真空泵系統(tǒng)引致車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲快速識(shí)別與控制

徐 猛，袁細(xì)祥，石計(jì)紅，李 建，林 浩

（北京汽車集團(tuán)越野車有限公司，北京 101300）

制動(dòng)性作為國家強(qiáng)制性法規(guī)要求的性能，在汽車的研發(fā)生產(chǎn)過程中尤為重要。真空泵系統(tǒng)是為制動(dòng)系統(tǒng)提供真空助力的重要零部件，真空泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理[1]導(dǎo)致其在工作過程中產(chǎn)生多種噪聲。隨著消費(fèi)者對(duì)汽車NVH性能要求日益提高，各車企對(duì)真空泵系統(tǒng)噪聲問題投入了越來越多的關(guān)注，進(jìn)行了大量的研究。另外，真空泵系統(tǒng)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，而發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)種類多且復(fù)雜，如何從發(fā)動(dòng)機(jī)艙這一復(fù)雜的耦合系統(tǒng)中確定和排查異響源也是實(shí)際車型項(xiàng)目NVH開發(fā)中的一個(gè)難點(diǎn)和重點(diǎn)。

楊志偉等[2]研究了采用無貫通螺栓孔隔振墊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，抑制由真空泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)噪聲引起的車內(nèi)噪聲。廉晶晶等[3]研究了通過用阻尼材料包裹真空泵以降低車內(nèi)空氣輻射噪聲和增加安裝支架剛度，以減小結(jié)構(gòu)輻射噪聲的改進(jìn)方案，減少了真空泵系統(tǒng)工作輻射噪聲對(duì)車內(nèi)的影響。張宇等[4]在研究真空泵車內(nèi)噪聲性能時(shí)，以聲壓級(jí)和響度作為綜合評(píng)價(jià)參數(shù)，提出在真空泵表面增加阻尼材料的方案以提升車內(nèi)聲品質(zhì)。陳馨蕊等[5]通過提高真空泵系統(tǒng)的隔振率，并結(jié)合真空泵安裝點(diǎn)噪聲傳遞函數(shù)的分析結(jié)果，改善了真空泵引起的車內(nèi)噪聲問題。目前各專家學(xué)者主要是通過傳統(tǒng)FFT和階次分析方法對(duì)真空泵系統(tǒng)常規(guī)噪聲進(jìn)行分析，但對(duì)于時(shí)變系統(tǒng)或瞬態(tài)沖擊造成的異響問題，傳統(tǒng)FFT 和階次分析方法已不再適用，造成NVH問題的排查效率受到一定影響。

本文針對(duì)某款車型在熱車怠速工況下駕駛室內(nèi)出現(xiàn)“噠噠”聲異響問題，采用小波分析方法，快速分析并識(shí)別到噪聲源。并通過對(duì)真空泵系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，提出了噪聲源控制、傳播路徑隔離、路徑低剛度隔振和路徑高阻尼衰減4 種改善方案，并對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用和測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)和主觀評(píng)價(jià)結(jié)果均表明，對(duì)于該真空泵系統(tǒng)導(dǎo)致的車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲，4種方案均能起到良好的控制與優(yōu)化效果。

1 小波分析原理

1.1 小波函數(shù)

小波函數(shù)（也稱小波）是小波分析中最重要部分，其數(shù)學(xué)方程式為：

式（1）是由母小波函數(shù)ψ(t) 縮放（或膨脹）a倍并平移b得到的，其中a被稱為尺度因子且a≠0，b被稱為時(shí)移因子。

母小波ψ(t) 必須滿足以下條件：

a)ψ(t) 是平方可積函數(shù)；

b)ψ(t)∈L2(R)是單位化的；

c)ψ(t) ∈L(R)是有界函數(shù)；

d)ψ(t) 必須非0且均值為0；

由上可得母小波函數(shù)具有如下兩個(gè)特性：

（1）衰減性，即在某個(gè)區(qū)域之外幅值會(huì)迅速衰減為0；（2）波動(dòng)性，具有幅值正負(fù)相間波形。母小波函數(shù)的特性使小波函數(shù)具有窗口的作用，視窗的位置隨參數(shù)b移動(dòng)，分辨率隨參數(shù)a變化。

