乘用車電動真空泵引起的噪聲優(yōu)化

尹文文 黃家勝 顏勇

摘 要：為了提供一種優(yōu)化乘用車用葉片式電動真空泵工作引起的噪聲的思路方法，給出了一款配備智能式發(fā)電機供電裝置的SUV車型駕駛室內(nèi)感知到的真空泵噪音表現(xiàn)，并對此噪音進行分析與優(yōu)化的實際案例。

關鍵詞：電動真空泵;氣動噪聲;異響;智能式發(fā)電機;真空助力裝置

1 引言

隨著車輛市場日趨飽和，人們對車輛的要求日益提升，在功能滿足需求的前提下，對整車感知品質(zhì)的要求越來越苛刻，對普通客戶來說，由發(fā)動機、電機等零部件帶來的工作噪音首當其沖成為關注焦點。與此同時，節(jié)能環(huán)保的理念也越來越深入人心，智能式發(fā)電機就是很好的應用實例，旨在根據(jù)不同的用電負載調(diào)整供電電壓以節(jié)約發(fā)動機能耗。那么，對于工作條件要求電壓穩(wěn)定的電動真空泵來說，其工作噪音會有什么表現(xiàn)？本文結(jié)合一個實際例子進行了分析與優(yōu)化改善。

2 電動真空泵應用及工作原理

傳統(tǒng)燃油車真空助力系統(tǒng)需求的真空度來源有兩處，一是發(fā)動機進氣歧管處真空度，二是電動真空泵供給真空度，見圖1。

真空助力器通過真空助力軟管連接至發(fā)動機進氣歧管和電動真空泵，此兩端管路上分別布置有單向閥，發(fā)動機進氣歧管端單向閥為常開閥，此常開閥將真空助力器后腔與發(fā)動機進氣歧管處于連通狀態(tài)。發(fā)動機啟動后，進氣歧管內(nèi)的真空度直接供給至助力器前腔。電動真空泵端單向閥為常閉閥，在電動真空泵處于非工作狀態(tài)時，將真空助力器前腔與電動真空泵排氣端大氣壓隔絕。為滿足制動功能的正常使用，真空助力器為伺服真空裝置，這要求即便車輛當前未進行制動，也需在真空助力器腔體內(nèi)保持足夠的真空度儲備。結(jié)合上述連接結(jié)構可知，伺服真空度優(yōu)先由發(fā)動機進氣提供，通常要求伺服真空度為-66.7KPa，但隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷變化，或進行多次制動后助力器內(nèi)部真空度消耗過快，發(fā)動機進氣真空度無法滿足此伺服真空度要求時，ECU控制電動真空泵電源回路接通，真空泵開始工作，此時進氣歧管端常開單向閥因為氣壓差而關閉，電動真空泵端連接的常閉單向閥打開，開始對真空助力器腔體抽真空，當真空度達到要求值后真空泵停止工作。

真空泵內(nèi)部工作原理為：真空泵接插件與電源接通后，由電磁感應物理原理驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，電機輸出端壓裝的聯(lián)軸器帶動泵軸轉(zhuǎn)動，泵軸帶動滾圈轉(zhuǎn)動。葉片泵為偏心設計，在離心力作用下，葉片轉(zhuǎn)動之后與殼體內(nèi)壁形成不同面積的氣室，靠近進氣口位置面積逐漸增大，到排氣口位置時氣室面積逐漸減小，從而將進氣孔處空氣掃除到排氣孔排出，最終形成進氣管內(nèi)真空度。下圖2是海拉三個型號真空泵內(nèi)部結(jié)構爆炸圖，可供參考（圖片來自網(wǎng)絡）。

3 電動真空泵單體噪音要求及影響因素

目前各大主機廠使用的電子真空泵主要來自于德國海拉，其次是韓國永信，寧波拓普也在近兩年拓展到真空泵供應業(yè)務，此外還有幾家國產(chǎn)供應商，但市場份額較小，電子真空泵的一些技術規(guī)范和標準多來自于海拉電動真空泵。在噪音方面，企業(yè)一般要求輔助式電動真空泵單體噪音≤70dB，獨立式電動真空泵要求單體噪音≤76 dB，此噪音要求值有在近一兩年內(nèi)做過提升。近場噪音試驗需在半消音室進行，在測量前真空泵應在規(guī)定溫度下放置2小時，通常主機廠會給定測試環(huán)境溫度范圍，然后用1m長的橡膠管將真空泵連接到真空灌上。根據(jù)真空泵容量不同，選用的真空罐容量不同，通常輔助式電動真空泵試驗配備的真空罐為3.2L，獨立式電動真空泵配備的真空罐為5.0L，在X、Y、Z三個方向1.5m處布置聲級計，測得平均聲壓級滿足標準規(guī)定方算噪音測試合格。

