汽車燃油泵噪聲傳遞路徑分析與優(yōu)化

徐有忠 劉煥廣 劉芳 李宗保

（1.奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖 241009；2.安徽省汽車NVH與可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蕪湖 241009）

主題詞：燃油泵噪聲 傳遞路徑分析 怠速噪聲 噪聲傳遞函數(shù)

1 前言

車內(nèi)噪聲是評(píng)價(jià)汽車舒適性的重要指標(biāo)之一。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)NVH 水平的提升，車內(nèi)怠速噪聲已達(dá)到36～38 dB(A)。此時(shí)，燃油泵噪聲在車內(nèi)怠速噪聲中的貢獻(xiàn)量較大，甚至成為主要噪聲源，因此燃油泵噪聲問題亟待解決。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)主要在降低燃油泵本體噪聲、減弱燃油管對(duì)振動(dòng)的傳遞以及改善聲學(xué)包裝等方面進(jìn)行了研究：陸克久提出了改變?nèi)加捅谜{(diào)壓閥出油口結(jié)構(gòu)、改變換向器電焊處包塑、降低油泵轉(zhuǎn)速等降噪措施[1]；奚興超采用不等距葉輪、改變進(jìn)/出油板流道結(jié)構(gòu)來降低燃油泵噪聲[2]；文獻(xiàn)[3]研究了吸油管型式、長(zhǎng)度、裝配方式、燃油種類、供電電壓對(duì)燃油泵噪聲的影響；王嘉偉研究了燃油泵葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)噪聲的影響[4]；葉志剛等通過改善燃油管路與車身間隔振和提升車身聲學(xué)包裝來降噪[5]；Deepak 等通過燃油管夾優(yōu)化設(shè)計(jì)來降低防火墻處振動(dòng)和車內(nèi)噪聲[6]；穆海寧等通過改進(jìn)燃油泵回油結(jié)構(gòu)、降低回油沖擊噪聲，以及減小燃油泵本體與其總成之間的振動(dòng)傳遞實(shí)現(xiàn)燃油泵噪聲的降低[7]。但是，行業(yè)內(nèi)仍缺少針對(duì)燃油泵噪聲傳遞路徑的系統(tǒng)性分析研究。

本文以帶燃油泵的供油系統(tǒng)作為噪聲源，運(yùn)用傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis，TPA）方法[8-10]，通過對(duì)關(guān)鍵路徑和噪聲傳遞函數(shù)（Noise Transfer Function，NTF）進(jìn)行分析提出優(yōu)化方案，以降低車輛燃油泵噪聲。

2 噪聲與傳遞路徑

怠速工況下測(cè)得某車型右后乘員人耳處的噪聲頻譜如圖1所示，其中有明顯的階次噪聲。而該車型所采用的渦輪式電動(dòng)油泵工作轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的基頻為102 Hz（隨電壓變化有小幅波動(dòng)），可以看出，燃油泵的1階、2階、3階噪聲峰值正好對(duì)應(yīng)車內(nèi)人耳處噪聲頻譜（500 Hz 以內(nèi)）的主要峰值，成為該車內(nèi)怠速噪聲的重要貢獻(xiàn)成分。

圖1 怠速時(shí)車內(nèi)噪聲頻譜

該燃油系統(tǒng)的燃油箱總成包括燃油泵總成及燃油箱，如圖2所示，其中，燃油泵總成包括電動(dòng)燃油泵及油泵支架、附件等，如圖3 所示。燃油箱通過油箱綁帶和螺栓固定到車身上，隔離軟墊用于油箱與車身的隔離。

圖2 燃油箱總成示意

圖3 燃油泵總成實(shí)物

電動(dòng)燃油泵產(chǎn)生的噪聲與振動(dòng)通過如圖4 所示的結(jié)構(gòu)傳遞路徑和空氣傳遞路徑傳遞到車內(nèi)，被車內(nèi)乘員感知。

在空氣傳遞路徑方面，檢查油箱視窗口、后地板的密封性，并采用超聲波測(cè)漏儀檢查聲泄露，結(jié)果與同級(jí)別競(jìng)品相當(dāng)，無明顯薄弱點(diǎn)，故認(rèn)為空氣傳播路徑對(duì)車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)較小。在結(jié)構(gòu)路徑方面：斷開燃油管路管夾進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)燃油泵階次噪聲無明顯變化；油箱綁帶采用螺栓剛性固定在車身橫梁上，由于安裝點(diǎn)動(dòng)剛度大，故認(rèn)為此路徑對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)不大。因此，本文重點(diǎn)研究油箱軟墊這條結(jié)構(gòu)傳遞路徑。

