燃油晃動噪聲降噪方法研究

石坤，蘇衛東，陳學宏

(亞普汽車部件股份有限公司，江蘇揚州 225009)

0 引言

隨著汽車技術的逐步發展，客戶對汽車舒適性要求越來越高，而噪聲水平是反映汽車綜合質量最直觀的因素之一，提高汽車的噪聲水平可有效改善汽車整體舒適性。而隨著整車動力及傳動系統改善，PHEV、HEV等新能源汽車的推廣普及，燃油晃動噪聲將成為整車噪聲的主要影響因素之一[1-2]。汽車在啟停狀態下，由于汽車速度的大幅度變化，燃油箱晃動噪聲問題在一定程度上被放大，成為影響汽車舒適性較為突出的因素之一[3]，而解決燃油晃動噪聲成為降低整車噪聲的關鍵。目前，常用的降噪方法主要有在箱體內部增加防浪板或提高燃油箱剛度等手段，但在汽車降本增效、輕量化要求等新背景下，傳統單一的降噪方法已不能完全滿足客戶的需求。

針對上述問題，從噪聲產生的機制入手，提出了一種新的汽車燃油箱晃動噪聲降噪方法。其用途主要有以下兩個方面：(1)以打破箱體內部局部空腔產生的噪聲;(2)阻止燃油直接撞擊箱體，從而降低噪聲。本文作者將該方法進行了噪聲試驗，并與傳統降噪方案進行了對比試驗，以驗證其降噪效果。從試驗結果來看，該燃油箱降噪方法效果明顯，在輕量化、低成本、可制造性方面較傳統降噪方法有一定的優勢。為設計、開發解決噪聲問題提供技術支持，達到降低成本、縮短開發周期的目的。

1 燃油晃動噪聲問題分析

燃油系統新開發項目在整車路試過程中，燃油晃動產生的噪聲較為明顯，隨后，在噪聲實驗室對燃油系統進行了獨立的晃動試驗，試驗結果表明：在剎車過程中確實能聽到明顯的燃油晃動產生的噪聲，據試驗結果判斷出產生噪聲的位置主要集中在油箱拐角處，由于燃油在形成的局部密閉空腔晃動產生。

針對這一問題，文中進行了原因分析，并嘗試了放置防浪板的傳統降噪方法。噪聲結果雖有一定程度地降低，但依舊不能滿足當前的降噪需求。于是提出了放置新型防浪板與改善箱體結構并行的降噪方案，文中對這一降噪方案進行了試驗驗證，并與傳統的降噪方案進行了對比分析。

解決晃動噪聲問題主要從兩方面入手，一是盡可能減少噪聲的產生，二是從傳遞路徑上削弱噪聲的傳遞，以下從這兩方面進行相關影響因素的分析[4]。圖1為燃油系統固定模型。

圖1 燃油系統固定模型

1.1 噪聲影響因素分析

1.1.1 加速度

加速度是產生燃油晃動噪聲最主要的因素，在汽車起動、剎車時，由于加速度的改變導致燃油晃動加劇，汽油高速碰撞油箱內壁或箱體內置件，從而產生晃動噪聲。圖2為加速度隨時間變化曲線。

圖2 加速度隨時間變化曲線

1.1.2 綁帶

燃油箱通過綁帶固定在汽車底盤，燃油晃動產生的噪聲通過綁帶傳遞到汽車車身，進而傳遞至駕駛室。剛性較好的綁帶在一定程度上可以減弱箱體振動，降低噪聲的傳遞，如圖3所示。

圖3 綁帶

1.1.3 減振墊

減振墊處于燃油箱與汽車底盤之間，既起到減小振動的作用，又可對燃油箱體進行一定的限位，如圖4所示。燃油晃動噪聲一部分在傳播時通過減振墊傳進駕駛室。減振墊由于其特殊的物理屬性及結構，能部分隔絕燃油箱本體與車身之間噪聲、振動的傳遞，在傳播途徑上可以降低燃油晃動噪聲[4]。