1.2 小波變換

小波變換就是將式（1）小波函數(shù)與待變換函數(shù)f(t)進(jìn)行內(nèi)積，得到一個(gè)含雙參數(shù)a、b的函數(shù)Wf(a,b)：

在由參數(shù)b確定的視窗中，將f(t)進(jìn)行帶通濾波，參數(shù)a越大，頻帶越窄，頻率平均值越低，分辨率越小，反之則分辨率越高。

1.3 小波分析

小波分析即通過小波變換將原始信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻變換，對(duì)于不同的頻率成分采用不同的時(shí)間分辨率，對(duì)于高頻信號(hào)或者瞬態(tài)信號(hào)，采用的時(shí)間分辨率較高，采樣密集，采用的時(shí)域窗口較密集；對(duì)于低頻信號(hào)或者穩(wěn)態(tài)信號(hào)，采用的時(shí)間分辨率較低，采樣較疏，時(shí)域窗口較寬；這種變窗的處理方法能自動(dòng)適應(yīng)時(shí)-頻信號(hào)分析要求，從而聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)，對(duì)于提取瞬態(tài)信號(hào)的某一頻率段所對(duì)應(yīng)的時(shí)域特征有顯著優(yōu)勢(shì)[6－8]。

2 問題說明

2.1 問題介紹

某車型在充分熱車后保持怠速工況，進(jìn)行多次深踩制動(dòng)踏板后，在駕駛室內(nèi)出現(xiàn)“咚咚”聲異響，且異響持續(xù)一段時(shí)間后消失，再重復(fù)幾次深踩制動(dòng)踏板，異響復(fù)現(xiàn)，由于異響來自于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，而且發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較難直接確定異響來源，可通過NVH測(cè)試進(jìn)行分析和排查。

2.2 NVH測(cè)試

針對(duì)該異響問題，進(jìn)行整車狀態(tài)振動(dòng)噪聲測(cè)試，分別在駕駛室內(nèi)布置麥克風(fēng)，在真空泵管路固定支架（與前圍板連接端）上布置三向加速度傳感器，如圖1至圖2所示。

圖1 駕駛室內(nèi)麥克風(fēng)布置

圖2 真空泵管路固定支架上的傳感器布置

使用Test.Lab 的Signature 模塊進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置振動(dòng)數(shù)據(jù)分析帶寬為1024 Hz，噪聲數(shù)據(jù)分析帶寬為25 600 Hz，頻率分辨率均為1 Hz，跟蹤時(shí)間測(cè)試中時(shí)間分辨率為0.1 s，車輛處于怠速關(guān)空調(diào)狀態(tài)，待車輛充分熱車后（水溫達(dá)到90 ℃），反復(fù)多次深踩制動(dòng)踏板，待異響出現(xiàn)后開始測(cè)試，每組測(cè)試15 s，共測(cè)試3組，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)一致性。

2.3 數(shù)據(jù)分析

通過試驗(yàn)得到真空管路固定支架振動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)如圖3所示。真空管路固定支架時(shí)域數(shù)據(jù)中存在明顯異常間歇性振動(dòng)峰值，振動(dòng)幅值最大可達(dá)0.69 g。

圖3 真空泵管路固定支架振動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)(原狀態(tài))

由于機(jī)艙內(nèi)和駕駛室內(nèi)噪聲環(huán)境復(fù)雜，且該異響會(huì)隨時(shí)間變化，使用常規(guī)傅里葉變換無法進(jìn)一步分析出異響頻率特征，由小波分析原理可知，對(duì)于該時(shí)變瞬態(tài)信號(hào)，可通過小波分析進(jìn)行時(shí)域信號(hào)特征提取，對(duì)真空泵管路安裝支架振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波變換處理，得到其振動(dòng)頻譜，如圖4所示，結(jié)合頻譜圖和濾波回放，可確定異響頻率特征以及異響產(chǎn)生的時(shí)域特征。

