改善可變排量油泵NVH性能的最佳葉片間距

【美】 A.Zouani G.Dziubinschi V.Marri S.Antonov

0 前言

在競爭激烈的汽車市場，動(dòng)力總成工程師為改善噪聲和振動(dòng)［1］，在成本、質(zhì)量和燃油經(jīng)濟(jì)性方面作出了巨大努力。但是由于較低的自屏蔽噪聲水平，產(chǎn)生的安靜環(huán)境有可能會(huì)導(dǎo)致爭議性的噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）處于誤差狀態(tài)［2］。由于采用的新技術(shù)導(dǎo)致NVH誤差狀態(tài)數(shù)量增加，使得提高燃油經(jīng)濟(jì)性的措施更加復(fù)雜。因此需要減小此類誤差，以實(shí)現(xiàn)最佳的駕駛舒適性。

例如，為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦，圖1所示的可變排量油泵正在取代G轉(zhuǎn)子泵。由于葉片泵產(chǎn)生的高油壓脈沖，使NVH性能有所降低［3］。葉片泵通過一系列離散的油袋提供機(jī)油，從低壓側(cè)到高壓側(cè)可實(shí)現(xiàn)快速過渡。這導(dǎo)致了較高水平的油壓脈沖，通過潤滑系統(tǒng)內(nèi)的激發(fā)，在諧波處可產(chǎn)生音調(diào)噪聲。

圖1 典型7葉片可變排量油泵

為了降低葉片泵的音調(diào)噪聲，研究并優(yōu)化了油泵的端口變化和不均勻的葉片間距配置［1］。這兩個(gè)變化都可通過瞬態(tài)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［4］，以評估其對泵性能和泵出口壓力脈沖的影響。

在前期的研究中，例如文獻(xiàn)［5］中涉及的不均勻油泵葉片間距配置，其減小了油壓主要階數(shù)的幅度。在該配置中，油壓脈沖的能量散布在泵的主要階數(shù)附近。

1 優(yōu)化方法

開發(fā)了1種分析方法，以確定由n個(gè)葉片組成的葉片泵的n個(gè)扇區(qū)中的每個(gè)最佳值，如圖2所示。由圖3可以得出，斜三角形脈沖基本可以代表實(shí)際壓力曲線。為此，分析方法假設(shè)泵的每個(gè)扇區(qū)在泵的出口處會(huì)產(chǎn)生偏斜的三角形脈沖（如圖4（b）所示）。在這種情況下，由第一扇區(qū)創(chuàng)建的壓力曲線可以表示為

和

由其余k個(gè)扇區(qū)創(chuàng)建的壓力曲線可以表示為：

和

在這些方程中，由扇區(qū)k（k＝1至n）創(chuàng)建的壓力pk（θ）被描述為由該扇區(qū)、偏斜比α（0＜α＜1）和扇區(qū)1～k的角度βi（i＝1～k）等參數(shù)所產(chǎn)生的峰值壓力。

圖2 典型的7葉片油泵轉(zhuǎn)子

圖3 7葉片油泵出口處的典型壓力曲線

根據(jù)式（1）～（4），如圖4所示，每個(gè)脈沖的寬度等于相關(guān)扇區(qū)的角度值。在泵旋轉(zhuǎn)之后產(chǎn)生的壓力曲線被計(jì)算為（n）扇區(qū)中各個(gè)脈沖的總和。Matlab程序?yàn)閚個(gè)扇區(qū)的角度和偏斜比α的壓力曲線和相應(yīng)的臨界階數(shù)（n的倍數(shù)）。同時(shí)結(jié)合modeFRONTIER軟件，以改變n個(gè)扇區(qū)的角度，創(chuàng)建設(shè)計(jì)空間，并使用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

分析所允許的最小和最大扇區(qū)角度。較大扇區(qū)的最大寬度受泵性能以及泵出口處耐久性的限制。較小扇區(qū)的最小寬度受油泵轉(zhuǎn)子耐久性的限制。另外，所有扇區(qū)的角度總和應(yīng)該等于360°。

圖4 油泵出口壓力曲線的表示

優(yōu)化分析的目的是使油泵壓力脈沖的關(guān)鍵階數(shù)最小化。按照重要性，油泵的第三、第四、第五和第六諧波是在低轉(zhuǎn)速工況下由于輕加速導(dǎo)致的令人不適的噪聲的典型階數(shù)。這是由于在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下與諧波相關(guān)聯(lián)的高能量同發(fā)動(dòng)機(jī)自身較低的自屏蔽噪聲水平相結(jié)合的結(jié)果。

圖5說明了為改善NVH性能而優(yōu)化油泵葉片間距而設(shè)立的工作流程。

圖5 整個(gè)優(yōu)化過程的工作流程快照

2 優(yōu)化結(jié)果

圖6顯示了對7葉片油泵獲得的典型優(yōu)化分析結(jié)果。分析假設(shè)了具有恒定峰值壓力的偏斜三角形脈沖（α＝0.1）。圖上的每個(gè)點(diǎn)代表葉片間距的獨(dú)特配置。在此例中，選擇圖6所示的配置1，并將其示于表1中，作為具有較低能級的第三和第四諧波的葉片泵的示例。其中，圖6描述了用于比較目的的等間隔葉片泵的性能。

對傳統(tǒng)的9葉片泵和11葉片泵進(jìn)行了類似的分析，結(jié)果見圖7、圖8。使用具有其他偏斜比（0.25和0.75）的壓力曲線和作為相關(guān)扇區(qū)尺寸函數(shù)的峰值壓力進(jìn)行了重復(fù)分析。

