特色各异的汽车NVH解决方案

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图1 噪音传播的路径（图片来源于汉高股份有限公司）




在改善汽车的NVH性能方面，密封、阻尼、阻隔、加强和吸音技术不可或缺。借助于完备的NVH工程开发技术和丰富的汽车NVH应用经验，一些NVH材料供应商不仅推出了性能优越的NVH材料，而且提供了独到的NVH解决方案。

噪音（Noise）、振动（Vibration）和声振粗糙度（Harshness，也称“不平顺性”），这些被统称作“NVH”的问题日益成为汽车制造业关注和研究的重点。长期以来，为了能够为消费者带来更加舒适的驾乘环境，汽车OEM们总是在极力地改进汽车的NVH性能，以期最大限度地降低车内噪音、减少振动并改善不平顺性。近年来，伴随着人们要求的日益提高，以及相关法规的日益严格，NVH问题已成为汽车产业界研究的一项重要课题。

对NVH问题有过研究的人们都知道，车内噪音的来源非常复杂：发动机的振动和噪音、排气系统的噪音、风扇噪音、传动系统噪音、内饰系统噪音、路/胎振动、胎噪、制动噪音以及风噪等都是车内噪音的根源。通常，人们习惯于按传播路径将车内噪音区分为两大类，即：由结构传递的中、低频噪音，它们通常由动力系统的振动、车身悬置系统的振动以及路/胎振动而引起，并通过车身结构振动传播到车内；由空气传递的中、高频噪音，涉及：动力系统噪音、路/胎摩擦噪音以及风噪等。这些错综复杂的车内噪音来源表明，改善汽车的NVH性能是一项复杂的系统工程，它涉及了汽车结构设计以及制造过程的方方面面。




图2 丰田汽车公司将巴斯夫的Basotect（巴数特）TG 三聚氰胺树脂泡沫用于其Lexus LS 系列汽车上





首先，必须从源头着手进行“主动降噪”。其方法包括：优化发动机和车身结构、提高车身刚度、改进悬置系统，以及提高零部件的加工精度和装配质量，如此等等，以将噪音源和噪音传播路径最小化。对于汽车OEM而言，他们都期望通过主动降噪的实施，来获得最佳的NVH性能。然而，诸多的复杂因素表明，主动降噪措施很难做到尽善尽美。作为主动降噪的必要补充，被动降噪不可或缺。

被动降噪措施的应用范围广泛，涉及发动机部件、车身结构部件、内饰部件和外饰部件等，其方法主要包括：采用吸音、隔音材料和密封技术来降低空气传递的中高频噪音；采用阻尼材料来设置屏障以隔断振动，以及采用加强材料增强结构部件的刚性来改变激振形态和激振频率，以此降低结构传递的低频噪音。在此方面，许多NVH材料供应商做了大量研究，并积累了丰富的应用经验，从而开发出了持续创新的NVH解决方案。




图3 欧文斯科宁的引擎罩隔音隔热棉成形件VM4800





吸音材料和技术

通常，处于不同工作环境下的汽车部件，对吸音、隔音材料的要求也不尽相同。例如，除了要求具有良好的吸音隔音性能外，发动机罩盖要求材料要具有较高的耐高温性，发动机底盘和车轮罩则要求材料具有良好的耐腐蚀性和抗磨损性，而内饰部件则更关注材料的环保性能，如此等等。

