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汽車刮水器噪音測試分析及優(yōu)化

2020-08-20 23:24:59·  來源：汽車實用技術(shù)雜志社  作者：牟文成，趙前程  
　
摘 要：車輛噪音作為評價整車舒適性的關(guān)鍵參數(shù)，已受到人們廣泛關(guān)注。刮水器作為整車關(guān)鍵安全性零部件之一，其性能直接影響雨雪天氣的行車安全，而由于刮水器自
摘 要：車輛噪音作為評價整車舒適性的關(guān)鍵參數(shù)，已受到人們廣泛關(guān)注。刮水器作為整車關(guān)鍵安全性零部件之一，其性能直接影響雨雪天氣的行車安全，而由于刮水器自身結(jié)構(gòu)特性，在工作過程中較容易產(chǎn)生噪音。文章針對刮水器的噪音問題，從刮水器結(jié)構(gòu)及噪音來源入手，分析各機(jī)構(gòu)產(chǎn)生噪音的原因，并對刮水器電機(jī)噪音進(jìn)行測試，最后依據(jù)分析及測試結(jié)果，提出各機(jī)構(gòu)的噪音優(yōu)化方案。

引言

近年來，隨著汽車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，對汽車的關(guān)注點已經(jīng)不僅局限在傳統(tǒng)的安全性、動力性、操控性等方面，對于舒適性的要求也越來越高。其中，車輛噪音作為決定整車舒適性的關(guān)鍵所在，其不僅會干擾駕駛員的聽覺，還會加速疲勞，極大影響駕駛員的心理、生理健康，如長期處于整車噪聲干擾下，極易造成交通事故，威脅人們的生命安全。

刮水器作為汽車的關(guān)鍵安全性零部件之一，其主要功能是保持風(fēng)擋玻璃外表面清潔，確保雨雪天氣視野和行車安全。由于刮水器具有工作頻率快、距離駕駛員近、刮片直接與風(fēng)擋接觸等特點，并且包含電機(jī)、機(jī)械連桿類零部件，因此較容易產(chǎn)生工作噪音，從而影響整車的舒適性。

1 刮水器基本機(jī)構(gòu)及原理

刮水器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括以下幾個部分：電機(jī)、連桿機(jī)構(gòu)、刮刷組件。

圖1 刮水器結(jié)構(gòu)簡圖

（1） 電機(jī)：包括電機(jī)本體及其減速機(jī)構(gòu)。為整個系統(tǒng)提供動力，電機(jī)輸出后需經(jīng)減速機(jī)構(gòu)減速以匹配刮刷周期，滿足刮水器正常工作頻率要求。

（2） 連桿機(jī)構(gòu)：由電機(jī)曲柄、連桿、搖臂、固定桿組成的機(jī)械四連桿結(jié)構(gòu)。其功能是將電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)輸出的旋轉(zhuǎn)運動，通過四連桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，最終輸出為刮刷所需要的往復(fù)擺動。


（3） 刮刷組件：由刮臂及刮片組成。刮片為刮水器的直接執(zhí)行部件，刮臂提供合適的壓力以匹配連接刮片，實現(xiàn)對風(fēng)擋玻璃的有效刮刷。

2 刮水器噪音來源

由于刮水器自身結(jié)構(gòu)特點，其主要噪音來源可分為：電機(jī)內(nèi)部噪音以及刮刷過程噪音。

2.1 電機(jī)內(nèi)部噪音

電機(jī)內(nèi)部可分為電機(jī)本體及其減速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

其主要結(jié)構(gòu)包括：永磁電極、電樞、碳刷、換向器、渦輪蝸桿等。在電機(jī)正常工作過程中，噪音主要來源于電機(jī)電磁噪音、電樞與機(jī)殼振動噪音、碳刷換向器接觸摩擦噪音、渦輪蝸桿嚙合換向噪音等等。

汽車刮水器噪音測試分析及優(yōu)化
圖2 刮水器電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 刮刷過程噪音

