某增程式汽車空氣壓縮機(jī)降噪分析

運(yùn)偉國(guó)，羅 智，俞輝強(qiáng)

（浙江吉利新能源商用車集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310027）

近年來，由于國(guó)家政策的大力支持和技術(shù)的不斷進(jìn)步，新能源汽車的產(chǎn)量和市場(chǎng)保有量正在快速提升。2020全球新能源汽車銷量突破300萬輛，較上一年銷量提高 41%。中國(guó)新能源汽車銷量占全世界新能源汽車總銷量的40.7%，新能源汽車全球化是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。沒有發(fā)動(dòng)機(jī)的掩蔽效應(yīng)，新能源汽車動(dòng)力和底盤的噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度（Noise，Vibration and Harshness,NVH）變得更突出，如電機(jī)的隔振、電驅(qū)系統(tǒng)電磁噪聲、變速器問題，以及其他附件的噪聲問題等。而且電驅(qū)系統(tǒng)的噪音高于內(nèi)燃機(jī)的噪聲頻率，更接近人耳敏感的頻率范圍，所以需要重點(diǎn)關(guān)注。增程式新能源汽車既有傳統(tǒng)動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)，也有電驅(qū)系統(tǒng)，且發(fā)動(dòng)機(jī)控制與傳統(tǒng)車輛截然不同，故NVH特性更為復(fù)雜。

本文僅就增程式動(dòng)力車輛空氣壓縮機(jī)工作時(shí)噪聲大這一問題進(jìn)行研究，旨在降低駕駛室內(nèi)外噪聲，為提升車內(nèi)駕乘舒適性和降低車外噪聲提供解決方案。

1 空氣壓縮機(jī)噪聲問題

某增程式汽車存在空氣壓縮機(jī)噪聲過大的問題，當(dāng)增程器不工作時(shí)空氣壓縮機(jī)的噪聲異常明顯；而當(dāng)增程器工作時(shí)，空氣壓縮機(jī)和增程器的聲音疊加，車內(nèi)外聲音更大，令乘客難以接受。

空氣濾清器后進(jìn)氣分為增程器進(jìn)氣和空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣兩個(gè)分支，為解決空氣壓縮機(jī)噪聲大問題，可不考慮增程器與空氣壓縮機(jī)同時(shí)工作工況，僅針對(duì)空氣壓縮機(jī)工作時(shí)的噪聲進(jìn)行優(yōu)化。

先通過試驗(yàn)測(cè)試記錄問題樣車車內(nèi)外噪聲水平，了解問題車輛車內(nèi)外的噪聲水平和頻率特征。將車輛停在空曠、平整的場(chǎng)地，以測(cè)試中心為原點(diǎn)，半徑50 m范圍內(nèi)不能有大的噪聲反射物，也不能有其他干擾試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的噪聲源。樣車定置，車輛掛空擋，駐車制動(dòng)處于工作狀態(tài)。分別在車內(nèi)駕駛員右耳旁、距離進(jìn)氣管口10 cm位置布置麥克風(fēng)。為監(jiān)測(cè)進(jìn)氣系統(tǒng)振動(dòng)，同時(shí)在進(jìn)氣管上布置三向加速度傳感器測(cè)量其振動(dòng)量級(jí)。

連續(xù)輕踩制動(dòng)踏板，以釋放儲(chǔ)氣筒內(nèi)壓縮空氣降低儲(chǔ)氣筒內(nèi)氣壓，待壓力降低到一定水平，空氣壓縮機(jī)工作后開始測(cè)試空氣壓縮機(jī)工作時(shí)的噪聲和振動(dòng)。圖 1中虛線為本次測(cè)試樣車駕駛員右耳旁的噪聲，總聲壓級(jí)為58.4 dB(A)。圖1中實(shí)線代表競(jìng)品車定置怠速工況下駕駛員右耳旁噪聲聲壓級(jí)，聲壓級(jí)為48.1 dB(A)，比本次試驗(yàn)樣車低10.3 dB(A)。測(cè)試前對(duì)車外背景噪聲進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試結(jié)果是46 dB(A)，滿足低于空氣壓縮機(jī)工作時(shí)噪聲10 dB(A)以上的要求。

圖1 駕駛員右耳旁噪聲

為進(jìn)一步分析空氣壓縮機(jī)工作時(shí)的噪聲特性，確定對(duì)噪聲貢獻(xiàn)較大頻率成分，對(duì)所采集的時(shí)域噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析獲得其頻譜特征。圖2為駕駛員右耳旁和進(jìn)氣管口處的噪聲頻譜曲線。