针对发动机的噪音问题，巴斯夫公司推出了Basotect（巴数特）TG 三聚氰胺树脂泡沫，它是应用广泛的Basotect（巴数特）产品系列中一种可热成型的牌号，具有出色的吸音性和耐热性。基于微细的开孔结构，Basotect（巴数特）TG能很好地吸收从中频到高频的声音。即使在高温环境下连续工作，仍能为汽车带来良好的隔音性能。因此，该材料可应用于引擎罩盖覆层、发动机与乘客仓室间的隔板、变速箱通道罩以及发动机附近的壳体。作为一种轻量化材料，Basotect（巴数特）TG的密度大约为9 kg/m3，比玻璃棉、棉毡或其他常用于引擎罩盖覆层的纤维材料更轻，因此还有助于降低汽车的重量。目前，Basotect（巴数特）TG已被日本的丰田汽车公司用于其Lexus flagship LS 系列的引擎罩盖覆层的生产中，其出色的吸声性能很好地满足了丰田公司对静音的追求。这是Basotect（巴数特）TG第一次被用于日本的汽车制造业中。对于汽车制造商而言，提高汽车碰撞时的安全性能至关重要。凭借较高的弹性（挠性），用Basotect（巴数特）TG制成的覆层还使引擎罩盖具备最优化的行人保护性能，从而帮助汽车制造商更好地满足了日益严格的行人保护要求。据介绍，Basotect（巴数特）TG是首款可热成型的热固性发泡材料。以往，浸渍步骤是热成型这类材料不可缺少的一步，现在这个步骤可以省略，从而简化了工艺流程，提升了成本效率。




图4 AcoustiMax基材结构





就应用的广度而言，欧文斯科宁的VersaMat吸音棉不失为一种理想的选择，其应用涉及了汽车的内饰部件，如：车顶棚、门板、扬声器、后隔板、行李箱饰件、座椅、主地毯、手套箱、空调、立柱和仪表板等，以及汽车的外饰部件，如：引擎罩、挡泥板、仪表板防火墙、中央通道罩和轮罩等。该材料由两种不同熔点的纤维组成，原料可来源于33种不同类型的热塑性纤维，是一种100% PET隔音隔热材料。其优点是：吸音性能优异，轻质且可100%回收。根据应用需求，通过不同的纤维组合，可赋予该材料优良的耐高温性和耐候性。如果对其进行表面处理，还可获得良好的防水/防油和阻燃性能，以及可用于涂胶、印花、叠层或其他用途。该材料使用方便，可热压成型，利用热熔胶或双面胶即可将其与部件贴合在一起。对于塑料部件，还可采用超声波焊接的方式进行贴合。理想情况下，它可降低0.5～1dB的噪音。目前VersaMat吸音棉已通过了通用、福特和戴姆勒-克莱斯勒的材料标准，并已在这些汽车上得到了应用。




图5 用欧文斯科宁的AcoustiMax制成的车顶棚





作为一家专业的吸音材料及解决方案供应商，通过对汽车内饰系统吸音效果的深入研究，欧文斯科宁认为：座椅、车顶棚和地毯是吸收车内噪音效果最好、对降低车内噪音贡献最大的内饰部件。“人们常常忽视车顶棚的降噪作用。但大量的研究表明，如果对车顶棚做恰当的吸音处理，其吸音效果远优于其他的内饰部件。” 欧文斯科宁的梁振华博士介绍说，通过优化车顶棚的透气性，可以获得更佳的吸音效果。例如，使用半透气性的面料可以提高顶棚的低频吸音性能，顶棚背部的空气层也有助于吸收低频噪音。此外，在顶棚背部铺放吸音棉，则可改善车顶板金件的阻尼减振性能。基于此，该公司新开发出了AcoustiMax热成形基材，其芯材为50%PP+50%长玻纤复合材料，上下两层分别为胶膜和无纺布，可取代目前车顶棚常用的PU泡沫，以提供更好的吸音效果。该材料具有较高的热膨胀率，可制成变截面产品，不仅提高了产品的设计自由度，还有助于消除匹配间隙，同时满足单个零件的不同部位对声学性能、强度和硬度的不同要求。与PU泡沫相比，AcoustiMax可使部件的重量更轻，强度和韧性更好，且可回收。梁振华博士介绍说，PU基材由于韧性较低，因此需要在拉手等凹陷变形较大的部位添加玻璃纤维毡，以进行增强，防止基材的拉伸破裂。这不仅增加了制造工艺的难度和成本，而且还造成顶棚的刚度分布不均。在有窗帘气囊的情况下，气囊不易在被加强部位处爆裂。相比之下，AcoustiMax基材具有各向同性的特点，韧性较高，拉伸比可达2：1，不会出现局部破裂和折弯的问题，因此无需对顶棚进行局部加强，顶棚刚性分布更均匀。据介绍，AcoustiMax基材可一步模压成形，尤其适合于对声学性能、硬度和强度有较高要求的半结构部件。其应用包括：车顶棚、门内饰板、衣帽架、行李箱饰件、备胎盖、座椅靠背和立柱等。