刮片作為刮水器的最終執(zhí)行部件，按其運動方向，整個刮刷過程可分為去程（上半周）、翻轉(zhuǎn)位置、回程（下半周）、初始位置。

在去程和回程位置，由于刮片自身的膠條結(jié)構(gòu)直接與風(fēng)擋玻璃接觸，這樣在擦拭灰塵的同時，必然伴隨著刮刷噪音。而由于風(fēng)擋曲率不同，刮片的運行姿態(tài)成為刮刷噪音的決定性因素。在翻轉(zhuǎn)位置和初始位置，刮片會瞬間轉(zhuǎn)換刮刷方向，由此產(chǎn)生刮片換向噪音。同時，在刮片換向過程，整個連桿機(jī)構(gòu)同樣完成輸出方向的改變，由于四連桿機(jī)構(gòu)的自身結(jié)構(gòu)特點，以及各零部件加工精度、配合間隙影響，會產(chǎn)生各結(jié)構(gòu)換向噪音。

綜上，整個刮刷過程，噪音主要來源于刮片摩擦噪音、刮片換向噪音、機(jī)械四連桿機(jī)構(gòu)換向噪音、各零部件配合噪音等。

3 噪音測試

3.1 測試要求

由于整車條件下，刮水器噪音不僅與自身工作狀態(tài)有關(guān)，整車密封性、車身結(jié)構(gòu)等因素均會對刮水器噪音產(chǎn)生影響。故為考察刮水器自身的工作噪音特性，進(jìn)行針對刮水器電機(jī)的噪音測試試驗。具體參照標(biāo)準(zhǔn)QC/T 44-2009《汽車風(fēng)窗玻璃電動刮水器》4.2.4要求，在刮水器電動機(jī)在空載運轉(zhuǎn)時，其A計權(quán)聲級應(yīng)滿足低速≤50 dB(A)，高速≤60dB(A)。

3.2 測試系統(tǒng)條件及環(huán)境

測試系統(tǒng)：由4只GRAS 46AE麥克風(fēng)（包括連接電纜）、朗德DATaRec 4 DIC24數(shù)采前端和一臺計算機(jī)組成，麥克風(fēng)采集通道的采樣頻率均為44100Hz。

試驗環(huán)境：滿足GB/T 3767-1996《聲學(xué) 聲壓法測定噪聲源聲功率級 反射面上方近似自由場的工程法》要求的車用電機(jī)NVH性能測試實驗室。實驗室背景噪聲為16.8dB(A)，滿足測試要求。

3.3 測試過程

（1）刮水器電機(jī)用專業(yè)測試臺架懸掛，并調(diào)整至水平位置，確保電機(jī)不會在測試過程中產(chǎn)生較大晃動，影響測試結(jié)果。

（2）分別在電機(jī)軸端、輸出軸前方、輸出軸后方、以及接合面下方布置4只麥克風(fēng)（1~4#），具體位置參照圖3所示，麥克風(fēng)距離電機(jī)距離30cm。

（3）電機(jī)接通高速檔，在13.5V的端電壓下預(yù)熱10min。測試電機(jī)在13.5V電壓下以低速檔和高速檔運行的噪聲，測試時間為10s。

（4）測試數(shù)量為同批次電機(jī)及連桿總成3臺1~3#，測試步驟一致。

圖3 電機(jī)噪音測試臺架

3.4 測試結(jié)果

（1）各測點噪音聲壓級

經(jīng)試驗，測得1~3#電機(jī)高低速檔位噪音聲壓級見表1統(tǒng)計的結(jié)果。

表1 各測點噪音聲壓級
 
（2）低速噪音頻譜

經(jīng)分析，1~3#電機(jī)低速噪音頻譜如圖4~6所示。

圖4 1#電機(jī)低速噪音頻譜  

圖5 2#電機(jī)低速噪音頻譜  

圖6 3#電機(jī)低速噪音頻譜

（3）高速噪音頻譜

經(jīng)分析，1~3#電機(jī)高速噪音頻譜如圖7~9所示。

圖7 1#電機(jī)高速噪音頻譜

圖8 2#電機(jī)高速噪音頻譜  

圖9 3#電機(jī)高速噪音頻譜

3.5 測試結(jié)果分析

（1）噪音聲壓級

測試結(jié)果表明，所測3臺電機(jī)，其噪音均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，滿足使用要求。對比3組數(shù)據(jù)，3#電機(jī)噪音水平優(yōu)于1、2#電機(jī)。