由所規(guī)定的測試條件可知，電動真空泵噪音會隨溫度發(fā)生變化，這是毋庸置疑的，否則也不會將環(huán)境溫度納為試驗控制條件。根據(jù)以往試驗情況來看，當溫度由室溫上升至90攝氏度時，真空泵單體近場工作噪音將上升1～2dB。體現(xiàn)在整車上，若機艙隔音性能較差，在單體噪音偏上限的情況下，真空泵單體工作噪音上升1～2dB在駕駛時會聽到明顯的真空泵噪音，給客戶較差的用車體驗。

目前電動真空泵普遍使用的是有刷直流電機，其工作穩(wěn)定性及噪聲水平隨電壓變化而發(fā)生變化。在電壓恒定時，電機的工作穩(wěn)定性主要與電機額定轉(zhuǎn)速、換向器槽寬、磁鋼片充磁飽和度等相關，工作噪聲主要與轉(zhuǎn)子動不平衡、聯(lián)軸器壓裝質(zhì)量、碳刷質(zhì)量、換向器加工質(zhì)量等相關，就此方面技術設計而言，皆已是成熟技術，真空泵品質(zhì)主要體現(xiàn)在企業(yè)技術條件的完善程度及生產(chǎn)控制的一致性方面，比如真空泵工作時葉片與端蓋內(nèi)壁的間隙有沒有得到有效控制可以將真空泵品質(zhì)直接劃分不同等級。而隨著智能化、節(jié)能控制的發(fā)展，智能式發(fā)電機的應用越來越多，其主要意圖是根據(jù)整車用電負載調(diào)整電壓，避免產(chǎn)生冗余，致使過多的發(fā)動機能耗，而這同時意味著用電器的電源電壓處于被智能調(diào)控的狀態(tài)，這個過程中用電器的工作電壓在滿足用電器正常工作的前提下，是隨整車用電負載的變化而變化的，若真空泵在駕駛室內(nèi)感知的噪音較大，同時其工作電壓處于變化狀態(tài)，則會讓駕駛員感覺在真空泵工作的開始到結(jié)束的過程中工作噪音頻率變化，主觀感知體驗差，很容易讓客戶誤解為異響，引起抱怨。圖3是一款SUV車型真空泵工作電壓與智能發(fā)電機調(diào)控下的電源電壓變化關系，縱坐標為電壓（V），橫坐標為時間（s），圖4、圖5分別是智能式發(fā)電機未介入與介入時的真空泵振動頻率測試圖像：

顯然，在智能發(fā)電機將供電電壓由12.8V提升調(diào)節(jié)至14.5V的過程中，真空泵的工作電壓與其同步變化，同時，在電壓調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)后，若用電負載增加會使電壓產(chǎn)生波動，由此產(chǎn)生的電壓變化引起成真空泵電機噪音頻率變化。以增加空調(diào)負載為例，在AC OFF、車輛怠速穩(wěn)定狀態(tài)時，監(jiān)控5S時間，真空泵工作最大電壓與最小電壓差值為0.07V，噪音頻率變化值為15Hz;在AC ON開啟過程中監(jiān)控5S時間，真空泵工作最大電壓與最小電壓的差值是1.9V，噪音頻率變化值達到92.7Hz。同時，由于電壓升高，真空泵功率增大，電機輸出轉(zhuǎn)矩有所增大，或?qū)е氯~片對真空泵端蓋內(nèi)壁的產(chǎn)生刮擦碰撞，加劇噪音異常表現(xiàn)。

4 駕駛室內(nèi)感知到的真空泵噪聲類型

根據(jù)真空泵的工作原理和其設計結(jié)構可知，其噪聲組成包括電磁噪聲、機械噪聲、空氣動力噪聲，其中電磁噪聲主要來自定子部分，電機內(nèi)部空隙中的脈動磁場引起定子及與其固連的機體產(chǎn)生低頻振動，相對于定子，轉(zhuǎn)子在此情況下的振動影響較小;機械噪聲主要由軸承、電刷-換向器工作，以及轉(zhuǎn)子動不平衡量引起，而后者是電機噪音的主要聲源。電機工作過程，內(nèi)部各組件之間的摩擦碰觸、不平衡量等綜合產(chǎn)生機械噪音，此部分噪音產(chǎn)生的原因很多，也更復雜。以上兩種噪聲主要通過結(jié)構傳播。而空氣動力噪聲產(chǎn)生于真空泵內(nèi)腔和真空助力器腔體之間通過真空管路連接形成的氣流壓力變化，以及內(nèi)部氣流在管壁、腔體之間形成的渦流運動。為提出有效的噪音改善措施，我們需明確機艙內(nèi)駕駛員耳畔聽到的影響最大的噪音屬于哪部分噪聲，主要以何種方式傳播。通過取消/增加減振墊、調(diào)整真空泵電機轉(zhuǎn)速、在真空管外圍增加damper、排氣口增加消聲結(jié)構等方法實車驗證，結(jié)果表明試驗車駕駛艙內(nèi)感知到的真空泵噪聲主要為空氣動力噪聲，真空助力器腔體對此噪聲有放大作用，但無明顯共振現(xiàn)象，駕駛員右耳旁實測噪音聲壓級在38dB左右，此噪聲主要通過空氣介質(zhì)及真空通道傳播至駕駛室內(nèi)，而電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械噪聲已經(jīng)通過減振墊衰減，加之真空泵布置位置遠離駕駛室，已不再是噪音的主要部分。

