電動燃油泵振動噪聲的分析與控制

宮少琦，黃應來

電動燃油泵振動噪聲的分析與控制

宮少琦，黃應來

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

為了對汽車燃油泵的振動噪聲進行分析與控制，文章結合噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）實驗與仿真模擬分析，通過NVH實驗（Artemis/LMS）調查引起車內噪聲振動的機理，利用仿真模擬（Altair OptiStruct）分析搭載燃油泵的車身結構動態特性，仿真關鍵路徑精細分析車身工作變形模態（ODS）與節點貢獻量（GPA），為燃油泵振動噪聲的優化提出可行性方案。NVH實驗與仿真模擬分析結果表明：1）車輛怠速鼓噪聲@100 Hz與拍頻噪聲機理：燃油泵工作頻率與整車怠速發動機八階頻率耦合發聲；2）車輛常用電動燃油泵轉子動平衡控制方法不完善，導致動平衡精度缺失，常引起燃油泵工頻及諧頻振動；3）通過試驗與仿真結合快速定位車身薄弱位置，優化車身振動傳遞靈敏度3 dB，改善整車怠速燃油泵鼓噪聲5 dB(A)。文章詳述NVH實驗與仿真模擬結合分析方法，提出了抑制汽車燃油泵振動噪聲的有效方案，提高車輛駕乘舒適性，研究結果為汽車電動燃油泵振動噪聲控制提供了技術支撐。

燃油泵；NVH；節點貢獻量；工作變形模態

燃油泵是汽車供油系統的核心部件，在輕量化研發趨勢下，目前乘用車廣泛應用離心式電動燃油泵。離心式電動燃油泵轉子由電機轉子與葉輪兩部分構成，為實現經濟供油，其額定工作轉速一般設計在高轉速區間：5 000～10 000 r/min。工程實際中，汽車燃油泵動平衡質量檢測工況一般在2 000～3 000 r/min之間，已經較大偏離工作區間；并且只對燃油泵電機轉子進行動平衡檢測，對燃油泵葉輪及轉子總成缺少控制，這些導致燃油泵總成動平衡精度缺失，良品率下降，不可避免引起整車燃油泵鼓噪聲與拍頻噪聲，因此，控制與優化燃油泵振動噪聲成為重要課題。其次，目前對汽車燃油泵振動的控制一般停留在學術研究層面[1]，在缺少工程實踐與應用的情況下，很難將學術研究成果轉換為落地工程方案。對燃油泵振動噪聲特征進行深入研究，為汽車燃油系統的振動噪聲控制有較大的工程實用價值；采用噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）實驗與仿真模擬相結合的方法分析，為車輛NVH性能優化提供指導性依據[2-3]。

NVH試驗能夠直接剖析機械本體振動與噪聲特征，仿真模擬分析能夠對NVH優化驗證進行快捷指導，本文結合應用Artemis/LMS與Altair OptiStruct軟件，對燃油泵本體振動與噪聲特征進行剖析，從控制噪聲源與傳遞路徑方面進行優化驗證分析，得到了燃油泵振動噪聲控制與優化的指導方法，并提出適用性較強的工程優化方案，對燃油泵振動噪聲控制研究有重要意義。

1 燃油泵振動與噪聲實驗

1.1 燃油泵NVH實驗

汽車燃油泵安裝于燃油箱內，本文應用Artemis/LMS數據采集系統實現燃油泵NVH實驗，主要包含：第一，測量整車怠速工況下，燃油泵本體及駕駛室內的振動噪聲；第二，測量整車燃油泵外部供電狀態下，燃油泵本體及駕駛室內的振動噪聲；第三，測量燃油箱結構動態特性，即燃油箱模態特征及安裝點結構特性。針對燃油泵NVH試驗研究內容，燃油泵NVH試驗測點布置及測量系統布置詳見圖1。

圖1 燃油泵整車NVH測量系統

1.2 燃油泵試驗結果

本文應用Artemis采集整車怠速工況、整車外部供電穩態工況以及整車外部供電加速工況下燃油泵的振動與噪聲，測試結果如下：

1）圖2(a)實線為整車怠速工況燃油泵振動噪聲水平，駕駛室內前排107 Hz噪聲達32 dB(A)，后排噪聲水平達標，前排超目標水平（25 dB(A)）后，車內主觀感受明顯鼓噪聲；

2）圖2(b)為燃油泵外部供電加速工況（0～15 V）下的振動噪聲水平，駕駛室內前排噪聲在107 Hz附近有明顯的共振帶能量，車內后排噪聲及燃油箱振動在107 Hz處共振帶能量均不明顯。另外，瀑布圖中高頻共振帶是回油量較大時的寬頻噪聲，整車正常運行時不會產生此現象。

圖2 燃油泵怠速與供電工況振動噪聲對比

1.3 燃油箱實驗結果

本文應用LMS對燃油箱模態、燃油箱安裝點的動剛度（Locate Dynamic Stiffness, LDS）與噪聲傳遞函數（Noise Transfer Function, NTF）進行測量，測量結果見圖3。