密封材料和技术

除了吸音和隔音外，密封技术同样非常重要，汉高股份有限公司（以下简称“汉高”）对此做了大量研究。该公司的NVH项目负责人王东川先生特别提到了“空腔密封”的概念。据介绍，焊接完成后的白车身侧围上存在一些封闭的箱体加强梁结构，即所谓的“旁路空腔结构”，如A、B、C柱，门槛、前围和侧围等。空腔除了会传递车外噪音，如发动机噪音、排气管噪音、风噪和胎噪外，当汽车高速行驶时，这些空腔中还会产生高速气流。高速气流通常会引发两大问题：首先，由于空腔不均匀，管阻大，导致高速气流与空腔障碍物之间发生摩擦，从而在空腔壁处形成涡流，最终产生湍动气流噪音；其次，湍动气流会引起空腔板金件共振，从而产生共振噪音。同时，旁路空腔就象乐器的共鸣箱，会引起空腔噪音的共鸣，有放大噪音的作用。因此，由空腔引发的“旁路噪音”必须引起重视。目前，采用密封技术来封堵空腔是解决旁路噪音问题较理想的方法。




图6 汉高的PiFi部件





为此，汉高开发了“空腔填充预成型件”产品，亦称作“Piller Filler（简称‘PiFi’）”。PiFi是一种完全定制化的产品，利用主机厂提供的空腔数据，即可设计并开发出符合其空腔结构的PiFi部件。该部件可以是两维（2D PiFi）或三维（3D PiFi）的，由骨架和热膨胀材料制成，并且其选材及成型方式均很灵活。根据应用的不同，可选用金属板材或塑料材料作为骨架。其中，热膨胀材料是旁路密封的关键。据介绍，汉高早在20世纪90年代就推出了Terophon系列的功能发泡材料，该系列材料有选用塑料基的，也有选用橡胶基的，如EPDM和EVA，其发泡倍率可以从50%～2000%不等，因而可满足不同的工况和不同的密封要求。该部件的成型方式也较多，既可采用挤出成型，也可采用注塑（包括共注塑和双组分注塑）成型。使用时，将预成型好的PiFi置于白车身的空腔结构中，借助于涂装生产中的高温，热膨胀材料即膨胀发泡并填满空腔，从而达到阻隔空气和噪音的目的。实测表明，PiFi部件可使高速行驶（大于100km/h）下的汽车空腔噪音降低2～3dB。




图7 汉高的PiFi仿真分析





此外，汉高还可为客户定制开发焊装膨胀密封产品ORBTMNV，其特点为：可挤出或注塑成任何形状；可与油性金属和导电涂层表面粘接；可膨胀自由度大，以适应任何空间的密封要求；较宽的加工温度范围；抗腐蚀性好；优于一般工业标准提出的声音阻隔要求。

王东川先生介绍说，空腔密封技术的应用涉及3项关键技术，除了上述密封材料技术外，旁路密封设计和仿真分析也至关重要。汉高除了拥有全球网络的工程服务平台外，在中国还建立了工程设计团队，采用V-one软件，从事声学包（Sound Package）仿真和旁路密封的仿真分析，从而实现优化设计。利用其成套的NVH解决方案，该公司最短可在3周内完成PiFi部件的开发。目前，该公司已为奇瑞、江淮汽车、东风柳州汽车等国内汽车企业完成了40多个自主品牌新车型的NVH零部件开发。