圖4 真空泵管路固定支架振動(dòng)頻譜（小波變換）

由圖4可知，每2 次異響發(fā)生的時(shí)間間隔T為0.09 s左右，則異響發(fā)生的頻率為：

代入數(shù)據(jù)可得f1=11.1 Hz。

而真空泵由凸輪軸驅(qū)動(dòng)，且速比為1:1，該車輛怠速曲軸轉(zhuǎn)速為700 r/min，曲軸與凸輪軸速比為2：1，則真空泵內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為700 r/min/2=350 r/min，由于旋片式真空泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈完成兩次抽氣和排氣過程，則真空泵的主要工作頻率為2階：

式中：n為階次，R為真空泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，代入數(shù)據(jù)可得f2=11.6 Hz。

綜上可知，f1≈f2，即異響發(fā)生頻率與真空泵主要工作頻率基本吻合，可確定異響由真空泵在抽真空狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生。

3 問題系統(tǒng)分析

3.1 真空泵本體介紹

該車輛使用的機(jī)械真空泵為旋片式機(jī)械真空泵，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示[9]：

圖5 旋片式真空泵結(jié)構(gòu)原理圖

該真空泵主要組成部分為：泵體、轉(zhuǎn)子、旋片、彈簧、排氣閥門等，旋片中間連接有彈簧，當(dāng)轉(zhuǎn)子沿如圖5所示箭頭方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋片兩端會(huì)受離心力作用拉長(zhǎng)彈簧并與泵腔內(nèi)壁貼合，此時(shí)，旋片將泵腔分成I、Ⅱ、Ⅲ3個(gè)部分，I 連接吸氣口，當(dāng)中間轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，I的容積擴(kuò)大，其內(nèi)部壓強(qiáng)降低，當(dāng)其壓強(qiáng)小于泵外部氣體壓強(qiáng)時(shí)，會(huì)將外部氣體從吸氣口吸入，該過程為吸氣過程；Ⅲ連接排氣口，當(dāng)中間轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，Ⅲ的容積減小，其內(nèi)部壓力變大，當(dāng)壓強(qiáng)大于排氣閥門外的油壓時(shí)，會(huì)頂開排氣閥門，將氣體從排氣口排出，該過程為排氣過程；由該泵結(jié)構(gòu)可知，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈，會(huì)完成兩次吸氣和排氣過程。在吸氣和排氣過程中，泵腔氣體壓力不斷周期性變化形成壓力脈動(dòng)，壓力脈動(dòng)的沖擊導(dǎo)致真空泵工作時(shí)產(chǎn)生異常噪聲。

3.2 真空助力系統(tǒng)分析

該車輛的真空泵系統(tǒng)及管路連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的真空泵通過管路與制動(dòng)助力泵連接，為制動(dòng)系統(tǒng)提供真空助力，真空管路在前圍板上有兩個(gè)安裝點(diǎn)，分別通過支架和螺栓安裝在前圍板上，并與制動(dòng)真空助力器連接。

圖6 真空泵系統(tǒng)及管路連接結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)真空泵處于抽真空狀態(tài)時(shí)，氣流產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)沖擊沿著結(jié)構(gòu)路徑“真空泵-管路-固定支架-前圍板”傳遞至前圍板，由于前圍板動(dòng)剛度較低，導(dǎo)致該沖擊被放大，并產(chǎn)生噪聲傳遞至駕駛室內(nèi)，真空泵系統(tǒng)的振動(dòng)沖擊傳遞流程圖如圖7所示。當(dāng)制動(dòng)真空助力器內(nèi)真空度達(dá)到制動(dòng)性能要求后，真空泵逐漸停止抽真空工作，氣流壓力脈消失，隨之異響也逐漸消失，這導(dǎo)致了該異響的時(shí)變性。

圖7 真空泵系統(tǒng)的振動(dòng)沖擊傳遞流程圖

4 優(yōu)化控制方案

針對(duì)該真空泵系統(tǒng)引致的車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲，分別從噪聲源和傳遞路徑兩個(gè)方向提出以下4種控制和優(yōu)化方案：

