某乘用车塑料背门NVH性能分析与研究

杨万江

（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）

某乘用车塑料背门NVH性能分析与研究

杨万江

（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）

随着节能和环保问题的日益突出，汽车轻量化技术的研究逐渐成为现代汽车设计的热点。为了探究塑料背门对汽车振动噪声性能的影响，保证乘坐舒适性，首先对塑料背门进行自由模态分析和整车状态下的约束模态分析，并与金属背门进行对比，两者模态频率接近，振型一致。再进行声腔模态分析，发现塑料背门第一阶约束模态与声腔模态明显避频。最后在声密性测试的基础上进行整车NVH性能分析，结果表明，在匀速和2档全负荷加速工况下车内声压级相当，语音清晰度甚至高于金属背门，满足NVH性能要求。

塑料背门；模态分析；NVH性能

CLC NO.: U 467.4+93 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-132-04

引言

随着汽车技术的不断进步和汽车工业的快速发展，汽车已经成为人们日常生活的重要部分，汽车在给人们带来诸多便利的同时，也存在能源、环保、安全和舒适等问题。且随着能源与环境问题的日益突出，汽车轻量化技术的发展和应用逐渐被重视。汽车轻量化技术综合考虑减重、节能、环保等因素，在保证汽车综合性能的前提下，使用新材料或新方法对汽车部件进行优化设计，尽可能降低汽车部件的自重[1-4]。车身轻量化可通过使用如高强钢、铝合金、工程塑料等轻量化材料实现[5]。其中，塑代钢不仅能实现车身轻量化，所用的塑料还能在汽车报废后实现回收再利用，避免资源浪费，减少环境污染，同时，汽车的舒适度、安全性和设计的灵活性也在一定程度上得到改善[6]。近年来，国内外学者对汽车轻量化技术做了大量研究，如LGFPP 用10 mm左右的玻纤增强的聚丙烯材料，被广泛用于一些著名品牌汽车的前端模块和散热风扇中[7]。Du Pont公司和Quantunm集团联合开发出了热塑性聚酯弹性体，不仅有良好的抗疲劳性、冲击性，还有良好的低温弹性，可用于制作座椅，不仅轻于传统的泡沫座椅，而且省去了必要的弹簧，明显地改善了乘座舒适性[8]。

随着生活水平的日益提高，用户对汽车乘座舒适性的要求也逐步提升，而汽车的振动与噪声是用户对汽车最直观的感受，直接影响乘坐舒适性。因此，在追求轻量化的同时下，保证汽车NVH（Noise, Vibration and Harshness）性能成为汽车产业发展的关键问题。本文针对某乘用车塑料背门对NVH性能影响的问题，对比分析塑料背门与金属背门的自由模态、整车状态约束模态及整车NVH性能差异，探究塑料背门对振动噪声的影响，在达到轻量化的同时，保证NVH性能要求。

1 自由模态分析

1.1 塑料背门自由模态分析

为了检验塑料背门结构固有动态特性，进而探究其对NVH性能的影响，需对该塑料背门进行自由模态分析。将塑料背门用弹力绳悬挂连接，测量其处于自由状态下的模态参数，确保塑料背门第一阶弹性体模态频率高于整体刚体模态频率10倍以上。采用锤击法进行模态测试，在背门上布置9个加速度传感器获得各频响函数和，如图1所示。采用最小二乘复频域方法结合稳态图和频响函数提取模态参数，得到对应的固有频率和模态阵型，如表1和图2、图3所示。

图1 塑料背门频响函数

图2 塑料背门扭转模态阵型

图3 塑料背门弯曲模态

1.2 金属背门自由模态分析

为了检验塑料背门的模态特性与金属常规背门间的差异，对金属背门进行自由模态分析。为减小试验误差，金属背门的试验方法与塑料背门一致，同时获得对应的固有频率和模态阵型，如表1和图4、图5所示。