图8 在陶氏汽车事业部声学实验室进行的整车密封性测试





陶氏汽车事业部（以下简称“陶氏”）也对“空腔密封”做了大量研究，并开发了独特的解决方案。其中，BETAFOAM AFI隔音泡沫内芯是一种可生成高膨胀性非聚氨酯类泡沫的车身车间部件，能够被方便地安装到车身空腔所需要的位置处。其发泡倍率可达25～30倍，且具有宽泛的固化温度（150～205℃）。在电泳涂装生产中，来自电镀炉的热量能够激活以扣钩固定的聚合泡沫内芯，使其膨胀生成低密度泡沫，从而填充整个空腔的三维空间。这种三维填充的性能能够带来极好的缝口密封效果，从而可有效地阻隔风噪、排气噪音和发动机噪音等。该公司的乐传华先生介绍说，除了具有完美的空腔密封性能外，外形极薄的BETAFOAM AFI还能够最大限度地增强电镀涂层和热流，从而保证电泳液的通过和产品的受热发泡。将其插入空腔内时，可获得卓越的电镀涂层覆盖效果，保证了电泳液对车身极好的浸润。此外，该产品无需尼龙支架，因而省去了开支架及模具的费用，这使研发周期也大为缩短。BETAFOAM AFI具有各种尺寸供选，可满足不同空腔结构的填充需求，其应用主要包括：底梁和顶梁截面、轮罩、门槛和翼子板截面等。

陶氏的BETAFOAM双组分聚氨酯隔音泡沫材料则是另一款表现优异的空腔密封产品。它包括一种多聚MDI或一种异氰酸酯预聚物，与多元醇混合物或水/胺催化剂反应后，即生成硬质的闭孔泡沫材料，密度为2～5pcf，这种低密度配方的闭孔泡沫能产生非常好的阻断隔音和吸音效果。乐传华先生介绍说，目前空腔填充应用较多的二次注塑膨胀隔断片在阻断隔音的同时，还会出现噪音的反射。相比之下，聚氨酯发泡材料不仅具有三维膨胀可靠封阻的优点，还具有良好的吸音特性。“这是因为，当声波入射到多孔材料表面时,主要有两种机理引起声波的衰减:首先，由声波产生的振动引起小孔或间隙内的空气运动，造成空气与孔壁发生摩擦，这使得紧靠孔壁和纤维表面的空气运动受阻。在摩擦和粘滞力的作用下，相当一部分声能即转化为热能，由此而使得声波衰减，反射声减弱，从而达到吸音的目的；其次，小孔中的空气与孔壁和纤维之间的热交换还会引起热损失，这也使声能得到衰减。




图9 陶氏的BETAFOAM可提供优良的空腔封堵性能






”除此之外，BETAFOAM的其他优点还包括：重量更轻，材料成本更低，节省了传统方法的模具成本。由于泡沫材料可以填充任何空腔或轮廓，因此其设计性和使用性也非常灵活，即使在板金设计改变时，也不存在重新设计的问题。不仅如此，新的MDI配方还使生产现场特殊的通风设施被取消。其应用包括：前围板横梁、A柱、B柱/车顶连接、C柱、侧围和轮罩等。

据乐传华先生介绍，陶氏将密度为2pcf的低MDI BETAFOAM应用于一款中型豪华车中，以进行隔音降噪应用效果的案例研究。结果表明，该产品可同时对空气和水起到密封作用。与空腔填充块相比，其优点是：车体泄漏测试结果的可复性、可靠性和空腔封堵性更优异；每辆车的重量可减轻1.1kg。此外，每辆车的材料成本可节省18美元。而对白车身的泄漏测试结果则表明：对于基准性能为3.254cmm的白车身而言，使用了空腔填充块的性能是2.745cmm，而使用了隔音泡沫材料的性能＜0.424cmm，低于用户的目标值（＜0.849CMm)。

