3、=2/3 时，噪声优化评价结果更好。更重要的是，对比图7和图9可见，多个纵向筋解耦装置的噪声优化评价结果普遍较单个横向筋解耦装置的评价结果大，说明多个纵向筋解耦装置比单个横向筋拥有更加优异的噪声优化性能。

表6 纵向筋解耦装置正交试验声压级 dB(A)

图9 不同权重纵向筋解耦装置评价结果

同上，对表6 中的测量结果进行直观分析，并绘制各因素的影响趋势图，如图10所示。

图10 不同权重时纵向筋解耦装置影响因素趋势

由图10 可见，不论评价方法中权重系数、取值如何，影响解耦装置噪声优化的因素从显著到不显著的排序依次为解耦件硬度、法兰边缘厚度、纵向筋数量、纵向筋圆角，说明该噪声优化评价方法同样适用于纵向筋解耦装置。解耦件硬度对噪声优化的影响最大，并且硬度值越小，越接近完全解耦的状态，噪声优化效果越好。法兰边缘厚度=1 mm 时，纵向筋与该法兰锥面的接触状态最优，噪声优化效果最好；纵向筋数量越少，解耦件越接近完全解耦状态，噪声优化效果越好。

5 结束语

本文通过天窗电机运行噪声解耦装置有效性试验和影响因素正交试验，并借助天窗噪声优化评价方法研究了天窗电机运行噪声解耦装置的有效性和相关影响因素的显著性，可以得出以下结论：

a.本文提出的横向筋和纵向筋解耦装置和原车刚性连接状态相比均有噪声优化效果。

b.本文提出的噪声优化评价方法可以客观反映横向筋和纵向筋解耦装置各影响因素的显著程度，定性分析结果不随权重系数取值而改变。

c.多个纵向筋解耦装置的降噪效果明显优于单个横向筋解耦装置，影响纵向筋解耦装置降噪效果因素分类，依据显著性从高到低依次为：解耦件硬度、法兰边缘厚度、纵向筋数量、纵向筋圆角。