某純電動SUV前部風(fēng)哨聲問題分析與優(yōu)化

張祥東，陳慶濱，白楊翼

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300399）

引言

在主機(jī)廠售后抱怨眾多的 NVH問題中，風(fēng)噪聲的抱怨一直居高不下。當(dāng)車速達(dá)到80 km/h以上時，風(fēng)噪逐步成為汽車的主要噪聲源，它也成為 NVH工程師首要解決的問題[1-2]。同時，車型開發(fā)過程中，開發(fā)人員也會密切關(guān)注車型是否產(chǎn)生了風(fēng)哨聲及其速度和強(qiáng)度等問題。

由于在整車開發(fā)早期，風(fēng)洞油泥模型主要識別的是風(fēng)阻系數(shù)以及風(fēng)噪聲壓級等問題，讓客戶難以接受的高頻風(fēng)哨聲無法識別出來。因此，研究風(fēng)哨聲的發(fā)聲機(jī)理及其解決方案，避免樣車階段的模具設(shè)變造成的開發(fā)成本浪費(fèi)，成為當(dāng)前主要的研究課題。

基于此背景，本文以解決某SUV車型機(jī)艙蓋前部風(fēng)哨聲問題為目的，通過CFD仿真、風(fēng)哨的發(fā)聲機(jī)理分析及實(shí)際手工方案的驗(yàn)證，總結(jié)了消除風(fēng)哨聲的三個方向。從而為各主機(jī)廠后續(xù)車型的風(fēng)噪性能開發(fā)提供一個參考思路。

1 問題原因及機(jī)理分析

1.1 問題原因分析

某SUV車型在緩加速工況下加速至54～120 km/h時，機(jī)艙蓋前部存在較為嚴(yán)重的風(fēng)哨聲問題（抽樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)：TTO樣車階段，前部風(fēng)哨聲發(fā)生概率 80%以上）。車速不同，風(fēng)哨聲的音調(diào)有所變化，但都較為尖銳刺耳，車內(nèi)乘員無法忍受。利用 NVH相關(guān)測試軟件來測量車內(nèi)的聲音信號，我們通過軟件將時域信號進(jìn)行FFT（快速傅里葉變換）轉(zhuǎn)換為頻域信號進(jìn)行分析。車內(nèi)主駕外耳的Colormap彩圖分析結(jié)果如圖1所示：

圖1 車內(nèi)主駕外耳Colormap圖

從Colormap圖發(fā)現(xiàn)：在1 200～1 800 Hz（車速54～120 km/h）之間，前部風(fēng)哨聲問題特征表現(xiàn)為變頻且時間上連續(xù)的窄帶頻譜，同時與車速直接相關(guān)。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初步推斷此問題是由機(jī)艙蓋前部、前端中燈及其縫隙空腔組成的“哨子”結(jié)構(gòu)引起[3-4]，如圖2所示：

圖2 問題樣車“哨子”結(jié)構(gòu)示意圖

臨時手工措施：將機(jī)艙蓋前部與中燈之間的縫隙空腔用膠帶密封后，風(fēng)哨聲消除，問題得以解決。

1.2 風(fēng)哨機(jī)理分析

由上述臨時措施可以得出：機(jī)艙蓋前部、前端中燈及其縫隙空腔組成的“哨子”結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生風(fēng)哨聲的主要原因。

“哨子”發(fā)聲結(jié)構(gòu)及機(jī)理如下圖3所示：

圖3 “哨子”發(fā)聲機(jī)理圖

哨子的發(fā)聲原理是：通過哨嘴的氣流快速離開哨口后形成紊亂的氣流，沖擊哨舌，在哨舌的擾動作用下，擴(kuò)大湍流范圍，并提高渦的頻率，渦的形成與哨體的振動發(fā)出哨音[5]。

即：哨子發(fā)聲的三個因素：定向氣流（哨口）、擾流因子（哨舌）、諧振腔（哨體）[6]。

（1）氣流從哨嘴進(jìn)入，快速通過哨口，在哨體內(nèi)形成不規(guī)則的渦，并引起哨體振動，形成哨音。

（2）哨子的發(fā)聲的響度受氣流速度影響。流過哨口的氣流速度越大，哨聲越響。

（3）哨子的發(fā)聲頻率受流場擾動影響。不同的哨口尺寸會影響氣流的轉(zhuǎn)捩，進(jìn)而影響哨音的頻率。

對應(yīng)上述風(fēng)哨機(jī)理，此SUV車型機(jī)艙蓋前部結(jié)構(gòu)正好滿足“哨子”發(fā)聲結(jié)構(gòu)。見樣車斷面圖4：

