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汽车刮水器噪音测试分析及优化

2020-08-20 23:24:59·  来源：汽车实用技术杂志社  作者：牟文成，赵前程  
　
摘 要：车辆噪音作为评价整车舒适性的关键参数，已受到人们广泛关注。刮水器作为整车关键安全性零部件之一，其性能直接影响雨雪天气的行车安全，而由于刮水器自
摘 要：车辆噪音作为评价整车舒适性的关键参数，已受到人们广泛关注。刮水器作为整车关键安全性零部件之一，其性能直接影响雨雪天气的行车安全，而由于刮水器自身结构特性，在工作过程中较容易产生噪音。文章针对刮水器的噪音问题，从刮水器结构及噪音来源入手，分析各机构产生噪音的原因，并对刮水器电机噪音进行测试，最后依据分析及测试结果，提出各机构的噪音优化方案。

引言

近年来，随着汽车工业的持续发展以及人们生活水平的不断提高，对汽车的关注点已经不仅局限在传统的安全性、动力性、操控性等方面，对于舒适性的要求也越来越高。其中，车辆噪音作为决定整车舒适性的关键所在，其不仅会干扰驾驶员的听觉，还会加速疲劳，极大影响驾驶员的心理、生理健康，如长期处于整车噪声干扰下，极易造成交通事故，威胁人们的生命安全。

刮水器作为汽车的关键安全性零部件之一，其主要功能是保持风挡玻璃外表面清洁，确保雨雪天气视野和行车安全。由于刮水器具有工作频率快、距离驾驶员近、刮片直接与风挡接触等特点，并且包含电机、机械连杆类零部件，因此较容易产生工作噪音，从而影响整车的舒适性。

1 刮水器基本机构及原理

刮水器基本结构如图1所示，主要包括以下几个部分：电机、连杆机构、刮刷组件。

图1 刮水器结构简图

（1） 电机：包括电机本体及其减速机构。为整个系统提供动力，电机输出后需经减速机构减速以匹配刮刷周期，满足刮水器正常工作频率要求。

（2） 连杆机构：由电机曲柄、连杆、摇臂、固定杆组成的机械四连杆结构。其功能是将电机及减速机构输出的旋转运动，通过四连杆机构的转化，最终输出为刮刷所需要的往复摆动。


（3） 刮刷组件：由刮臂及刮片组成。刮片为刮水器的直接执行部件，刮臂提供合适的压力以匹配连接刮片，实现对风挡玻璃的有效刮刷。

2 刮水器噪音来源

由于刮水器自身结构特点，其主要噪音来源可分为：电机内部噪音以及刮刷过程噪音。

2.1 电机内部噪音

电机内部可分为电机本体及其减速机构，结构简图如图2所示。

其主要结构包括：永磁电极、电枢、碳刷、换向器、涡轮蜗杆等。在电机正常工作过程中，噪音主要来源于电机电磁噪音、电枢与机壳振动噪音、碳刷换向器接触摩擦噪音、涡轮蜗杆啮合换向噪音等等。

汽车刮水器噪音测试分析及优化
图2 刮水器电机内部结构简图

2.2 刮刷过程噪音

刮片作为刮水器的最终执行部件，按其运动方向，整个刮刷过程可分为去程（上半周）、翻转位置、回程（下半周）、初始位置。

在去程和回程位置，由于刮片自身的胶条结构直接与风挡玻璃接触，这样在擦拭灰尘的同时，必然伴随着刮刷噪音。而由于风挡曲率不同，刮片的运行姿态成为刮刷噪音的决定性因素。在翻转位置和初始位置，刮片会瞬间转换刮刷方向，由此产生刮片换向噪音。同时，在刮片换向过程，整个连杆机构同样完成输出方向的改变，由于四连杆机构的自身结构特点，以及各零部件加工精度、配合间隙影响，会产生各结构换向噪音。

综上，整个刮刷过程，噪音主要来源于刮片摩擦噪音、刮片换向噪音、机械四连杆机构换向噪音、各零部件配合噪音等。

3 噪音测试

3.1 测试要求

由于整车条件下，刮水器噪音不仅与自身工作状态有关，整车密封性、车身结构等因素均会对刮水器噪音产生影响。故为考察刮水器自身的工作噪音特性，进行针对刮水器电机的噪音测试试验。具体参照标准QC/T 44-2009《汽车风窗玻璃电动刮水器》4.2.4要求，在刮水器电动机在空载运转时，其A计权声级应满足低速≤50 dB(A)，高速≤60dB(A)。

