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后视镜风噪性能的设计研究
2021-12-06 23:04:44· 来源：汽车NVH云讲堂
[摘要]:文中从后视镜风噪性能设计出发，针对后视镜镜臂上表面倾斜角、镜臂厚度、镜臂长度、后视镜安装基座厚度、后视镜镜头内侧面与侧窗的夹角等参数，分别进行
[摘要]:文中从后视镜风噪性能设计出发，针对后视镜镜臂上表面倾斜角、镜臂厚度、镜臂长度、后视镜安装基座厚度、后视镜镜头内侧面与侧窗的夹角等参数，分别进行了针对性的研究分析，并总结形成了各设计参数在后视镜风噪开发中的影响规律。
关键词:后视镜，风噪，性能设计
1. 引言
随着汽车产业的快速发展，汽车的普及率逐年升高，许多用户已经步入拥有第二、第三辆车的阶段，因此，车辆之于用户，除了简单的代步、装东西功能外，性能优劣也被重视起来，其中，驾乘舒适性，已成为用户对车辆性能关注的重点。
随着车速的升高，车外的风噪声会随之增大，造成用户的舒适性下降，甚至产生抱怨和投诉。提升车辆风噪性能水平，已成为各大主机厂关注的重点。由于后视镜与侧窗玻璃及驾驶员的距离较近，该区域的风噪声是驾驶人耳处噪声的重要组成部分[1-3]，因此，后视镜的设计，是车辆风噪性能开发的重中之重。
后视镜的安装方式目前主要有：三角窗安装和车门外板安装两种，据不完全统计，约80%的车辆选择前一种安装方式，且通常，后视镜采用车门外板安装方式均有比较优越的局部风噪性能水平。因此，本文将针对采用三角窗形式安装的后视镜，在powerflow软件中，对其风噪性能设计展开研究，文中选取以下参数做单一变量对车内风噪声影响的分析，包括：1.后视镜镜臂上表面倾斜角α；2.后视镜镜臂厚度h；3.后视镜镜臂长度L；4. 后视镜安装基座厚度d；5. 后视镜镜头内侧面与侧窗在X-Y平面的夹角β。
2. 镜臂上表面倾角对风噪的影响
后视镜镜臂上表面与水平面的夹角定义为倾角α，初始状态后视镜镜臂上表面倾角为-3°，保持其他条件不变，建立如图1所示的镜臂上表面倾斜角度3°、5°、12°、17°、22°方案，验证镜臂上表面倾角对风噪性能的影响规律。
基于powerflow软件，在140kph车速工况下，对以上倾角方案进行仿真分析，得到如图2所示车内风噪声的响应曲线。
从图中可以看出随着上表面倾斜角度的增大，低频段（250-500Hz）声压级增大，高频段（500-8000Hz）声压级降低，频谱曲线呈现以630Hz附近为支点的“跷跷板”形式。针对风噪声，我们更加关注的是高频部分，由图3所示，通过分析倾角α与车内语音清晰度之间的关系曲线不难发现，随着镜臂上表面倾斜角度的增大，语音清晰度先是逐渐提升，当倾角达到12°时，语音清晰度最高，但继续增大上表面倾角语音清晰度随之降低。
内语音清晰度先增大后减小，α=12°时语音清晰度最大，风噪性能最佳。
3. 镜臂厚度对风噪的影响
后视镜镜臂厚度按照如图4所示位置进行测量得到。原状态镜臂厚度为46mm，参考标杆车镜臂厚度（集中在35-50mm之间），分别建立镜臂厚度为36mm、41mm及51mm的验证方案。
从图5，镜臂厚度h变化车内风噪声的响应曲线可以看出，4个验证方案在全频段几乎没有明显差异，但从设计尺寸上看，4个方案的设计跨度达到了15mm，因此，我们需要对镜臂厚度的方案进行定性分析。
如图6所示，随着镜臂厚度增加，镜臂后部脱落涡涡区变大，不利于降噪；随着镜臂减薄，其后部脱落涡逐渐减小，利于降噪。
如图7所示，随着镜臂减薄，后视镜镜臂喇叭口内涡形变大，涡量增加，不利于降噪；但随着镜臂减薄，其后部脱落涡减少，利于降噪。
综上，在工程实际中，后视镜镜臂厚度建议的设计范围为35mm-50mm之间，且在能够满足后视镜内部结构布置和刚度等要求的前提下，尽可能的减薄设计，以获得最佳的风噪性能。
4. 镜臂长度对风噪的影响
如图8所示，对后视镜镜臂长度L在30-70mm范围每间隔10mm设定一个臂长方案进行验证，探索镜臂长度L对车内风噪声的影响规律。
应用powerflow软件，对以上五种镜臂长度方案进行了计算，得到车内风噪声响应频谱曲线如下图9所示，从图中能够看出，镜臂长度的变化，对车内响应的影响主要集中在①1000Hz附近、②2500-6300Hz频率段范围内，且镜臂长度L最短的30mm方案在①②两个频段均较其他方案要差，但仅通过读取如图16所示声压级数据发现，各方案之间差别在±0.3dBA范围内，很难区分在镜臂长度超过40mm以上的四个方案的优劣，因此采用总声压级来评价各方案镜臂长度调整车内响应的优劣存在不妥。