5 駕駛室內(nèi)真空泵噪音優(yōu)化方案討論

基于上述，我們將噪音優(yōu)化的方案集中在改善空氣動力噪聲部分，結(jié)合空氣動力學理論，最終方案落實在如何更好的組織真空助力系統(tǒng)內(nèi)部氣流上。因為在智能式發(fā)電機調(diào)節(jié)下工作的真空泵工作電壓變化是必然的，而電機轉(zhuǎn)速關系著其抽真空速率和使用壽命，可調(diào)整范圍有限，故通過調(diào)整真空泵電機轉(zhuǎn)速來噪音頻率的想法被否決，而實際的測試結(jié)果也顯示，在噪音可接受狀態(tài)下的電機轉(zhuǎn)速已難以滿足抽真空速率要求。從而考慮從噪音大小方面入手，只要聲壓級降低，駕駛室內(nèi)可感知的噪音便會減小，即便噪音頻率存在變化，駕駛員能感知到的噪音頻率變化也會衰弱。

對此，基于車輛機艙內(nèi)布置以確定，真空助力軟管布置形態(tài)已無法再變更的前提下，我們做的幾個優(yōu)化方案如下：

（1）調(diào)整真空助力軟管固定點松緊程度;

（2）調(diào)整真空助力軟管單向閥布置位置;

（3）在真空助力軟管管道內(nèi)增加內(nèi)置式單向閥;

（4）在真空助力軟管管道內(nèi)增加小截面限流閥;

（5）在真空泵進氣孔內(nèi)部設計內(nèi)徑變化特征;

各優(yōu)化方案實車驗證測試結(jié)果如下：

原車駕駛員右耳旁噪音聲壓級/頻率： 38.08dB/499.6HZ，振動采集點為真空泵端蓋，噪聲采集點為駕駛員右耳旁。

結(jié)合主觀評價可接受狀態(tài)，以及方案實施工作周期與成本情況，最后確定實施方案五：在真空泵進氣孔內(nèi)部設計內(nèi)徑變化特征，具體方案為在真空泵進氣口處6.5mm深度的位置內(nèi)經(jīng)改為3.6mm。當然，具體參數(shù)應結(jié)合實車測試結(jié)果確定，但不應小于真空通道最小截面內(nèi)經(jīng)值。我們在此方案確定前也做了多種不同內(nèi)經(jīng)及對應深度的調(diào)整驗證，最終在踏板感、制動性能符合理論與試驗結(jié)果均合格的情況下選定具體參數(shù)，而對變更后件重新進行DV/PV、道路耐久試驗驗證，性能與變更前狀態(tài)相當。

6 真空助力裝置氣動噪聲改善建議

在條件允許的情況下，其實在項目開發(fā)初期可做一定的工作來避免后期被動補救。相當一部分的車型基于遠離噪音源的考慮，將電動真空泵布置在機艙最前部位置，而這使得真空助力軟管較長，且其走向形態(tài)設計的出發(fā)點基本是基于機艙內(nèi)動力總成及其它零部件布置之后可利用的空間而定，針對管路內(nèi)部氣流組織所作的考量甚少，甚至沒有考慮此方面，管路形態(tài)在機艙布置好后，只要折彎角度能實現(xiàn)便鎖定方案，對管道內(nèi)部氣流組織是否流暢良好的仿真，以及氣流組織所產(chǎn)生的氣動噪聲分析工作是存在很大不足的。最佳的做法是在現(xiàn)有的設計思路中增加管路內(nèi)部氣流組織的分析，通過流體仿真分析管道內(nèi)部管壁的脈動壓力分布情況，把時域結(jié)果導入聲學有限元計算，以便觀察到聲壓云圖和氣動噪聲聲壓級，在設計初期對方案進行優(yōu)化。

7 總結(jié)

隨著智能式發(fā)電機應用越來越普遍，整車有很多的用電器都可能工作在電壓調(diào)節(jié)過程中，出現(xiàn)其他舒適性感知問題，這將對用電器對電壓變化的敏感性等各方面的要求更加苛刻，同時對相關聯(lián)的零部件設計要求更高，不同領域技術應用的交互更加息息相關。隨著科技發(fā)展和人們對科技產(chǎn)物的要求提升，汽車作為眾多科學分支的集合體，將所包含的所有科學領域技術不斷融合提升是必行之路，否則終將在市場需求中日漸沉底。

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