圖4 電動(dòng)燃油泵噪聲與振動(dòng)傳遞路徑

圖5所示為油箱軟墊分布示意，共有7處軟墊，材料為聚氨基甲酸酯（Polyurethane，PU），應(yīng)用LMS Test.lab TPA 模塊分析軟墊傳遞路徑對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)。由于橫梁剛度大且橫梁結(jié)構(gòu)在車身底板下部（不在車內(nèi)），因此即便橫梁傳遞了處于油箱與橫梁之間的軟墊6和軟墊7的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，對(duì)車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)也會(huì)很小，故本文主要研究對(duì)應(yīng)軟墊1～軟墊5的5條結(jié)構(gòu)傳遞路徑的貢獻(xiàn)。

圖5 油箱軟墊布置示意

3 傳遞路徑分析

傳遞路徑分析方法的理論基礎(chǔ)[10]為：

式中，yk為各路徑計(jì)算合成的目標(biāo)k的噪聲；Fi為結(jié)構(gòu)傳遞路徑i的傳遞力；Qj為空氣傳遞路徑j(luò)產(chǎn)生的體積加速度；Hik、Hjk分別為結(jié)構(gòu)傳遞路徑i、空氣傳遞路徑j(luò)到目標(biāo)k的噪聲傳遞函數(shù)。

本文通過工況載荷測(cè)試和傳遞函數(shù)測(cè)試[8]分析從油箱軟墊到底板，再到車內(nèi)人耳處噪聲之間的完整傳遞路徑。

3.1 工況載荷測(cè)試

測(cè)試工況為車輛怠速工況，此時(shí)燃油泵正常運(yùn)行，油箱處于正常安裝固定狀態(tài)。設(shè)定的目標(biāo)點(diǎn)（Target）[10]為右后乘員人耳處，路徑點(diǎn)（Paths）[10]為5個(gè)軟墊與車身接觸面中心對(duì)應(yīng)的底板上表面點(diǎn)，指示點(diǎn)（Indicators）[10]為在以上每個(gè)路徑點(diǎn)附近所選擇的2個(gè)點(diǎn)（均位于底板上表面）。

由于軟墊上、下接觸面近似平面，主要傳遞接觸面法向激勵(lì)，即整車Z向激勵(lì)，故針對(duì)這15個(gè)點(diǎn)（5個(gè)路徑點(diǎn)和10個(gè)指示點(diǎn)）均布置Z向振動(dòng)傳感器，如圖6所示。

圖6 工況載荷測(cè)點(diǎn)及傳感器布置（底板上表面）

怠速工況載荷測(cè)試獲得目標(biāo)點(diǎn)的噪聲頻譜Yk和10個(gè)指示點(diǎn)的實(shí)際Z向振動(dòng)加速度Ar(r=1,2,…,10)。

3.2 傳遞函數(shù)測(cè)試

拆除燃油箱總成，在車身底板下表面布置5個(gè)路徑點(diǎn)和10 個(gè)指示點(diǎn)（與圖6 所示位置一一對(duì)應(yīng)），采用錘擊法依次敲擊各路徑點(diǎn)，方向?yàn)榍脫裘娣ㄏ颍@取從每個(gè)路徑點(diǎn)到車內(nèi)人耳處的噪聲傳遞函數(shù)Hik和從每個(gè)路徑點(diǎn)到各指示點(diǎn)的振動(dòng)傳遞函數(shù)Vir，振動(dòng)傳感器布置如圖7所示。

圖7 傳遞函數(shù)測(cè)點(diǎn)及傳感器布置（底板下表面）

3.3 傳遞路徑分析

振動(dòng)傳遞函數(shù)Vir描述了作用在路徑點(diǎn)i的單位力激勵(lì)在指示點(diǎn)r處產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)[11]：

式中，ar為指示點(diǎn)r處產(chǎn)生的振動(dòng)加速度；fi為在路徑點(diǎn)施加的激勵(lì)力。

5個(gè)路徑點(diǎn)到10個(gè)指示點(diǎn)的振動(dòng)傳遞函數(shù)矩陣為：

10 個(gè)指示點(diǎn)的實(shí)際振動(dòng)加速度Ar（已通過測(cè)試獲得）與5個(gè)路徑點(diǎn)的傳遞力Fi有如下關(guān)系：

通過傳遞函數(shù)矩陣求逆，計(jì)算5個(gè)路徑點(diǎn)的傳遞力Fi為：

結(jié)合式（1），即可得到5 個(gè)路徑點(diǎn)合成的計(jì)算噪聲頻譜yk：

在LMS Test.Lab TPA模塊中，選擇所有工況載荷數(shù)據(jù)和傳遞函數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)，定義TPA 模型，利用逆矩陣法（Matrix Inversion）[7,11]計(jì)算出傳遞力，進(jìn)而得到噪聲的計(jì)算頻譜yk，其與實(shí)際的噪聲頻譜Yk對(duì)比如圖8所示，5條路徑對(duì)合成噪聲頻譜的貢獻(xiàn)如圖9所示。