4.1 噪聲源優(yōu)化

為了減小真空泵工作時(shí)產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)沖擊，在保證車輛制動(dòng)性能的前提下，將原260 mL容量的真空泵更換為190 mL容量的真空泵，由旋片式真空泵的結(jié)構(gòu)和工作原理可知，采用小容量真空泵使單次吸氣和排氣的氣量變小，從而導(dǎo)致壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的沖擊減弱，同時(shí)產(chǎn)生的噪聲也隨之變?nèi)酢?/p>

針對(duì)該方案樣件進(jìn)行裝車效果驗(yàn)證，測(cè)試真空泵管路固定支架振動(dòng)頻譜圖，如圖8所示，異響頻率（250 Hz～550 Hz）特征基本消失，駕駛室內(nèi)異響也基本消失。

圖8 真空泵管路固定支架振動(dòng)頻譜（小波變換）

從時(shí)域數(shù)據(jù)上看，真空泵管路固定支架振動(dòng)幅值明顯減小，如圖9所示，最大振動(dòng)峰值降至0.23 g。

圖9 真空泵管路固定支架振動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)(方案1)

4.2 傳遞路徑隔離

由真空泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析可知，異響沖擊的傳遞路徑為：真空泵-管路-固定支架-前圍板-駕駛室，為了阻斷真空泵氣流沖擊的傳遞，可切斷結(jié)構(gòu)傳播路徑，如圖10所示，取消安裝在前圍板上的兩個(gè)真空泵管路固定支架，優(yōu)化管路走向并將其固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上。

圖10 真空泵管路安裝及走向圖

該方案既能阻斷開真空泵系統(tǒng)氣流壓力脈動(dòng)沖擊向前圍板傳遞，同時(shí)也能保證管路安裝穩(wěn)定性。方案實(shí)施后，由于原真空泵管路固定支架處沒有來自真空泵氣流的沖擊激勵(lì)，該支架振動(dòng)信號(hào)中異常的間歇性振動(dòng)峰值消失，駕駛室內(nèi)感受到的異響也消失，真空泵管路固定支架的振動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 真空泵管路固定支架振動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)(方案2)

4.3 路徑低剛度隔振

在不更改真空泵管路走向的前提下，為了減弱真空泵系統(tǒng)氣流沖擊的傳遞，可在傳遞路徑上進(jìn)行隔振，如圖12所示，在真空泵管路與其固定支架之間增加一層低剛度橡膠墊。

圖12 真空泵管路和固定之間增加橡膠墊

方案實(shí)施后，真空泵系統(tǒng)氣流沖擊經(jīng)橡膠墊減振后傳遞至支架上的振動(dòng)幅值明顯減小，真空泵管路固定支架的振動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)如圖13所示，最大振動(dòng)峰值為降至0.42 g。

圖13 真空泵管路固定支架振動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)(方案3)

4.4 路徑高阻尼衰減

在系統(tǒng)中增加阻尼材料，能起到以下作用：

（1）有助于系統(tǒng)受到瞬時(shí)沖擊后很快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)；

（2）有助于減少因機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的聲輻射，降低機(jī)械性噪聲；

（3）有助于降低結(jié)構(gòu)傳遞振動(dòng)的能力；為了在傳遞路徑上更好衰減真空泵系統(tǒng)的氣流產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)沖擊，可在真空泵管路與其固定支架之間增加阻尼材料。

由以下阻尼力計(jì)算公式可知，阻尼力與材料的阻尼系數(shù)和沖擊速度成正比：

式（5）中：c為阻尼系數(shù)，v為沖擊速度。

為了增大阻尼力，達(dá)到更好的衰減效果，選用高阻尼系數(shù)的黏彈性阻尼材料，該阻尼材料一般常用于車身結(jié)構(gòu)噪聲的抑制，對(duì)于該真空泵導(dǎo)致結(jié)構(gòu)噪聲同樣有抑制效果。

阻尼材料布置在如圖12所示橡膠墊相同位置，位于真空管路和固定支架之間，方案實(shí)施后，對(duì)采用該方案的樣車進(jìn)行效果驗(yàn)證測(cè)試，真空泵管路固定支架振動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)如圖14所示，最大振動(dòng)峰值為降至0.38 g。

