汽车雨刷系统运行噪声的基本原理研究

摘要

        雨刷系统由电机、联动装置、手臂和叶片组成，通过清除雨雪和挡风玻璃上的异物，为驾驶员提供清晰的前方视野。这是一个系统组件，需要一个强大的设计，以满足系统的刚性，擦洗性能，以及任何外部条件下的操作噪音，为驾驶员提供一个前视图。然而，近年来，随着汽车发动机和噪音水平的降低，客户对雨刷噪音的投诉有所增加。在分析雨刷噪声的基础上，提出了各种雨刷噪声的定量判断标准。此外，通过声场分析预测了雨刷噪声对环境因素的影响，并提出了解决方案。

引言

        雨刷系统由电机、联动装置、手臂和叶片组成，通过清除雨雪和挡风玻璃上的异物，为驾驶员提供清晰的前方视野。这是一个系统组件，需要一个强大的设计，以满足系统刚性，擦洗性能，以及在任何外部环境下的操作噪音，为驾驶员提供一个前视图。然而，在分析客户对雨刷系统的投诉后，确认客户最不满意的是雨刷片的噪音/振动。通过对客户投诉车型的分析，确认豪华车的噪音比中小型乘用车更令人抱怨。我们已经确认，我们的评价标准侧重于情感评价，不足以改善客户不满意的各种雨刷操作噪音。因此，本文提出了一种定量分析方法，可以分析雨刷系统中可能出现的各种噪声。

        人的听觉系统主要由外耳、中耳和内耳组成。声音传播路径由颅脑->外耳道->鼓膜->听骨->耳蜗组成。耳蜗的基底膜被称为基底膜，它是由硬而短的纤维组成的，但它是由长而软的纤维组成的，一直延伸到耳蜗的末端。由于这种结构上的差异，每个部分的基膜对不同的频率作出反应。也就是说，由于基底膜在不同的位置沿着声音的频率弯曲，激活的毛细胞是不同的。近基膜上的高音在远基膜上共振良好。声音的重要物理量是频率和强度。一个人可以通过声音的频率和强度来区分声音。频率的差异可以通过检测到的毛细胞类型来确定，频率的差异可以通过声音的音调来识别。声音的强度可以通过毛细胞检测到的信号的大小来确定，声音的强度除以振幅。换句话说，由于人耳的结构形式，仅仅根据声音的大小来识别声音的质量是不可能的。     

        虽然我们仍然只根据雨刷噪声的噪声水平来管理雨刷噪声，但其他认识到需要提高噪声质量的竞争对手已经通过引入使用Zwicker参数的心理声学质量标准来管理雨刷噪声。实验人员的噪声评价标准是基于对情感音质的评价，以及对雨刷噪声影响最大的各种环境条件下的叶片性能评价标准。本文提出了雨刮器噪声的定量情感噪声判别方法，并建立了考虑环境影响的验证方法。

噪音测量及评估

        在本研究中，我们通过对大型/中型/小型/小型/小型/ RV车辆进行分类，记录雨刷器的工作噪声。82名客户使用车内记录的数据进行感官评估，对雨刷噪音的首选/非首选车辆进行分类。在此基础上，分析了室内外噪声特性、隔声膜应用影响分析、电机及连杆机构噪声、新旧叶片噪声变化趋势。因此，可以区分出雨刷噪声质量迅速恶化的非首选车辆组。下表2显示了偏好组和非偏好组车辆分类的结果和示例。基于此评价结果，我们与被分类为优选组的车辆对被分类为非优选雨刷噪声的车辆进行了比较分析。