通过计算各镜臂长度方案所对应的语音清晰度数据得到，镜臂长度为30mm方案，其语音清晰度水平最差，为50.6 AI%，而40mm镜臂长度方案最佳，为57.8 AI%，50-70mm的三个方案对应的语音清晰度数据依次变好，且介于30mm和40mm状态之间。
由图10可以看到，随着镜臂的延长，后视镜尾涡逐渐远离侧窗；镜臂长度40mm与50mm相比，后视镜尾涡到侧窗距离变化较小，而当镜臂长度增加至60mm及70mm后，尾涡与侧窗距离明显增大，从流场角度可以推断风噪性能逐渐向好。
从图11同样可以看到，随着镜臂延长，喇叭口内通过的气流会逐渐增多，三角底座表面处涡略有变大，可能存在增大风噪的风险，但随着镜臂的延长，后视镜尾涡远离侧窗，有利于降低后视镜镜头后部尾涡区噪声对车内的影响。
针对镜臂长度L进行了风洞试验验证，验证方案参照图12，将后视镜模型分成三部分，分别是三角底座、镜臂和后视镜镜头，全部采用树脂材料加工而成。试验过程中，通过更换不同长度的镜臂，从而测试验证镜臂长度对车内风噪声的影响。
从图13中可以看出，用车内语音清晰度数据作对比，镜臂30mm长度方案为最差，镜臂40mm最优，通过风洞试验，验证了后视镜镜臂延长对车内语音清晰度的影响规律与仿真结果一致。
虽然后视镜镜臂继续延伸，可能使车内风噪性能持续改善，但考虑到工程实际情况，继续延伸镜臂长度进行验证意义不大，因此，后视镜镜臂最佳设计长度推荐在40mm左右。
5. 后视镜安装基座厚度对风噪的影响
如图14，对后视镜安装底座厚度进行研究，在10mm的基础状态下建立三角底座厚度分别降低1.5mm及增厚3mm的两个方案，验证三角底座厚度，即三角板外表面与侧窗的段差对风噪性能的影响。原状态三角底座上表面略高于前部窗框亮条；三角底座高度降低1.5mm方案，其上表面与前部窗框亮条基本在同一平面上。
图15中，三角底座增厚到13mm的方案，三角底座后部分离区增大，涡区变大，不利于该区域的噪声降低；三角底座减薄至8.5mm的方案，三角底座后部分离区域小，涡区也相应的要变小，有利于降低局部噪声。
由图16可以看出，在三角底座原状态基础上，增厚3mm的方案，车内声压级增大0.5dBA，语音清晰度降低2AI%，，风噪性能明显变差；减薄1.5mm的方案，声压级降低0.1dBA，语音清晰度提升0.5AI%，风噪性能变好，与流场现象相对应。
因此，后视镜安装基座的厚度，在风噪性能中起到非常关键的作用，需要严格控制该厚度尺寸，以此来保证后视镜区域的风噪性能。
6. 后视镜镜头内侧面与侧窗在XY平面的夹角对风噪的影响
取从上向下看，顺时针为正，后视镜镜头内侧面与侧窗在X-Y平面的夹角β，即通常所说的喇叭口角度，针对β角为14°、6°、3°、0°及-2°的五个方案进行研究，如图17所示。
由图18可以看出，β角从14°向-2°变化的过程中，后视镜内侧面附近气流分离区逐渐减小，但随之影响的是后视镜镜头后部的涡区面积放大，因此仅通过流场不能准确判断该区域流动改变对风噪的影响效果。
从图19所示的涡量图中可以看出，β角度越大，后视镜内侧及后部涡区分布越大，能量耗散越多。
由图20，以β为0°为基准，从分析数据上得到如下：喇叭口角度为14°方案风噪性能最差，总压级升高0.7dBA，语音清晰度降低4.1AI%；
喇叭口角度为6°，总压级升高0.1dBA，语音清晰度降低1.4AI%；
喇叭口角度为3°，总压级升高0.1dBA，语音清晰度降低0.4AI%；
喇叭口角度为-2°，总压级降低0.2dBA，语音清晰度提高0.3AI%。
由图21，喇叭口β角与语音清晰度之间的关系图中，可以看出，随着喇叭口β角度的顺时针增大，车内语音清晰度数据呈直线下降趋势。
综上，为减小后视镜后部尾涡区域大小和强度，同时尽可能减小后视镜内侧气流的分离，建议采用β角设计为0°附近为宜。
7. 总结
文中借助专业的风噪分析软件powerflow，针对后视镜镜臂、安装基座及喇叭口角度设计进行了针对单一因素变化对车内风噪声的影响研究，基于研究结果对以上设计要素提出了相应的设计建议。文中提及的后视镜区域设计参数仅是工程应用中的一小部分，还应该包括但不限于以下参数，如后视镜镜壳上表面与水平夹角、镜壳及镜臂下表面型面及其角度等。同时，后视镜风噪性能设计是一个多参数共同影响的复杂过程，本文仅对研究思路和方法进行了阐述，仍有大量未尽工作需要进一步深入研究和总结。
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