圖2 車內(nèi)外噪聲

由圖2不難看出，車內(nèi)噪聲在500 Hz以下頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)峰值，對(duì)噪聲總值貢獻(xiàn)較大的頻率成分主要集中在100 Hz～500 Hz，此頻率成分主要來自空氣壓縮機(jī)引起的噪聲。進(jìn)氣管口噪聲總值為83.4 dB(A)，40 Hz～500 Hz頻率成分對(duì)進(jìn)氣管口噪聲聲壓值貢獻(xiàn)最大。同駕駛員右耳旁噪聲一樣，進(jìn)氣口噪聲頻譜在多個(gè)頻率下均有明顯峰值，均對(duì)噪聲總值貢獻(xiàn)較大。

由圖 2可以看出，車內(nèi)外噪聲峰值主要集中在150 Hz～500 Hz，多個(gè)頻率對(duì)噪聲總值貢獻(xiàn)較大。

2 仿真分析及優(yōu)化

擴(kuò)張腔的傳遞損失TL可通過式（1）計(jì)算得到

式中，=/，和分別代表擴(kuò)張腔直徑和管道直徑，代表擴(kuò)張腔長(zhǎng)度，代表各頻率成分對(duì)應(yīng)噪聲的波長(zhǎng)。從式（1）可以看出，對(duì)于帶擴(kuò)張腔的進(jìn)氣管路，的值始終大于1，所以帶擴(kuò)張腔進(jìn)氣管路對(duì)不同頻率的噪聲均有大于 0的傳遞損失。結(jié)合圖2中的噪聲特性和式（1）中擴(kuò)張腔的傳遞損失特性，故選擇通過在空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣管路上增加擴(kuò)張腔的方案來降低空氣壓縮機(jī)引起的車內(nèi)外噪聲大的問題。

為了確保設(shè)計(jì)的擴(kuò)張腔方案能有效降低圖 2中150 Hz～500 Hz這一寬頻率范圍內(nèi)的噪聲，通過仿真分析及優(yōu)化，確定最佳擴(kuò)張腔尺寸后再進(jìn)行物理樣件的試制、搭載整車驗(yàn)證。

圖3為空氣濾清器后至空氣壓縮機(jī)間進(jìn)氣管路的模型的有限元模型，圖 4為初步確定的帶擴(kuò)張腔管路的有限元模型。空氣壓縮機(jī)后進(jìn)氣管路材料楊氏模量210 GPa，泊松比為0.3，材料密度為 7 800 kg/m。

圖3 空氣壓縮機(jī)原進(jìn)氣管路模型

根據(jù)現(xiàn)有布置空間，初步確定擴(kuò)張腔長(zhǎng)度為120 mm，腔體直徑69 mm，進(jìn)出氣口徑20 mm，擴(kuò)張腔壁厚4 mm。擴(kuò)張器的有限元模型如圖4所示，擴(kuò)張腔材料楊氏模量為 193 GPa，泊松比為0.29，密度為7 930 kg/m。

圖4 空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣管路增加擴(kuò)張腔后的模型

利用圖3和圖4中所示的有限元模型，利用數(shù)值仿真的方法計(jì)算這兩系統(tǒng)的傳遞損失，分析的頻率范圍為0 Hz～1 000 Hz。圖5為圖3和圖4兩個(gè)狀態(tài)下的聲壓分布，傳遞損失結(jié)果如圖6所示。

圖5 空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣管路聲壓分布

圖6 帶擴(kuò)張腔方案?jìng)鬟f損失結(jié)果

從圖 6可以看出，原空氣濾清器至空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣管路0 Hz～1 000 Hz頻率范圍內(nèi)傳遞損失均接近于0，對(duì)噪聲基本沒有衰減作用。

從圖 6還可以看出，增加擴(kuò)張腔后，空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣管路傳遞損失明顯提高，最大接近18 dB。但是一方面，在570 Hz傳遞損失曲線出現(xiàn)第一個(gè)谷值，這對(duì)于500 Hz及以上頻率范圍噪聲控制仍然存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要結(jié)合整車現(xiàn)有布置空間以及開發(fā)成本上的控制，對(duì)擴(kuò)張腔尺寸作進(jìn)一步優(yōu)化。

進(jìn)出氣口徑和擴(kuò)張腔壁厚保持不變，以擴(kuò)張強(qiáng)傳遞損失最大為目標(biāo)，以擴(kuò)張腔尺寸參數(shù)的為變量進(jìn)行優(yōu)化，最后得出最佳擴(kuò)張腔尺寸是：長(zhǎng)190 mm、腔體直徑120 mm。圖7中黑色實(shí)線為最優(yōu)擴(kuò)張腔模型對(duì)應(yīng)的傳遞損失仿真結(jié)果。