圖4 減振墊

1.1.4 箱體結構

在結構方面，對晃動噪聲影響較大的因素主要有壁厚、材料阻尼、哈夫線、內置立柱(圖5)、箱體剛度等。

圖5 內置立柱

箱體剛度可以反映箱體的振動性能，改善箱體剛度對提高燃油系統噪聲水平有至關重要的作用。目前主要采取的措施主要是在箱體表面增加倒三角結構、加強筋結構，如圖6所示。

圖6 箱體結構

1.1.5 防浪板

在箱體內放置防浪板是當前解決晃動噪聲問題最為常用的方法，它能從源頭上抑制噪聲的產生。設置防浪板后，流體運動方向和速度發生改變，速度差引起油液內能損失；同時，由于流體運動方向發生改變，導致流場阻滯現象的產生，引起能量損耗[5]。

防浪板主要分為吹塑式防浪板、焊接式防浪板、裝配式防浪板等。

吹塑式防浪板在箱體生產過程中一體成型，是箱體本體的一部分，該防浪板既可以減少后期的焊接工藝，又可以降低燃油系統的碳氫排放，但其對吹塑成型工藝、布置位置有一定的技術要求,如圖7所示。

圖7 吹塑式防浪板

焊接式防浪板是在箱體成型過程中進行焊接的成型工藝，對整個焊接過程中的焊接精度有較高的要求，是用于解決晃動噪聲的方法之一，如圖8所示。

圖8 焊接式防浪板

裝配式防浪板，安裝方便，不需要后期進行二次焊接，其安裝位置與防浪板尺寸容易受到箱體結構的影響，具有一定的局限性，但它卻是可供選擇的降噪方法,如圖9所示。

圖9 裝配式防浪板

1.2 噪聲傳遞路徑分析

通常情況下，汽車燃油晃動噪聲的傳播途徑(圖10)主要有兩種，即空氣途徑傳播和結構途徑傳播。

圖10 燃油晃動噪聲傳播途徑

1.2.1 空氣傳播

空氣傳播主要是燃油晃動噪聲引起箱體振動，通過空氣振動傳播至駕駛室，再傳至人耳[6]。

1.2.2 結構傳播

結構傳播是晃動噪聲經由綁帶和減振墊傳至車身底盤，從而進入駕駛室，傳至人耳。該傳播途徑，綁帶的性能、減振墊的性能對噪聲的傳播效果影響較大，綜合性能良好的綁帶和減振墊有助于減弱燃油晃動噪聲的傳播，對燃油晃動噪聲降噪具有正相關作用。

2 解決方案

以上分別從噪聲的產生因素及傳播途徑進行了分析，其中防浪板雖然能夠在源頭上預防噪聲的產生，但該方法卻不能抑制密閉空腔產生的噪聲。

文中提出了一種晃動噪聲降噪方案，可以降低燃油對油箱的碰撞，也可以抑制密閉空腔晃動噪聲的方案，并對該方案進行了試驗驗證。

2.1 試驗設備

為了降低背景噪聲對試驗結果影響，故此在半消聲實驗室進行試驗。

2.1.1 臺架

試驗臺架通過重力提供加速度，通過調整臺架滑臺垂直高度調節剎車前的油箱速度，油箱始終保持水平狀態；臺架在油箱前、左、右和油箱中心上方各有一個麥克風，麥克風與油箱距離均為500 mm，且與油箱時刻保持相對靜止。