表1 塑料背门与金属背门固有频率对比

图4 塑料背门扭转模态阵型

图5 塑料背门弯曲模态阵型

从模态参数及其振型结果可以看出，自由状态下，塑料背门一阶扭转模态频率为36 Hz，金属背门一阶扭转模态为33 Hz，塑料背门频率较金属背门高3Hz，振型接近；但塑料背门一阶弯曲模态频率为57.1 Hz，较金属背门一阶弯曲模态低9.4 Hz，差异较大，更换塑料背门后是否会影响整车振动噪声性能，还需进一步验证。

2 约束模态与声腔模态避频分析

2.1 塑料背门与金属背门约束模态分析

模态分析技术被广泛用于汽车的振动噪声控制中，利用模态分析方法分析车内的振动噪声并与激励频率避频一直是控制车内噪声的重要手段。除自由模态外，对塑料背门进行整车状态下的约束模态分析更接近实际情况，因此探究分析更换塑料背门后对整车振动噪声性能的影响。塑料背门约束模态试验如图6所示，塑料背门采用原装支撑，测量其在整车状态下测试后背门的模态。采用力锤激励，在背门上布置9个加速度传感器获得固有频率和模态阻尼等模态参数，如表2和图7所示。采用同样方法更换金属背门后进行整车状态下的约束模态分析，得到金属背门约束模态参数，如表2和图8所示。

图6 塑料背门约束模态试验现场图

对比塑料背门与金属背门所获得的模态参数可知，整车状态下，塑料背门的一阶约束模态频率为31.5Hz，金属背门一阶约束模态频率为31.9 Hz，两者模态频率接近，误差仅为1.25%，且两者阵型一致，为整车前后方向平动刚体模态。

表2 塑料背门与金属背门约束模态对比

图7 塑料背门约束模态阵型

图8 金属背门约束模态阵型

塑料背门与其他零部件一样，需在设计时考虑避频。该乘用车发动机怠速转速为750rpm，其相应的主要激励频率为25Hz左右；当汽车在正常路面上以低于150 km/h的速度行驶时，路面对汽车的激励频率低于21 Hz；由轮胎旋转模态引起的路躁敲鼓声主要在40Hz左右。由上述塑料背门的一阶约束模态频率为31.5Hz可知，这些激励频率都与背门一阶约束模态避频，不会引起共振。但背门一阶约束模态阵型为整车前后方向平动刚体模态，与声腔模态阵型特性的前后运动一致，故还需进一步考虑背门一阶约束模态与声腔模态避频，避免背门引起的路躁和车内轰鸣声问题。

2.2 整车声腔模态分析

基于数值有限元分析方法对声腔模态分析的准确性，对乘员舱声腔进行建模并分析。首先在Hypermesh软件中导入乘用车车身结构有限元模型，提取车室内部与空气接触的表面，构成一个密闭的声学空腔，在不影响计算精度的前提下对局部特征进行必要的简化。为了更好地研究车室空腔声场的声学特性，考虑座椅对车室声腔模态的影响，建立了有座椅的三维声学有限元分析模型，图9所示，共计28562个单元，分析频率为150Hz。

图9 乘员舱声学网格单元模型

对车室内声场有限元模型进行模态分析，得到声腔前四阶声学共鸣频率和模态振型，如表3和图10所示。第一阶声腔模态频率为52.8 Hz，大于塑料背门的一阶约束模态31.5Hz，两者明显避频，能有效避免声腔模态与结构模态耦合共振所产生的车内轰鸣声和路躁问题。

表3 声腔模态分析结果

图10 1～4阶声腔模态振型

3 整车NVH性能对比分析

3.1 气密性测试分析

为了探究塑料背门对NVH性能的影响，除模态分析和避频分析外，还需对比塑料背门与金属背门在整车状态下匀速路噪和加速噪声的差异。由前文可知，塑料背门一阶弯曲模态频率低于金属背门，而模态频率的高低间接反映其刚度，过低易导致变形或密封问题，因此在试验之前需进行背门四周声密性测试。将该乘用车放置消声室内，采用超声波泄漏仪分别探测金属背门与更换塑料背门后的声密性，如图11所示，由于背门左右对称，取左边红色圆圈处6个点进行探测，两者声密性测试结果如表4所示。对比塑料背门与金属背门声密性可知，两者声密性测试结果接近，且满足NVH对气密性的要求，密封性良好，也为整车状态下匀速路躁和加速噪声测试奠定密封基础。