可视化噪声分析

对优选车辆和非优选车辆的新雨刷系统和旧雨刷系统的运行噪声进行了比较。老化雨刮器系统在不更换雨刮器叶片的情况下，按照耐久性评估规范连续运行30万次，确认叶片压力、迎角、超量指标满足要求后，进行对比评估。在消声室内分别对优选组和非优选组车辆在发动机关闭和挡风玻璃湿化条件下的室内和室外进行了可视化噪声测量。图2为优选车辆和非优选车辆的噪声可视化分析结果。偏好组车辆在室外测量时噪声位置在新车和旧车之间没有变化，而在室内测量时低频反转噪声增加。在非优选组中，老化雨刷在室外测量时噪声位置与新雨刷相比发生变化，在室内测量时低频反演噪声增大。雨刷器噪声最高的频率主要发生在车外1.5 ~ 3Khz，车内1KHz或更低，无论车辆的划分和雨刷系统的使用寿命如何。此外，刮水器噪声在上下换向位置比移动范围大，在上换向位置比下换向位置大。随着雨刷系统的老化，在低于500赫兹的频率下，传输噪声的大小受到显著影响。考虑到各种噪声的影响因素，仅凭上述结果不可能知道噪声的位置和噪声变化的原因。因此，有必要通过分析刮水器传动噪声和擦拭操作来分析刮水器噪声的特性。

噪声特性分析

分析了雨刷运行过程中室外噪声和室内噪声的特点。图3为发动机关闭时，在玻璃湿状态下，雨刷速度较低时的室外和室内雨刷噪声谱。室外噪声有一个频谱范围从2000到8000Hz。

但主要在室内听到的噪声主要在1500hz以下频段。通过对噪声特性的可视化分析，可知擦拭噪声分布在3000Hz以上的室外波段。另一方面，通过车辆内部传播的擦拭噪声主要存在于小于500赫兹的频率。

        如图4所示，从室外穿过室内时雨刷擦洗噪声总体上呈现出高频衰减和低频增加的特征。可见，应用于豪华轿车的挡风玻璃隔音PVB膜在高频范围内阻隔风噪声，对擦拭噪声的影响并不大。

        当雨刷噪声传递到室内并传递到低频噪声时，噪声在很大程度上可以分为两种。第一种是刮水片与玻璃的摩擦噪声，第二种是由于电机及联动装置的运行而产生的传递噪声。表3为发动机关闭时雨刮片关闭状态下电机及连杆传动噪声分析结果。

        因此，刮水电机和连杆机构的传动噪声可分为两种类型。可分为小于300Hz的低频结构噪声和500Hz左右的频段，与电机产生的噪声相对应。特别是，第8条和第2条的设计彼此相似。但#8对电机运行噪声的传输效果较好，而#2对结构噪声的传输效果较好。#2是顾客情感评价结果中属于偏好组的车辆，#8是顾客噪声评价结果中属于非偏好组的车辆。这可以让我们推断出什么样的噪音是敏感的和不舒服的客户。

        优选组4号雨刷电机和连杆运行噪声在房间内约300和500 Hz处出现峰值，与表4中的4号发动机噪声显示相同的峰值。可以看出，这种噪声掩蔽效应实际上使雨刷电机及连杆噪声小于其他车辆噪声。

        也就是说，确认了雨刷电机及联动噪声的传递特性受到发动机噪声特性、车身结构特性和隔声性能的影响。

雨刷噪声分类

        刮水器刮片劣化影响刮片、玻璃摩擦系数和摩擦力，造成直接传动噪声。本文分析了在发动机关闭的情况下，在雨刷低和玻璃湿的情况下，新叶片和内部部件的噪声。

        如表5所示，老化叶片噪声大于新叶片噪声。但是，车辆噪声增加的频率范围是不同的。

        客户首选的雨刷噪声在雨刷倒转段20 ~ 500Hz的频率范围内，低频声音有增加的趋势。而客户不喜欢的雨刷噪声，在1500 ~ 2500hz的高频段有增加吱吱声的趋势。虽然声音的大小不大，但可以确认的是，高频段的吱吱声噪音引起客户对聆听感的不满。

        根据客户的听觉评价结果，分析优选组和非优选组的雨刷噪声特性，可按频率分析噪声特性，如图5所示。此外，我们能够区分每个频段的噪声敏感客户。客户对高频橡胶吱吱声和电机传动噪音反应敏感。

雨刷噪声模拟

        理论上，影响雨刷噪声的因素有橡胶截面及物理性能、摩擦系数变化、压紧压力、接触角，如图6所示。

为了确定这些理论参数的影响，对影响雨刷噪声的基本持续时间因素进行识别和分类，如下表6所示。可引起噪声的典型耐久性因素有推力压力变化、运转速度变化、橡胶性能变化、摩擦系数变化、叶片磨损、玻璃污染、低温/高温环境变化。