3.2 测试系统条件及环境

测试系统：由4只GRAS 46AE麦克风（包括连接电缆）、朗德DATaRec 4 DIC24数采前端和一台计算机组成，麦克风采集通道的采样频率均为44100Hz。

试验环境：满足GB/T 3767-1996《声学 声压法测定噪声源声功率级 反射面上方近似自由场的工程法》要求的车用电机NVH性能测试实验室。实验室背景噪声为16.8dB(A)，满足测试要求。

3.3 测试过程

（1）刮水器电机用专业测试台架悬挂，并调整至水平位置，确保电机不会在测试过程中产生较大晃动，影响测试结果。

（2）分别在电机轴端、输出轴前方、输出轴后方、以及接合面下方布置4只麦克风（1~4#），具体位置参照图3所示，麦克风距离电机距离30cm。

（3）电机接通高速档，在13.5V的端电压下预热10min。测试电机在13.5V电压下以低速档和高速档运行的噪声，测试时间为10s。

（4）测试数量为同批次电机及连杆总成3台1~3#，测试步骤一致。

图3 电机噪音测试台架

3.4 测试结果

（1）各测点噪音声压级

经试验，测得1~3#电机高低速档位噪音声压级见表1统计的结果。

表1 各测点噪音声压级
 
（2）低速噪音频谱

经分析，1~3#电机低速噪音频谱如图4~6所示。

图4 1#电机低速噪音频谱  

图5 2#电机低速噪音频谱  

图6 3#电机低速噪音频谱

（3）高速噪音频谱

经分析，1~3#电机高速噪音频谱如图7~9所示。

图7 1#电机高速噪音频谱

图8 2#电机高速噪音频谱  

图9 3#电机高速噪音频谱

3.5 测试结果分析

（1）噪音声压级

测试结果表明，所测3台电机，其噪音均在标准要求范围内，满足使用要求。对比3组数据，3#电机噪音水平优于1、2#电机。

（2）噪音频谱

所测3台电机，无论低速或高速条件下，其噪音最高幅值声压级均分布在大致600~800Hz，此频段为电机电磁噪音。其余较高噪音声压级频段均大致分布在2000~5000Hz，此频段包含电机机械噪音、各类振动噪音等。

对比每台电机4个被测点的噪音：输出轴前方、后方、电机轴端、接合面下方。在低频段600~800Hz范围内，输出轴后方（红色线）噪音较为突出，此位置更靠近电机本体，即电机电磁噪音较为明显区域。在2000~5000Hz频段范围内，接合面下方（蓝色线）噪音较为突出，此位置更靠近电机及减速箱接合面，即电机机械噪音及振动噪音较明显区域。此外，根据频谱分析结果，距离电机及减速箱位置较远的电机轴端（浅蓝色线），其噪音幅值最小。

综上，测试结果与实际分析可完全对应，并依据测试结果可推断出以下结论：刮水器电机噪音主要来源为电磁噪音，其次是机械噪音、振动噪音等。依据各电机不同工况下的测试结果，可明确不同频率下噪音源位置，从而指导电机各机构完成优化。

4 刮水器噪音优化措施

由于本文重点研究刮水器自身结构噪音问题，故未展开整车下刮刷过程噪音测试。

通过对电机样品的噪音测试表明，电机内部噪音主要包括：电机电磁噪音、机械噪音、振动噪音等。其中，电机电磁噪音为刮水器电机主要噪音来源。

针对电机电磁噪音优化措施：提升电机定子、转子同轴度，提升转子平衡度。在生产线增加转子平衡度检测环节，通过测量转子电流进而对其平衡度进行监控，并对不合格品进行动平衡调整。针对电机机械噪音及振动噪音优化措施：提升电机各零部件工艺水平：如磁瓦、机壳、轴承、涡轮蜗杆等。保证零部件制造精度及装配误差。

另外，对于刮刷过程噪音，优化措施如下：根据风挡曲率，合理匹配刮臂角度及压力，以保证刮片正确运行姿态；合理设计机械四连杆机构传动角、压力角、加速度等参数，提高机构运行效率。

5 小结

在实际驾驶过程中，人们感受到的是整车条件下的各类噪音。而在整车条件下，刮水器噪音与车身结构、整车密封性等直接相关，因此在提升刮水器自身噪音控制水平的同时，需同时优化其它周边系统的设计，共同改善整车噪音水平。
 
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