圖8 實(shí)測(cè)噪聲頻譜與各路徑合成計(jì)算頻譜的對(duì)比

圖9 各路徑對(duì)燃油泵階次噪聲的貢獻(xiàn)

由圖8 可以看出：在階次頻率方面，計(jì)算值與測(cè)試值吻合；在幅值方面，燃油泵2 階計(jì)算值非常接近測(cè)試值，相差2 dB(A)，說明油箱軟墊這5 條路徑是燃油泵2階噪聲的主要貢獻(xiàn)者，而燃油泵1階、3階噪聲計(jì)算值明顯小于測(cè)試值，說明油箱軟墊路徑對(duì)1階和3階噪聲只有部分貢獻(xiàn)。

對(duì)整車貢獻(xiàn)最大的燃油泵2 階噪聲進(jìn)行關(guān)鍵路徑分析，各路徑的貢獻(xiàn)如圖10所示。由圖10可知，貢獻(xiàn)最大的3 條路徑依次為軟墊3、軟墊5、軟墊4 對(duì)應(yīng)的傳遞路徑。

圖10 燃油泵2階噪聲各路徑貢獻(xiàn)對(duì)比

為了進(jìn)一步探尋各路徑上貢獻(xiàn)量大小的原因，對(duì)比各軟墊路徑上的傳遞力、噪聲傳遞函數(shù)并取燃油泵前3階次頻率下對(duì)應(yīng)幅值如表1所示。

表1 各路徑傳遞力和噪聲傳遞函數(shù)

由表1可知，軟墊1、軟墊2對(duì)應(yīng)路徑不是主要貢獻(xiàn)路徑的原因是該路徑上的噪聲傳遞函數(shù)低，而軟墊3～軟墊5 對(duì)應(yīng)路徑成為主要貢獻(xiàn)路徑的原因是傳遞力和噪聲傳遞函數(shù)均較大，尤其是軟墊3和軟墊5對(duì)應(yīng)路徑的噪聲傳遞函數(shù)，即車身與軟墊3和軟墊5的接觸點(diǎn)對(duì)204 Hz頻率下的激勵(lì)非常敏感，更易產(chǎn)生噪聲問題。因此，優(yōu)化方案從降低傳遞力和降低車身傳遞函數(shù)兩方面著手。

4 優(yōu)化方案及其驗(yàn)證

去除油箱全部軟墊，對(duì)比去除前、后車內(nèi)噪聲變化情況如圖11 所示，去除軟墊后燃油泵2 階、3 階噪聲聲壓級(jí)分別下降了9 dB(A)、10 dB(A)，說明軟墊傳遞路徑的確對(duì)燃油泵2 階、3 階噪聲有很大貢獻(xiàn)，與分析結(jié)果相符。

進(jìn)一步地，為了降低車身的噪聲傳遞函數(shù)，選取另一臺(tái)車在車身的軟墊路徑位置增加阻尼材料，測(cè)得車內(nèi)噪聲頻譜如圖12中實(shí)線所示（軟墊材料仍為PU），燃油泵2階噪聲峰值已經(jīng)不是最突出的噪聲峰值，說明降低車身的噪聲傳遞函數(shù)對(duì)2 階噪聲有明顯的改善效果。在此基礎(chǔ)上，為了降低軟墊路徑的傳遞力，將軟墊1～5的材料由PU 改為剛度低的三元乙丙橡膠（Ethylene Propylene Diene Monomer，EPDM），測(cè)得噪聲頻譜見圖12，燃油泵1階、2階噪聲進(jìn)一步下降，分別降低8 dB(A)、7 dB(A)，說明降低傳遞力可以進(jìn)一步降低燃油泵噪聲，與分析結(jié)果相符。

圖11 去除軟墊前、后車內(nèi)噪聲對(duì)比

圖12 PU和EPDM軟墊的車內(nèi)噪聲對(duì)比

故該噪聲問題的改善方案為車身側(cè)增加阻尼材料、軟墊材料由PU更改為EPDM。

5 結(jié)束語

本文采用TPA方法獲得傳遞力和噪聲傳遞函數(shù)，進(jìn)而合成噪聲譜，并分析得到各路徑對(duì)最終結(jié)果的貢獻(xiàn)大小，合成的計(jì)算噪聲譜與實(shí)際測(cè)試噪聲譜有較好的吻合性，有效驗(yàn)證了TPA模型的工程價(jià)值。

針對(duì)燃油箱隔離軟墊及其所接觸的車身（底板）結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的5條傳遞路徑開展分析，找出其中關(guān)鍵傳遞路徑，通過優(yōu)化軟墊材料和車身側(cè)增加阻尼材料來降低燃油泵通過軟墊和底板傳遞振動(dòng)對(duì)人耳處產(chǎn)生輻射噪聲的影響。驗(yàn)證結(jié)果表明，該方案可有效地降低車內(nèi)怠速噪聲。