圖14 真空泵管路固定支架振動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)(方案4)

4.5 方案對(duì)比與分析

4種控制與優(yōu)化方案的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖15所示，原狀態(tài)真空泵管路固定支架異常振動(dòng)峰值為0.69 g，駕駛室內(nèi)“噠噠”聲異響明顯。通過優(yōu)化噪聲源，異常振動(dòng)峰值降至0.23 g，駕駛室內(nèi)異響基本消失；通過進(jìn)行傳遞路徑隔離，真空泵管路固定支架異常振動(dòng)峰值消失，駕駛室內(nèi)異響完全消失；通過進(jìn)行路徑低剛度隔振和高阻尼衰減，真空泵管路固定支架異常振動(dòng)峰值分別降至0.42 g、0.38 g，駕駛室內(nèi)異響狀況有明顯改善，但并未消失。

圖15 真空泵管路固定支架振動(dòng)峰值對(duì)比

結(jié)合4種控制優(yōu)化方案的改善效果和工程實(shí)際情況，考慮控制方案成本、開發(fā)周期、風(fēng)險(xiǎn)性、可實(shí)施性等因素，得出如表1所示的4種方案優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比及工程建議。

表1 4種方案優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比及工程建議

綜上，對(duì)4種方案的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比可知，可使用方案3、4作為臨時(shí)優(yōu)化方案，解決異響抱怨問題，同時(shí)推進(jìn)方案2 的實(shí)施，達(dá)到長(zhǎng)期完全消除異響問題目的。

5 結(jié)語

（1）真空泵系統(tǒng)安裝在復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，可通過對(duì)時(shí)域信號(hào)的頻域分析獲取問題的特征頻率，以確定NVH的問題來源，但對(duì)于時(shí)變系統(tǒng)的瞬態(tài)異響問題，傳統(tǒng)的FFT方法已經(jīng)不再適用，而小波分析通過自身可適用于多個(gè)時(shí)域窗口的特性，可清晰捕捉到問題特征；

（2）運(yùn)用小波變換分析瞬態(tài)問題頻率特征時(shí)，一般遇到兩個(gè)頻率參數(shù)，第一個(gè)是沖擊振動(dòng)的頻率分布，沖擊振動(dòng)信號(hào)通常為寬頻信號(hào)，真空泵的沖擊頻率為250 Hz～550 Hz，另一個(gè)為兩次沖擊的時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)的頻率，案例中為11.1 Hz，根據(jù)沖擊頻率往往較難確定問題所在，而第二個(gè)頻率更有意義，尤其需關(guān)注其與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或者車速等信號(hào)的關(guān)系，可為問題排查提供重要的線索，案例中的真空泵系統(tǒng)的激勵(lì)與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)，怠速工況真空泵產(chǎn)生的壓力頻率為11.1 Hz，可確定問題來自真空泵系統(tǒng)。另外，如果采用的是電動(dòng)真空泵，建議同步排查問題頻率與電控真空泵控制信號(hào)的關(guān)系；

（3）真空泵系統(tǒng)的噪聲控制可以通過噪聲源和路徑隔振兩方面進(jìn)行，文中總結(jié)歸納為4種方案：優(yōu)化噪聲源；結(jié)構(gòu)路徑隔離；路徑低剛度隔振；路徑高阻尼衰減。采用4 種方案將原狀態(tài)異常振動(dòng)峰值0.69 g 分別降低至0.23 g、0.15 g（無異常峰值）、0.42 g、0.38 g，優(yōu)化效果明顯；

（4）實(shí)際項(xiàng)目中，4種方案的實(shí)際優(yōu)化效果均可接受，但更換為更低流量的真空泵系統(tǒng)后，會(huì)對(duì)制動(dòng)性能產(chǎn)生影響，存在一定安全性風(fēng)險(xiǎn)，不建議選用；而結(jié)構(gòu)路徑隔離和阻尼衰減方案不能完全消除噪聲，因此工程中建議選用方案3和方案4作為短期措施，而將方案2，即改變管路安裝點(diǎn)位置作為長(zhǎng)期方案。