汽車燃油泵工作噪聲研究

王新超，李萬龍，丁鵬宇，賈艷伍，李睿哲

(北京汽車研究總院有限公司，北京 101300)

0 引言

某車型匹配A和B兩種油泵，在NVH(Noise Vibration Harshness)評價時，評價人員反饋在搭載B油泵的油箱附近可聽見尖銳噪聲，搭載A油泵的油箱則無此噪聲。尖銳噪聲可能來源于泵芯或調壓閥。為排查噪聲來源，將A油泵和B油泵在臺架上進行噪聲測試。

1 油泵噪聲產生機制及降噪措施

測試方法：油泵在12 V電壓工作，工作介質為柴油，使用噪聲計在油泵法蘭垂直上方1 m處測量油泵工作噪聲。測試結果如表1所示。

表1 油泵噪聲測試結果

通過測試可以判斷B油泵的尖銳噪聲來源于泵芯。相關文獻顯示：尖銳噪聲一般為泵芯流體動力噪聲，主要分氣蝕噪聲和旋轉噪聲。

氣蝕噪聲是由于流體在部分區域運動速度加快后導致壓力降低而引起流體氣化形成氣泡，氣泡進入高壓區后爆破發聲。針對氣蝕噪聲，可以在進油板流道內設置排氣孔來降噪，在低壓區使燃油中空氣排出，油氣分離，避免氣泡進入高壓區后爆裂產生噪聲。排氣孔設計如圖1所示。

圖1 進油板排氣孔示意圖

旋轉噪聲是一種壓力脈動噪聲，產生機制有兩種：一種是葉輪旋轉時，相同位置處油液周期性地受到葉片擠壓，引起流體壓力場周期性脈動而發出聲音；另一種是由于葉輪工作時進油板側與出油板側壓力不同，導致葉輪向進油板一側傾斜，表現為葉輪周期性擠壓進油板側油液，油壓脈動而產生噪聲[1]。

旋轉噪聲產生機制不同，降噪措施也有所不同。為減小葉片對油液擾動，可以改變葉片的形狀，使其旋轉時對液體形成的擾動最小，圖2(b)所示葉輪葉片為標準形狀，圖2(a)、(c)、(d)所示葉輪則是異形葉片。葉輪旋轉時葉片對油液的擾動還具有周期性，這是因為葉輪每轉過一圈，某一點受到的擾動次數為葉片數，而葉片間距相等，每個葉片對該點擾動周期是相同的，會產生節奏性壓力脈動，如果調整葉片間距為不等距，該振動將變得無規律，也就不會形成單一頻率高強度噪聲，圖2中(a)、(c)和(d)所示葉片均不等距。葉輪工作時，由于進出油板兩側壓力差導致葉輪向進油板側傾斜而產生壓力脈動，通過在葉輪上開設多個平衡通孔，使葉輪兩側工作面所受壓力盡量平衡，但平衡孔位置所處半徑必須位于葉輪與油板密封面以里，避免流量產生較大泄漏，降低燃油泵效率，圖2(a)所示葉輪具有6個壓力平衡孔。

圖2 4種葉輪結構示意圖

2 葉輪結構調整的降噪效果驗證

圖2為4種泵芯的葉輪結構圖，其中(a)和(b)分別為拆解的A油泵和B油泵葉輪，A油泵葉輪具有多種降噪設計，B油泵則為無降噪設計。為降低B油泵的噪聲，供應商提供了兩種葉輪降噪方案。

方案一：葉輪結構不變，增大葉輪與出油板的配片間隙，配片間隙一般設計范圍為20～40 μm，調整前間隙為20～23 μm，調整后間隙為28～30 μm。

方案二：葉輪與出油板配片間隙不變，葉輪葉片調整為不等距，并增加5個壓力平衡孔，如圖3所示。

圖3 B油泵降噪葉輪

為驗證兩種降噪方案的效果，在臺架上測試了B油泵兩種降噪方案樣件的噪聲頻譜，方案一為3號油泵，方案二為4號油泵，與此同時測試了原B泵已用件和A泵未用件，油泵編號見表2。

表2 油泵頻譜測試油泵特征表

測試設備：LMS-SCR05頻譜儀。

測試方法：油泵置于油桶5 L柴油中，柴油淹沒濾網和回油管，油桶敞口，油泵在12 V電壓下工作，出油管與回油管連通，油泵法蘭盤周邊20 cm處放置頻譜儀拾音器，油泵工作穩定后頻譜儀采集油泵噪聲5 s，噪聲頻譜測試臺架示意如圖4所示。

圖4 油泵噪聲頻譜測試臺架布置圖

背景環境：非消音室，環境噪聲30 dB(A)。

4個油泵工作噪聲頻譜如圖5所示。1號泵為有尖銳噪聲的B油泵，頻譜圖中噪聲峰值在4 477 Hz達到52 dB(A)，明顯高于其他油泵噪聲峰值，4 477 Hz頻率處于人耳聽覺敏感頻帶內，使用頻譜軟件濾波功能，消除此頻率噪聲后，主觀感受尖銳噪聲消失。

圖5 油泵噪聲頻譜曲線

2號泵葉輪結構如圖2(a)所示，葉片為異形且不等距，并有6個壓力平衡孔，其噪聲指標在4個油泵中最優，4 400 Hz頻段的噪聲強度峰值為26.6 dB(A)，明顯低于3號泵峰值，主觀感受無刺耳噪聲。

3號泵增大了葉輪配片間隙，4 400 Hz頻段噪聲強度明顯降低，最高值只有24.8 dB(A)。這是因為增大配片間隙，降低了進油板和出油板側壓力差，減輕了葉輪向進油板側傾斜，但該方案使油泵在400 kPa壓力下流量下降3～5 L/h[2]，對于流量儲備系數較小的油泵可能達不到流量設計要求。

4號泵葉片不等距且帶壓力平衡孔，在4 400 Hz頻率段噪聲最大值為26 dB(A)，但其他頻段噪聲較1號泵有所提升。因為從能量守恒分析，振動并未消失，只是葉片對油液的擾動周期發生變化，噪聲被分散到多個頻段，聲音品質得到了改善，主觀感受尖銳噪聲消失。同時，對比1號泵，4號泵在400 kPa壓力下流量基本無變化，泵油效率沒有降低。

3 總結

不等距葉輪使葉片對某一點的擾動不再具有周期性，也就不會出現節奏性壓力脈動；壓力平衡孔減小了葉輪兩側的壓力差，葉輪受力平衡也就不再擠壓一側油液形成壓力脈動：脈動減小或消失都會減小脈動噪聲。葉輪的降噪設計對于降低流體動力噪聲效果明顯。

參考文獻:

[1]奚興超.低噪聲電動燃油泵研究[D].上海：上海交通大學，2012.

[2]麻洪海.汽油泵葉輪配合間隙CFD模擬研究[D].長春：吉林大學，2014.