圖4 樣車“哨子”結(jié)構(gòu)斷面圖

1.3 流場仿真解析

針對該車型機(jī)艙蓋前部風(fēng)哨聲問題，進(jìn)行了車身外流場仿真分析。如圖5所示：

圖5 120 km/h的機(jī)艙蓋前部流場

通過仿真流場圖得出以下結(jié)論：車輛高速條件下（54～120 km/h），擾流因子（哨舌即機(jī)艙罩前端）在紊流區(qū)域內(nèi)，高速氣流沖擊機(jī)艙蓋前端，在機(jī)蓋與中燈之間的空腔中形成了渦流。即同時滿足了高頻風(fēng)哨聲產(chǎn)生的三個因素：定向氣流、擾流因子、諧振腔。

2 優(yōu)化方案實(shí)車驗(yàn)證

2.1 改變氣流方向

手工方案 1：用平板紙殼貼合于中燈前部，改變氣流沖擊方向。如圖6所示：

圖6 平板紙殼貼于中燈前部

結(jié)論：

（1）車速在0～120 km/h內(nèi)，均未出現(xiàn)風(fēng)哨聲；

（2）證明改變氣流方向可解決風(fēng)哨聲問題。

2.2 移除擾流因子

手工方案 2：通過裝配調(diào)節(jié)，將機(jī)艙蓋前端位置前移，使機(jī)蓋前邊緣相對中燈位置靠前。如圖7所示：

圖7 機(jī)艙蓋前端位置前移

結(jié)論：

（1）車速在0～120 km/h內(nèi)，均未出現(xiàn)風(fēng)哨聲；

（2）證明移除擾流因子可解決風(fēng)哨聲問題。

2.3 破壞諧振腔

手工方案 3：用膠帶密封機(jī)艙蓋與中燈之間的縫隙或者在機(jī)艙蓋與中燈之間的空腔中填充空腔密封條，使諧振腔得到破壞。如圖8所示：

圖8 密封間隙或添加空腔密封條

結(jié)論：

（1）車速在0～120 km/h內(nèi)，均未出現(xiàn)風(fēng)哨聲；

（2）證明破壞諧振腔可解決風(fēng)哨聲問題。

2.4 方案總結(jié)

方案一：需要變更中燈外造型，此階段改造型影響上公告。且模具變更等費(fèi)用昂貴，改模周期三個月。成本周期不接受，項(xiàng)目組決策此方案不實(shí)施。

方案二：需延長機(jī)艙蓋X向尺寸，現(xiàn)有尺寸公差可調(diào)整余量無法滿足要求，如需實(shí)施，則要更改機(jī)艙蓋外鈑金模具。模具變更等費(fèi)用昂貴，改模周期五個月。成本周期不接受，項(xiàng)目組決策此方案不實(shí)施。

方案三：將空腔密封條添加于機(jī)艙蓋內(nèi)板上，卡扣連接，工程可實(shí)現(xiàn)，成本周期均可接受。項(xiàng)目組決策實(shí)施此方案。且有臨時方案應(yīng)對工程化方案空白期。

3 結(jié)論

通過上述機(jī)理分析與仿真分析，并結(jié)合手工方案實(shí)車驗(yàn)證，得出機(jī)艙蓋前部產(chǎn)生高頻風(fēng)哨聲的三個必要條件：定向高速氣流、擾流因子、諧振腔。

解決風(fēng)哨聲的方案，至少需要改變?nèi)齻€必要條件中的其中一個：通過優(yōu)化中燈外型面，可以改變氣流沖擊方向；通過改變機(jī)艙蓋前端與中燈的X向相對位置，移除擾流因子；通過在機(jī)艙蓋與中燈空腔中添加密封條，可以破壞容納渦流的諧振腔。

綜上，在車型開發(fā)早期，建議通過仿真分析與數(shù)模DMU檢查相結(jié)合的方法，提前識別出機(jī)艙蓋與中燈（進(jìn)氣格柵）縫隙位置是否存在風(fēng)哨聲風(fēng)險(xiǎn)，如有風(fēng)險(xiǎn)，需提前設(shè)置好預(yù)留方案。