（2）噪音頻譜

所測3臺電機(jī)，無論低速或高速條件下，其噪音最高幅值聲壓級均分布在大致600~800Hz，此頻段為電機(jī)電磁噪音。其余較高噪音聲壓級頻段均大致分布在2000~5000Hz，此頻段包含電機(jī)機(jī)械噪音、各類振動噪音等。

對比每臺電機(jī)4個被測點的噪音：輸出軸前方、后方、電機(jī)軸端、接合面下方。在低頻段600~800Hz范圍內(nèi)，輸出軸后方（紅色線）噪音較為突出，此位置更靠近電機(jī)本體，即電機(jī)電磁噪音較為明顯區(qū)域。在2000~5000Hz頻段范圍內(nèi)，接合面下方（藍(lán)色線）噪音較為突出，此位置更靠近電機(jī)及減速箱接合面，即電機(jī)機(jī)械噪音及振動噪音較明顯區(qū)域。此外，根據(jù)頻譜分析結(jié)果，距離電機(jī)及減速箱位置較遠(yuǎn)的電機(jī)軸端（淺藍(lán)色線），其噪音幅值最小。

綜上，測試結(jié)果與實際分析可完全對應(yīng)，并依據(jù)測試結(jié)果可推斷出以下結(jié)論：刮水器電機(jī)噪音主要來源為電磁噪音，其次是機(jī)械噪音、振動噪音等。依據(jù)各電機(jī)不同工況下的測試結(jié)果，可明確不同頻率下噪音源位置，從而指導(dǎo)電機(jī)各機(jī)構(gòu)完成優(yōu)化。

4 刮水器噪音優(yōu)化措施

由于本文重點研究刮水器自身結(jié)構(gòu)噪音問題，故未展開整車下刮刷過程噪音測試。

通過對電機(jī)樣品的噪音測試表明，電機(jī)內(nèi)部噪音主要包括：電機(jī)電磁噪音、機(jī)械噪音、振動噪音等。其中，電機(jī)電磁噪音為刮水器電機(jī)主要噪音來源。

針對電機(jī)電磁噪音優(yōu)化措施：提升電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子同軸度，提升轉(zhuǎn)子平衡度。在生產(chǎn)線增加轉(zhuǎn)子平衡度檢測環(huán)節(jié)，通過測量轉(zhuǎn)子電流進(jìn)而對其平衡度進(jìn)行監(jiān)控，并對不合格品進(jìn)行動平衡調(diào)整。針對電機(jī)機(jī)械噪音及振動噪音優(yōu)化措施：提升電機(jī)各零部件工藝水平：如磁瓦、機(jī)殼、軸承、渦輪蝸桿等。保證零部件制造精度及裝配誤差。

另外，對于刮刷過程噪音，優(yōu)化措施如下：根據(jù)風(fēng)擋曲率，合理匹配刮臂角度及壓力，以保證刮片正確運行姿態(tài)；合理設(shè)計機(jī)械四連桿機(jī)構(gòu)傳動角、壓力角、加速度等參數(shù)，提高機(jī)構(gòu)運行效率。

5 小結(jié)

在實際駕駛過程中，人們感受到的是整車條件下的各類噪音。而在整車條件下，刮水器噪音與車身結(jié)構(gòu)、整車密封性等直接相關(guān)，因此在提升刮水器自身噪音控制水平的同時，需同時優(yōu)化其它周邊系統(tǒng)的設(shè)計，共同改善整車噪音水平。
 
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