表4 声密性测试结果对比

图11 声密性测试

3.2 整车NVH性能测试分析

塑料背门对路噪及加速噪声可能产生影响，因此在整车NVH性能测试分析中重点关注路面匀速噪声和加速噪声的变化。路躁分析时，在粗糙水泥路上以50Km/h、65Km/h和80Km/h匀速工况行驶，车内四个乘员右耳位置布置4个麦克风，进行噪声测试，通过客观测试分析车内驾驶员右耳位置声压级。以同样方法对金属背门进行路躁测试，获取驾驶员右耳处声压级进行对比分析，如表5所示。根据路面匀速噪声测试对比可知，塑料背门与更换金属背门后车内前排噪声差别较小，误差在±0.6dB范围内，可接受。

表5 粗糙水泥路车内噪声对比

在关注该四缸机乘用车塑料背门对加速噪声的影响时，以典型2档全负荷加速工况进行测试分析，获取车内声压级和语音清晰度。以相同测试方法对金属背门进行加速噪声测试，将塑料背门和更换金属背门后获取的驾驶员右耳处声压级和语音清晰度进行对比，如图12和图13所示。由2档加速噪声测试对比分析可知，塑料背门与金属背门在2档全负荷加速工况下车内声压级相当，塑料背门车内语音清晰度较金属背门略好。且在整车NVH性能测试时进行主观评价，发现在2档加速和匀速状况下，塑料背门与金属背门车内噪声差异较小，都未出现“压耳”、“轰鸣”等问题，整车NVH性能较好。

图12 加速车内噪声测试结果对比

图13 2档加速时语音清晰度对比

4 结论

本文探究某乘用车轻量化研究中塑料背门后对NVH性能的影响，通过对比分析塑料背门与金属背门的自由模态、约束模态、与声腔模态是否避频及整车NVH性能差异，探究塑料背门对振动噪声的影响，得到以下结论：

（1）整车约束状态下，塑料背门与金属背门模态频率接近，振型一致，模态特性相当。

（2）塑料背门与发动机怠速、路面激励、轮胎旋转模态及声腔模态避频，有效避免了车内轰鸣声和路躁问题。

（3）塑料背门与金属背门声密性测试结果接近，状态良好，满足NVH对气密性的要求。

（4）塑料背门与金属背门在2档全负荷加速和匀速工况下车内声压级相当，塑料背门车内语音清晰度较略好与金属背门，满足NVH性能要求。

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[5] Srinivasan Laxman, Raj Mohan Iyengar. Achieving Light-Weight Design of Automotive Bodies with Advanced High Strength Steels via Structural Optimization[J].SAE TECHNICAL PAPER SERIES,2009-01-0795.

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NVH Performance Analysis and Research for a Passenger Car Plastic Back Door

Yang Wanjiang
( China Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd,. Chongqing 401122 )

With the increasing emphasis on energy conservation and environmental protection, the research of automotive lightweight technology has become a hotspot in modern car design.To explore the effect of plastic back door on the performance of vibration and noise, and guarantees the comfortableness,the free and the constraint experimentalmodal analysisof the plastic back door were analyzed firstly, which were compared with the metal back door. The frequency were similar, and themode shapes werefairly consistent. Then, sound finite modal analysis were completed, the frequency of1st constraint mode of the plastic back doorand sound modeswere obviously avoided. Finally, based on the sound tightness test,vehicle NVH performance analysis were accomplished. The results indicate thatthe pressure level of the plastic and metal back doorwere equivalent under uniformvelocity and 2 full load acceleration, voice intelligibility of plastic back door even higher than metal back door, which meet NVH performance requirements.

Plastic Back Door; Modal Analysis; NVH

U467.4+93 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)19-132-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.044

杨万江（1989-），男，就职于中国汽车工程研究院股份有限公司。