圖7 優(yōu)化后擴(kuò)張腔方案?jìng)鬟f損失結(jié)果

從圖7可以看出，最優(yōu)擴(kuò)張腔方案下，45 Hz下傳遞損失達(dá)22 dB，而且在150 Hz～500 Hz頻率范圍內(nèi)具有較高的傳遞損失，平均傳遞損失高于15 dB。此外，優(yōu)化方案下擴(kuò)張腔傳遞損失曲線的谷值出現(xiàn)再900 Hz，這對(duì)于圖2中的噪聲結(jié)果影響已較小。所以可以確定該方案為能夠降低空氣壓縮機(jī)噪聲的有效方案。

3 優(yōu)化方案驗(yàn)證

基于優(yōu)化后確定的最佳擴(kuò)張腔方案制作了擴(kuò)張腔樣件，如圖8所示。

圖8 擴(kuò)張腔樣件

將制作好的擴(kuò)張腔樣件進(jìn)行裝車，并在原狀態(tài)測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行了優(yōu)化方案的驗(yàn)證測(cè)試。圖 9和圖10分別為擴(kuò)張腔裝車后的照片以及駕駛員右耳側(cè)麥克風(fēng)安裝照片。

圖9 擴(kuò)張腔裝車后照片

圖10 駕駛員右耳麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)

圖11中實(shí)線和虛線分別是原狀態(tài)以及最終優(yōu)化后狀態(tài)下，駕駛員耳旁噪聲測(cè)試結(jié)果的頻譜特性。

圖11 駕駛員耳旁噪聲對(duì)比

經(jīng)過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后駕駛員右耳旁噪聲由原來的58.4 dB(A)降低到47.1 dB(A)，降幅達(dá)11.3 dB(A)。從圖中可以明顯看出，優(yōu)化方案下150 Hz～400 Hz頻率范圍噪聲水平明顯低于原狀態(tài)，與仿真結(jié)果基本一致。

圖12是進(jìn)氣管口位置優(yōu)化后的方案和原狀態(tài)噪聲頻譜結(jié)果比對(duì)圖。圖12中實(shí)線代原狀態(tài)進(jìn)氣管口處噪聲測(cè)試結(jié)果，虛線代表優(yōu)化方案下進(jìn)氣管口處噪聲測(cè)試結(jié)果。最終優(yōu)化狀態(tài)下進(jìn)氣管口處噪聲聲壓級(jí)由原來的 83.4 dB(A)降低到72.2 dB(A)，降幅達(dá)11.2 dB(A)。優(yōu)化方案下30 Hz～2 000 Hz頻率范圍噪聲水平明顯低于原狀態(tài)。

圖12 進(jìn)氣管口處噪聲對(duì)比

表1為進(jìn)氣豎管原狀態(tài)和最終優(yōu)化狀態(tài)下振動(dòng)測(cè)試結(jié)果。定義車頭指向車尾為+方向，垂直地面向上為+方向，+方向根據(jù)右手法則確定。從測(cè)試結(jié)果對(duì)比不難看出，最終優(yōu)化狀態(tài)下，進(jìn)氣豎管的振動(dòng)較原狀態(tài)有顯著降低。三個(gè)方向振動(dòng)降幅最大的是方向，降幅達(dá)75.8%。方向?yàn)榇怪庇谶M(jìn)氣豎管表面的方向，所以方向是進(jìn)氣豎管輻射噪聲的主要貢獻(xiàn)，方向振動(dòng)降低能有效降低進(jìn)氣豎管的輻射噪聲。

表1 進(jìn)氣豎管振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣噪聲大的問題，結(jié)合其噪聲特性選擇在進(jìn)氣管路上接入擴(kuò)張腔以降低進(jìn)氣噪聲。利用數(shù)值仿真技術(shù)，以提高降噪性能為目標(biāo)對(duì)基礎(chǔ)擴(kuò)張腔件進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的方案降噪性能明顯提高?；趦?yōu)化后的虛擬模型制作了擴(kuò)張腔物理樣件，并在整車上進(jìn)行驗(yàn)證其降噪效果，結(jié)果顯示降噪效果明顯。因此，可以做如下總結(jié)：

（1）擴(kuò)張腔對(duì)于降低空氣壓縮機(jī)寬頻噪聲具有明顯效果，車內(nèi)外噪聲分別能降低11.3 dB(A)和11.2 dB(A)，主觀感覺改善明顯。

（2）擴(kuò)張腔優(yōu)化方案在降低進(jìn)氣噪聲的同時(shí)也明顯降低了進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，進(jìn)氣豎管表面振動(dòng)最高降幅達(dá)75.8%。

（3）該解決方案對(duì)于新能源動(dòng)力中的空氣壓縮機(jī)降噪均具有參考價(jià)值。通過數(shù)值模擬能明顯提升設(shè)計(jì)和優(yōu)化效率和質(zhì)量。