结构加强和阻尼技术

作为一家专业开发NVH解决方案的公司，汉高拥有较全面的产品和技术，涉及密封、吸音、阻隔、阻尼和结构加强等。除了在空腔密封方面拥有专长外，该公司在解决振动问题上同样富有经验。王东川先生介绍说，汽车本身就是一个弹性振动系统，不平的路面，以及发动机和传动系统的振动都会引起车身振动，甚至引发共振。共振不仅使车内乘员产生不舒适感，还会带来噪音和部件的早期疲劳损坏，并破坏车身的密封性。为解决此类问题，汉高开发了结构加强材料，用以提高车身板金件和结构件的刚性，改变局部共振点，以达到抑制振动的目的。其中，HSTM 301H/301G系列材料是为提高薄壁板件的刚度而特别开发的，它由高强度的约束层（可以是钢纤维或玻璃纤维）和环氧树脂骨架层组成。使用时，先对板金件或结构件做抗弯刚度分析，以确定加强部位。然后在此部位上贴加结构加强材料。在焊装或涂装生产中，结构加强材料即发生硫化反应，从而实现了对板金件或结构件的加强。




图10 汉高结构加强材料在汽车上的应用





除此之外，汉高还推出了DH20阻隔片材、PF001防火墙用阻尼阻隔片，以及HSTM 203系列阻尼材料。当这些材料被用于车顶盖、车门外板、轮胎护罩、地板和仪表板等部件中时，可减轻由风、不平的路面和引擎等引起的车顶振动、轮胎护罩振动、地板振动和仪表板振动等。其中，基于EPDM橡胶的PF001阻隔片材可在电泳涂装（ED）工艺中硫化微膨胀，从而产生高密度的蜂窝结构。当被用于仪表板防火墙（dash panel）时，可有效地阻隔来自发动机的振动噪音。对于怠速状态下的汽车而言，它可使前端降噪2dB以上。

提高车身强度和刚度的结构胶

在提高车身强度和刚度方面，陶氏的BETAMATE结构胶同样是一种完美的解决方案。它可在不增加重量和成本的情况下，提高汽车的能量吸收效率。




图11 箱体梁轴向落锤试验对比（来源于陶氏汽车事业部）





目前，陶氏新一代的BETAMATE抗碰撞结构胶的性能得到了进一步改善，包括：具有高的搭接剪切强度和撕裂强度，其相对伸长率高达7%～15%；高玻璃化温度（80℃）；在低温下（＜-30℃）具有高延展性；较小的应力断裂/疲劳性；良好的抗腐蚀性。主要产品类型包括：预凝胶型结构胶、抗碰撞结构胶、预凝胶型抗碰撞结构胶，以及包边密封胶。




图12 陶氏新一代的BETAMATE抗碰撞结构胶在汽车上的应用





这些基于多种聚合物的韧性胶，可以通过手工或机器人的操作方式，进行盘绕、喷涂和挤出, 并可用于早期开发阶段的白车身连续粘接生产中。该新产品可替代焊接和机械锁扣，用于相似的或完全不同的基底材料之间的粘接，比如高强度的钢、铝和镁等。其优点是：在使用中，无需脱脂或底涂；可减少点焊和机械锁扣周围常出现的疲劳和失效问题，从而提高产品的耐久性；提供良好的密封性能，阻止外界环境的影响。其在汽车上的应用包括：车门、引擎罩、行李箱盖板、引擎舱部件、驾驶室、车顶棚，以及梁和其他一些承载部件。

陶氏曾做了一个轴向落锤试验：将3个分别由BETAMATE结构胶、焊接以及传统的环氧粘合剂粘接的箱体梁，同时以20英里/小时的速度从高处落下。结果，用BETAMATE粘接的部件完好无损，焊接的部件发生了严重的变形，而使用了环氧粘合剂的部件甚至出现了开裂。乐传华先生介绍说，由于新一代的BETAMATE抗碰撞结构胶具有较高的韧性，因而可提供良好的抗碰撞性能，且不会引起重量的增加。在替代昂贵的焊接工艺方面，它不仅有助于降低成本，而且避免了焊缝问题的出现。