        表6中的图a、b、c为我公司使用的叶片截面。A、b、c具有不同的形状、摩擦系数和橡胶性能。因此，本文通过对a、b、c的橡胶硬度评价、拉伸试验、剪切试验得到Mooney-Rivlin参数，并对a、b、c进行噪声分析。

        采用声场分析技术实现了噪声因子的分类。声场分析方法是利用欧姆声学定律将雨刷系统结构分析所测得的雨刷在玻璃上的表面速度转换成声压的方法。这使得构建具有各种条件的雨刷环境条件，并通过实际声场分析来预测雨刷的噪声成为可能。

        利用耐久性分析得到的表面速度建立了声场模型，并根据耐久性变化进行了噪声分析。通过对雨刮器叶片耐久性和动态特性的分析，对分析结果进行了频率比噪声的比较和分析。

        利用Zwicker的音质分析参数对雨刷叶片的声压(SPL)值、响度、锐度、粗糙度和波动强度进行对比，灵敏度分析结果如图7所示。图的横轴表示叶片的缺陷，这些缺陷可能根据环境条件的变化而发生。通过声场分析，确定叶片缺陷发生时声压(SPL)值、响度、锐度、粗糙度和波动强度的变化规律。图上的斜率越大，新叶片和老化叶片之间的噪声变化越大。分析表明，a叶片和c叶片在退化和冷变形条件下的图斜率都很大，这可能表明退化和低温变形条件下噪声较差。“b”叶片在玻璃污染和低温条件下也表现出高噪声波动。此外，如图8所示，通过对声场的分析，确认了“a”叶片在劣化和低温条件下产生颤振和吱吱声噪声，“b”叶片在玻璃污染条件下，在玻璃摩擦系数不恒定的情况下，可逆噪声增加。

        此外，在劣化和低温条件下，发现“c”叶片具有较大的反转噪声和抖振噪声。图8显示了“a”、“b”和“c”叶片五种环境条件下的噪声水平。在颤振、反转和吱吱噪声频率区，根据环境条件分析了叶片的噪声大小。

        结果表明，a和c叶片在叶片变形和寒冷条件下表现出更高的噪声水平。然而，“a”叶片表现出较高的吱吱噪声，而“c”叶片则表现出较大的反转噪声。在玻璃污染条件下，“b”叶片有较大的反转噪声。也就是说，即使在相同的环境条件下，噪声的类型也可以根据叶片的特性而改变。为了验证上述结果，对实际车辆雨刷片的动态特性分析与行为进行了对比分析。将老化叶片附着在实际车辆的玻璃上，对玻璃进行污染，改变摩擦系数。通过改变玻璃的摩擦系数和不均匀分布叶片压力，模拟了与实际情况相似的分析条件。

        结果表明，“a”和“c”叶片在倒转后出现滑粘和抖振现象。图9为实车评价结果和高速摄像机对叶片垂直振动成像测量结果。通过分析，确认了叶片在玻璃上的振动位置和振动现象与分析结果一致。这可以通过预先模拟雨刷器中可能出现的噪音问题来防止，使用反映雨刷系统物理特性和环境条件的声场分析。

总结

本文通过对雨刮器噪声的基础研究，探讨我国雨刮器噪声标准存在的不足，并探讨其改进方向。

本研究得出以下结论:

1. 根据客户标准建立雨刷穿透噪声的定性标准。

给出了雨刷器颤振噪声、反转噪声和扫频噪声的频率范围和噪声特性。

2. 分析了雨刮器噪声的影响因素，并通过声场分析技术和茨威克噪声灵敏度评价对雨刮器系统的频率比噪声进行了分析。

3.我们建议引入反映雨刷劣化、磨损状况、高温/低温状况、玻璃污染状况的声场分析技术，作为我们的初步问题预防技术。

4. 此外，我们还介绍了一种建立雨刷噪声问题质量控制流程的方法，通过引入我们的可靠性评估标准来考虑与上述分析考虑相同的叶片劣化情况

文章来源：

Kong, N., Lee, K., and Park, J., "Study on Basic Principles of Operation Noise of Wiper System on Vehicle," SAE Int. J. Adv. & Curr. Prac. in Mobility 1(2):474-479, 2019,https://doi.org/10.4271/2019-01-1421