2.1.2 箱體

為了盡可能與整車工況保持一致，用尼龍綁帶將箱體固定在臺架上，對燃油箱的水平度也做了相應的要求。油箱的前進方向與整車狀態保持一致。

2.1.3 麥克風

試驗采用了四通道采集的方法，分別在箱體前、左、右和幾何中心正上方放置了麥克風，麥克風的頻率均為48 000 Hz，同時要保證通道間不相互影響。

2.2 噪聲試驗

2.2.1 試驗方法

如圖11所示黑色標記處在晃動噪聲試驗過程中噪聲較為明顯，初步分析是由于晃動過程中形成局部密閉空間引起的噪聲，故將該結構改為箭頭所指結構后進行試驗。

圖11 箱體結構示意

為了驗證該方法的有效性，特增加了空箱晃動試驗、帶防浪板的晃動試驗進行對比。

新的降噪方法主要是將防浪板與改善箱體局部結構綜合運用，避免在箱體拐角處密閉空腔的形成，同時也抑制燃油在晃動時直接打在箱體內壁上，從而降低噪聲的產生。

2.2.2 試驗方案

為了驗證該降噪方案的完整性，分別進行了輕剎試驗和中剎試驗，模擬的兩種不同速度下的運動狀態。

試驗涵蓋從低液位到高液位的噪聲水平，從整車反映的噪聲問題主要在高液位，因此，試驗的液位主要包括25%、50%、70%、80%、90%和100%液位。采集的數據主要有箱體晃動壓力和聲壓值兩種，可從不同方面對比分析該方案的降噪水平。

2.3 試驗結果分析

在試驗時分別采集了油液晃動過程中麥克風的壓力和分貝值，對比兩種參數的差異水平，在試驗過程中發現，噪聲較大的時刻主要發生在6 s之前，因此，試驗結果時只展示前6 s的試驗數據。

2.3.1 晃動壓力

通過圖12可以看出，輕剎狀態下，新的降噪方案在大部分液位時降噪效果較好，尤其是100%液位，降噪效果表現最好，但在90%液位時降噪效果最差。綜合各液位試驗結果，新的降噪方案在輕剎狀態下有效果。

圖12 輕剎試驗壓力結果

由圖13試驗結果可以驗證，新的降噪方案在中剎狀態下的降噪效果要優于防浪板方案。其中，在低液位時，油液的晃動空間較大，油液在晃動時先接觸到防浪板，防浪板在一定程度上增大了晃動的阻力，吸收的部分晃動能量，減少了噪聲的產生。在高液位時，防浪板對油液晃動的阻力有一定的減弱，降噪效果也變弱，且易形成密閉空腔，避免密閉空腔的形成能明顯降低晃動噪聲。

圖13 中剎試驗壓力結果

2.3.2 晃動聲壓級

為了盡可能與整車工況保持一致，選取油箱正中心上方的麥克風采集的數據作為試驗對比數據?？紤]到晃動噪聲最大值出現的時刻，選取前6 s的試驗數據作為對比。

如圖14所示，輕剎狀態下，新的方案降噪效果優異，70%液位時效果最為明顯，90%、100%液位時，降噪效果與防浪板方案較為相似，仍具有一定的降噪效果。

圖14 輕剎試驗分貝結果

如圖15所示，中剎狀態下低液位時，新降噪方案效果明顯，具有優勢；90%、100%時，降噪效果雖表現得與防浪板降噪方案相近，但對噪聲最大值的削弱作用較大，整體的降噪效果要優于傳統防浪板方案。

從試驗結果可以看出，無論從壓力還是從分貝方面對比新的降噪方案與防浪板降噪方案，前者都明顯優于后者。從整個液位范圍，無論輕剎、中剎，新的降噪方案在低液位的降噪效果比防浪板降噪方案明顯。

高液位降噪效果減弱，有可能是因為油液較多，防浪板接觸油液的面積達到飽和狀態，對燃油晃動的阻尼作用減小。

3 結束語

文中針對整車試驗反映的燃油晃動噪聲問題，對油箱晃動產生噪聲的原因做了分析，找出產生噪聲的位置，探索出新的降噪方法。

對于晃動時密閉空腔噪聲及油液碰撞箱體上表面產生的噪聲，文中嘗試的新的降噪方法有助于避免密閉空腔的產生，減弱油液對箱體上表面的撞擊，從而降低燃油系統的晃動噪聲。

根據試驗結果分析，該降噪方案對燃油晃動噪聲有顯著的降噪作用，適用于有密閉空腔噪聲產生的情況，與其他降噪方案相比，該方案在低成本、輕量化和工藝等方面有一定的優勢。就防浪板和箱體結構本身而言，還有一定的改善空間，如果改善防浪板上孔的結構，降噪效果估計會得到一定的提高，在后續的研究中將會進行進一步的驗證。