轉子式機油泵的階次噪聲分析及改進

李延鵬 潘玲玲 喻 磊 李文輝 劉 巖 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利羅佑發動機有限公司）

引言

各種調查和測試結果表明，汽車噪聲是目前城市環境中最主要的噪聲源。近年來，由于汽車在城鄉的普及和汽車工業技術的不斷進步，控制汽車的噪聲污染越來越引起人們的重視。在我國，根據國家標準要求[1-2]，分別對車外、車內的噪聲控制標準進行了定義。

機油泵是發動機潤滑系統的重要組成部分，它的主要作用是保證發動機在各轉速下都能提供足夠數量的機油，以維持足夠的機油壓力，保證發動機各運動件及摩擦副的潤滑。

轉子式機油泵在運轉時，機油泵腔內壓力會存在波動，特別是高低壓轉換時，壓力波動異常明顯。另外，機油泵腔內的渦流、空化都會導致機油泵運轉時發生振動，產生機油泵噪聲問題。

1 轉子式機油泵階次噪聲問題

某車型搭載轉子式機油泵發動機時，在整車NVH測試以及臺架NVH測試時，發現存在階次異響問題。

整車NVH測試時，在3擋滑行工況，存在11階、22階、33階、44階明顯異響，在4擋WOT工況，高頻嘯叫明顯，主要異響階次為33階，NVH采集數據如圖1所示。

圖1 整車NVH測試頻譜圖

發動機在半消音室模擬空載、半載、滿載的情況下，均出現階次異響，主要階次為11階、22階、33階、44階、55階等，NVH采集數據如圖2所示。

圖2 發動機NVH測試頻譜圖

2 噪聲來源確認

階次是機油泵轉速對應的諧振頻率成分的別稱，與轉速相當的基本頻率稱為1階，轉速對應頻率的n倍的諧振頻率稱為n階。根據零部件的固有頻率及對應的轉速比，可初步確認發動機階次噪聲的來源[3]。同時可通過零部件的壓力脈動值進行傅立葉轉換，得到頻域圖，通過頻域與階次噪聲頻譜進行比較，確認階次異響的來源，該方法相對比較準確[4-5]。

在機油泵上對應地選取監測點，如圖3所示。對機油泵其中一個監測點Point01，通過傅里葉轉換，將壓力脈動值轉換為頻域圖，如圖4所示。可以看出，發動機階次噪聲來源于機油泵，如圖5所示。同理可得其余監測點的情況。

圖3 機油泵壓力波動監測點示意圖

圖4 Point01頻域圖

圖5 Point01機油壓力波動幅值

3 機油泵階次噪聲原因分析

3.1 機油泵腔室壓力分布分析

機油泵腔室壓力分布如圖6所示。從圖6可以看出，機油壓力波動最大位置發生在轉子進出油腔區域，此時轉子內機油從低壓區進入高壓區，壓力發生劇烈變化，該位置是機油泵階次噪聲的主要來源。

圖6 機油泵腔室壓力分布圖

3.2 機油泵內部流動分析

圖7 與圖8分別為機油泵內腔出油腔與進油腔機油流動情況。

圖7 機油泵內腔出油腔機油流動情況

圖8 機油泵內腔進油腔機油流動情況

從圖7、圖8所示的機油泵內部流動情況可以看出，機油泵進出油腔存在不同程度的渦流和空化問題，易引起機油泵進出機油不順暢，導致機油壓力脈動，造成機油泵階次噪聲問題。

3.3 機油泵監測點壓力波動情況分析

對圖3所示的機油泵壓力波動監測點示意圖上6個監測點進行壓力脈動分析，分析結果如圖9所示。

圖9 機油泵各監測點機油壓力脈動示意圖

從圖9可以看出，所有監測點均存在不同程度的壓力波動情況，相對于其他監測點，位于機油泵低壓區轉換高壓區位置監測點Point01的機油壓力波動較大，是機油泵的主要階次噪聲源。

綜合上述機油泵階次噪聲來源確認及原因分析可知，機油泵的階次噪聲產生的原因主要是由于機油泵的壓力分布、高低油壓轉換、機油壓力脈動、進出油腔渦流和空化等因素產生激勵源，造成機油泵轉子在高速轉動過程中產生振動，最終形成階次噪聲。

