汽车天窗异响问题分析

孔 博，余银峰，李 沛，李晓明

（广汽乘用车有限公司，广东 广州 510700）

0 引 言

近年来，为满足客户对采光和透气的需求，汽车越来越多采用全景天窗，同时客户对乘坐舒适性要求也越来越高。天窗NVH （Noise、Vibration、Harshness，噪声、振动与声振粗糙度）性能对乘坐舒适性有重要影响，天窗异响、漏水等问题时有发生[1]。

本文针对某车型怠速工况下天窗共振异响问题进行分析和优化，查找噪声产生的部位，建立简化力学模型和单自由度振动微分方程，分析天窗自身固有频率和汽车怠速激振频率之间的关系，利用CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）技术改善天窗固有频率和激振频率相近产生共振的问题，对天窗框架结构进行设计优化[2-3]。

1 天窗异响问题机理

1.1 天窗结构

汽车天窗安装在白车身顶部和顶棚之间，如图1 所示，主要由框架、移动玻璃（A 玻）、固定玻璃（B 玻）、挡风网、机械组、遮阳帘、电机、后梁及车身胶条等部件组成，其中框架包括前梁总成、左右侧导轨总成、后梁总成、左右侧机构总成、左右侧玻璃软轴总成、左右侧遮阳帘软轴总成以及挡风条总成。天窗框架总成四周螺栓固定在白车身顶部，A玻和B玻镶嵌于车顶框架内。

图1 汽车天窗玻璃总成

1.2 异响来源及产生机理

针对天窗振动噪声，首先寻找噪声源及产生机制，之后针对不同噪声源采取相应对策。某车型道路试验时天窗处于关闭状态，发动机怠速运行，此时可明显听见天窗出现共振噪声，打开天窗后噪声消失。通常四缸发动机的怠速转速为750～850 r/min，当发动机怠速激振频率与天窗及框架总成的固有频率接近时，玻璃与导轨安装面会发生共振异响，导致天窗出现Z向振动。由经验判断，发动机怠速抖动主要引起整车Z向振动，X、Y向振动较小本文不做分析[4]。

1.3 天窗及框架力学模型

建立汽车天窗和框架的Z向单自由度振动简化模型，如图2 所示，其中，F(t)为激振力，m为天窗质量，k、c分别为天窗与框架之间连接的弹性刚度系数和阻尼系数，x为天窗Z向位移。

图2 天窗与框架单自由度振动模型

发动机怠速时与天窗产生共振，F(t)激励天窗离开平衡点产生Z向位移x，从而产生共振噪声，建立天窗及框架总成关于发动机怠速共振的微分方程，即

式中：为天窗振动加速度；为天窗振动速度；P0为激振力幅值；ω为激振频率；t为激励时间。

利用傅里叶变换求稳态响应的复振幅方程，得到

计算得

则发动机怠速激励天窗产生的强迫振动的稳态响应为

进一步整理得

2 天窗及框架总成模态分析

由于天窗结构的阻尼小于刚度，进行模态分析时可不考虑阻尼，因此求取各阶模态应变能分布较容易实现，利用各阶模态应变能分布，找出弹性位移变化较大位置进行结构优化[5-6]。

2.1 模态应变能基本理论

模态应变能可以识别结构局部刚度性能的变化，准确发现系统刚度变化的部位[7]。

无阻尼多自由度系统第j阶模态特征方程为

式中：K为刚度矩阵；M为质量矩阵；ϕj为系统自由响应幅值阵列；ωj为第j阶特征值。

式（6）中等号左侧为天窗的弹性恢复向量，右侧为惯性力向量，则弹性恢复力的应变形式为

式中：l为结构件数；Vn为第n个构件的体积；D为本构矩阵；ϕjn为第n个构件第j阶模态的应变分布。

本文利用1阶模态应变能分布，查找异响车型天窗框架弹性位移变化较大的位置，进而对结构进行优化。对异响天窗进行模态分析求解，得到1阶模态应变能分布，如图3所示。

图3 异响天窗1阶模态应变能分布

当汽车发动机转速为650～800 r/min时，整车怠速频率为26.3～26.7 Hz，均值约为26.5 Hz，天窗振动1阶模态平均值为27.85 Hz，与汽车怠速频率相差1.15 Hz，存在怠速工况下天窗共振的风险，因此须进行避频，将天窗振动模态优化至28.5 Hz 以上，使之与整车怠速频率相差至少2 Hz。由图3 可以明显看出，天窗横梁上的应变能分布比较集中，说明此区域刚度相对较弱，可通过优化该区域提高天窗的振动模态，这是最经济便捷的改进措施。

2.2 模态优化方案

异响天窗的窗框结构如图4所示，主要承力结构为4 根横梁。由图3 可知，异响天窗的1 阶模态应变能最大点分布在前、中、后横梁上，为优化横梁结构，首先与对标车型进行横梁截面对比，如图5所示。

图4 天窗窗框结构

图5 各横梁截面对比

由图5（a）可以看出，前横梁截面Z向尺寸相比对标车型偏小；由图5（b）可以看出，后横梁截面Z向尺寸相比对标车型明显偏小；由图5（c）可以看出，中部横梁1的截面X向尺寸相比对标车型偏小；由图5（d）可以看出，中部横梁2 相比对标车型无明显差异，可不作优化。

通过上述对比发现，异响车型的各横梁截面尺寸偏小是横梁刚度不足的主要原因，可通过尺寸优化提升刚度性能，优化前后的结构对比如图6所示。

图6 优化各横梁结构

图6 中各横梁的优化方案为：图6（a）中前横梁结构Z向延长5 mm，图6（b）中后横梁Z向延长10 mm，图6（c）中中部横梁1X向延长5 mm，图6（d）中中部横梁1Z向延长5 mm。采用图6中不同方案对天窗结构进行优化，并分别计算优化后天窗的振动模态，如图7所示。

图7 各横梁优化前、后模态应变能对比

由图7 可知，相比其他方案，同时采用图6（b）、（d）方案进行优化，天窗振动模态的平均值最大，达到28.68 Hz，相比优化前模态平均值27.85 Hz提升了2.98%，并且与发动机怠速激振频率26.5 Hz的差值超过2 Hz。天窗横梁优化后模型如图8所示。

图8 优化天窗框架

2.3 实车验证

将优化后的横梁结构安装在实车上进行验证，车辆怠速工况下，保持天窗关闭状态，行驶中未出现共振噪声。进而将优化后的横梁结构装车量产测试，发现天窗振动噪声不良率出现大幅度降低，说明横梁结构优化方案有效可行，天窗振动噪声问题得到解决。

3 结束语

本文针对某款车型怠速工况下天窗共振异响问题进行分析，阐述天窗异响产生的原因是怠速共振使天窗产生Z向振动，建立怠速工况下天窗和框架总成的振动微分方程，通过模态分析发现模态应变能的集中点在框架总成的4根横梁处，此位置刚度较弱，受到激励时易发生共振，为此对各横梁进行结构优化，使天窗框架的振动频率得到提升。对优化方案进行实车验证，发现异响不良率大幅下降，天窗振动噪声问题得到有效解决，为整车NVH 相关问题解决提供参考。