圖6 7葉片泵的優(yōu)化結(jié)果

圖7 9葉片泵的優(yōu)化結(jié)果

圖8 11葉片泵的優(yōu)化結(jié)果

3 討論

根據(jù)圖6、圖7、圖8示出的試驗(yàn)結(jié)果，葉片泵多目標(biāo)優(yōu)化為提升NVH性能提供了多種選擇。圖中，紅色虛線描繪了NVH的最佳設(shè)計(jì)選項(xiàng)。隨著葉片的數(shù)量從7片增加到9片或11片時(shí)，壓力級的最低振幅可以更接近于0。表1中提供的配置是改善NVH的葉片扇區(qū)的最佳配置。表1顯示，所有配置具有1個(gè)扇區(qū)，其角度接近等于（360／n）°度的標(biāo)稱值，一組（n－1）／2個(gè)扇區(qū)具有大于標(biāo)稱值的對應(yīng)角度，并且剩余的組（n－1）／2個(gè)扇區(qū)具有小于標(biāo)稱值的對應(yīng)角度。因此，兩組扇區(qū)之間的差距受到泵的耐久性和性能要求的限制。

為了對優(yōu)化方法有效性進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)配置1A和1B構(gòu)建了兩個(gè)7葉片原型油泵，見表2。除了葉片間距外，這兩個(gè)泵的設(shè)計(jì)相同?；趦?yōu)化結(jié)果，如圖6所示，預(yù)計(jì)配置1A分別對于壓力脈沖的第二十一階和第二十二階的噪聲分別減少了7.3dB和3.5dB。這些泵都是在半消聲測力計(jì)實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行的V6發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行測試的。發(fā)動(dòng)機(jī)在無負(fù)荷條件下根據(jù)ASTM J1074標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測試。使用位于發(fā)動(dòng)機(jī)每側(cè)1m處的1組麥克風(fēng)測量空中噪聲的第二十一和第二十八階。圖9（a）和圖9（b）顯示的是以4個(gè)麥克風(fēng)在左、右、上、前最大范圍測量的數(shù)據(jù)。在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，配置1A與第二十一階和第二十八階的配置1B相比，平均降低了6dB和3dB。即使配置1A并非最好的配置方案，如圖6所示，和優(yōu)化方法的預(yù)測結(jié)果一樣，測試數(shù)據(jù)證實(shí)了配置1A優(yōu)于配置1B。

表1 傳統(tǒng)7葉片、9葉片和11葉片泵的優(yōu)化結(jié)果

表2 測試的7葉片油泵配置

圖10顯示了7葉片的油泵所產(chǎn)生油壓的計(jì)算階譜。在這種情況下，假設(shè)了葉片產(chǎn)生具有恒定峰值壓力的傾斜三角形脈沖。很明顯的是，不均勻的葉片間距設(shè)計(jì)降低了泵的主要階數(shù)幅度，但在這些階數(shù)周圍產(chǎn)生了邊帶。任何邊帶階數(shù)的振幅均低于由均勻間隔葉片產(chǎn)生的主要階數(shù)振幅。通常這些邊帶可以為主泵的階數(shù)提供額外的衰減。然而，如果它們令人感到不適，則可以使用文中概述的優(yōu)化方法來確定適當(dāng)?shù)娜~片間距，同時(shí)將邊帶保持在可接受的程度。

圖9 空載條件下測量的發(fā)動(dòng)機(jī)第二十一階段和第二十八階音調(diào)噪聲

圖10 葉片間距對7葉片泵的壓力脈沖階譜的影響

實(shí)際壓力曲線被模擬成具有恒定峰值壓力的三角偏斜脈沖，見圖4（b）。不過，這無法代表所有實(shí)際的壓力曲線。為了解實(shí)際壓力曲線對最佳設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的影響，還進(jìn)行了兩項(xiàng)額外的研究。第一項(xiàng)研究考察了不同偏差比的影響（圖4（b）），而第二項(xiàng)研究調(diào)查了最大壓力幅度的影響（圖4（c））。優(yōu)化結(jié)果表明，葉片間距的優(yōu)化配置對偏斜比或峰值壓力的變化不敏感。

4 結(jié)論

本文描述了在具有n個(gè)葉片的常規(guī)VDOP中，確定葉片間距的改進(jìn)方法，以提高NVH性能。結(jié)果表明，對于7葉片泵、9葉片泵和11葉片泵，最佳NVH配置是具有泵轉(zhuǎn)子的1個(gè)扇區(qū)，角度接近等于（360／n）°的標(biāo)稱值，一組（n－1）／2個(gè)扇區(qū)具有大于標(biāo)稱值的對應(yīng)角度，并且剩余的（n－1）／2個(gè)扇區(qū)組具有小于標(biāo)稱值的相應(yīng)角度。推薦采用該類型的配置作為最佳設(shè)計(jì)以投入實(shí)踐，以優(yōu)化其NVH性能。

現(xiàn)已考慮了油壓曲線的不同變化，對優(yōu)化研究的結(jié)果未造成影響。但是有一個(gè)不存在于油泵中的邊帶。到目前為止，邊帶沒有引起任何的發(fā)動(dòng)機(jī)NVH問題。目前所提出的優(yōu)化方法可以結(jié)合多目標(biāo)函數(shù)來處理該問題。對于具有不同葉片間距的兩臺(tái)油泵獲得的NVH試驗(yàn)數(shù)據(jù)，已證實(shí)了該方法的有效性。