4 機油泵階次噪聲優化改善措施

結合機油泵階次噪聲原因分析，根據機油泵主要的階次噪聲源，對機油泵內部結構進行優化。

4.1 機油泵泵體和泵蓋的優化

圖10為機油泵泵體和泵蓋優化點示意圖。

圖10 機油泵泵體和泵蓋優化點示意圖

從圖10可以看出，在機油泵泵體、泵蓋處低壓轉向高壓區域增加“鼻梁”結構，以解決機油泵轉子運轉時機油的出油量瞬間增大的問題，使低壓區到高壓區平穩過渡，避免產生突然的油壓波動，造成階次噪聲問題。特別要注意的是，該鼻梁結構與機油泵轉子的齒形吻合越好，改善效果越明顯。

4.2 機油泵進出油腔的優化

圖11為機油泵出油腔優化示意圖，圖12為機油泵進油腔及轉子腔優化示意圖。

圖11 機油泵出油腔優化示意圖

圖12 機油泵進油腔及轉子腔優化示意圖

從圖11、圖12可以看出，對機油泵進出油腔進行優化，避免結構突變，改為斜坡平緩過渡結構，在滿足機油泵內腔深度的前提下，將機油泵內腔不必要的空間進行填平。以上優化措施都是從避免或降低機油泵內腔渦流和空化的角度出發。

4.3 機油泵內腔轉子支撐面的優化

圖13為機油泵內腔轉子支撐面優化示意圖。

圖13 機油泵內腔轉子支撐面優化示意圖

從圖13可以看出，對機油泵內腔轉子支撐面進行優化，使轉子支撐面分布更均衡，受力更均勻，這樣轉子在外部激勵源的影響下，受力更均勻，運轉更平穩，可減少轉子自身運行過程中的振動，降低或避免階次噪聲問題。

5 機油泵階次噪聲優化改善效果

上述機油泵內腔優化改善措施實施后，通過仿真分析及樣件測試評估可知，改善效果明顯，機油泵階次噪聲問題得到了有效解決。

5.1 優化后機油泵腔室壓力對比

圖14為優化前后機油泵腔室壓力分布對比。

圖14 優化前后機油泵腔室壓力分布對比

從圖14所示的對比可以發現，機油泵優化后，高低壓轉換區域壓力波動明顯減弱。

5.2 機油泵壓力波動監測點及頻域對比

圖15為Point01機油壓力波動幅值優化前后對比，圖16為Point01優化前后頻域圖對比。

圖15 Point01機油壓力波動幅值優化前后對比

圖16 Point01優化前后頻域圖對比

從圖15、圖16可以看出，對于壓力波動最大的監測點Point01，優化后，壓力波動幅值明顯降低，階次噪聲明顯下降。

5.3 優化前后半消聲室測試對比

圖17為半消聲室機油泵優化前后測試對比，圖18為半消聲室機油泵優化前后各階次點測試對比。

從圖17、圖18可以看出機油泵各階次噪聲明顯降低，改善效果明顯。

5.4 優化前后整車駕駛員主觀感受

原機油泵運行時，在駕駛室內可聽到從前艙發動機發出明顯的噪聲。經過優化后，駕駛室內主觀評價較好，未發現明顯的機油泵階次噪聲問題，NVH評分滿足要求。

圖17 半消聲室機油泵優化前后測試對比

圖18 半消聲室機油泵優化前后各階次點測試對比

6 結論

通過仿真分析手段可確認階次噪聲的來源，是一種較為可靠的分析手段。

機油泵的階次噪聲問題主要是由機油泵內腔的壓力分布不合理、轉子運行時低壓區向高壓區轉換過程中的機油壓力波動以及機油泵內腔渦流和空化等因素造成，針對上述造成機油泵階次噪聲的因素，可通過優化機油泵的內腔結構來避免或降低，達到降低機油泵階次噪聲的目的。

優化措施中，在機油泵內腔低壓區轉向高壓區域增加“鼻梁”結構設計，可有效改善機油泵腔內壓力波動問題，大大降低機油泵階次噪聲的幾率。