1）燃油箱在107 Hz處并不存在結構模態；

2）燃油箱前安裝點LDS為2 200 N/mm，后安裝點LDS為5 300 N/mm，左右水平基本相當；

圖3 燃油箱結構動態特性

3）燃油箱安裝點在108 Hz附近的NTF，右前安裝點達到65 dB，其他三個安裝點低于55 dB。

測量結果表明燃油泵及燃油箱本體在107 Hz附近不存在本體模態，燃油箱安裝點動剛度水平沒有明顯缺陷，燃油箱右前安裝點NTF差，是車內鼓噪聲的重要傳遞路徑，需找到車身薄弱位置。

2 燃油泵振動與噪聲仿真分析

2.1 NVH仿真實驗對標

本文應用Altair OptiStruct對搭載燃油泵的整備車身（Trimmed Body, TB）進行關鍵路徑仿真分析，找到該問題車身設計薄弱部位，并確定提升車身靈敏度的最佳方案。TB關鍵路徑仿真與試驗對標，對標結果在90～170 Hz頻段內校核誤差在3%以內，仿真模型精度可信。

2.2 仿真分析貢獻量

仿真模擬TB在燃油箱右前安裝點單位力的作用下，TB聲腔內的響應在流固耦合界面上的每個節點貢獻量（Grid Participation Analysis, GPA），結果見圖4，后排座椅地板是對車內噪聲貢獻量最大的區域。進一步仿真分析TB鈑件工作變形模態陣型（Operating Deflection Shapes, ODS），見圖5，后地板燃油泵安裝區域存在工作彎曲模態，且模態反節點位置落在燃油箱右側安裝點區域。

圖4 車身104 Hz GPA云圖

圖5 車身104 Hz ODS分析

2.3 仿真優化方案

根據GPA與ODS分析，駕駛室中地板右側區域存在工作變形模態，且對駕駛室噪聲貢獻量最大，需要對該區域進行避頻降幅。仿真進行多輪模擬優化分析，包括加強燃油箱安裝點結構、加厚中地板鈑金等，均對燃油箱右前安裝點NTF中的104 Hz附近有改善作用，其中在后地板增加梁結構形式（見圖6）對NTF改善最為明顯，仿真分析快速鎖定車身最優方案。

圖6 加強后地板增加梁結構

3 燃油泵振動噪聲優化與驗證

根據仿真模擬優化方案，在后地板燃油泵安裝口附近區域手工實施加強梁，見圖7，整車怠速主觀駕駛室內鼓噪聲可接受，客觀數據改善5 dB，達到目標水平，手工方案有效；進一步測量整車燃油泵外部供電加速工況（0～15 V），駕駛室內前排噪聲在107 Hz處共振帶明顯變弱，見圖8。

4 結論

通過對燃油泵振動噪聲的NVH實驗與仿真分析，得出以下主要結論：

1）受燃油泵轉子動平衡質量影響，燃油泵易產生較大的工頻振動，并與發動機怠速諧頻耦合，引起駕駛室內鼓噪聲，嚴重時會形成拍頻噪聲；

圖7 整車怠速噪聲優化

圖8 整車燃油泵外部供電加速噪聲

2）針對電動燃油泵后置車型，加強車身燃油泵安裝口區域結構，可有效降低油箱安裝點噪聲傳遞靈敏度，從而改善實車駕駛室內100 Hz/200 Hz鼓噪聲；

3）NVH試驗與仿真模擬結合分析，能夠剖析車輛振動噪聲機理，同時對車身結構噪聲進行高效尋優方案，快速實現工程優化方案落地。

[1] 程志偉,盧義剛.怠速工況下燃油系統的噪聲評價和改善[J].應用聲學,2019,38(3):345-351.

[2] 王歡,莊超,蘇俊收.重型卡車駕駛室怠速噪聲分析及控制[J].噪聲與振動控制,2021,41(1):118-121.

[3] 徐有忠,劉煥廣,劉芳,等.汽車燃油泵噪聲傳遞路徑分析與優化[J].汽車技術,2020(12):55-59.

Analysis and Control Vibration and Noise of Electric Fuel Pump

GONG Shaoqi, HUANG Yinglai

( Geely Automobile Research and Development (Ningbo) Company Limited, Ningbo 315336, China )

In order to analysis and control the vibration and noise of electric fuel pump, in this paper, NVH experiment (Artemis/LMS) and simulation (Altair OptiStruct)analysis are combined to investigate the mechanism of internal noise and vibration, the operating deflection shapes(ODS) and grid participation analysis(GPA) of the trimmed body with fuel pump are analyzed by simulating the critical path, and the feasible scheme is proposed for the optimization of fuel pump vibration and noise. The results of NVH experiment and simulation analysis show that: 1) The mechanism of rumble noise at 100Hz and of the idle condition is that the fuel pump operating frequency is coupled with the engine frequency (8 order); 2) The rotor dynamic balance control method of electric fuel pump is not complete, which leads to the loss of dynamic balance accuracy and that causes power frequency and harmonic frequency vibration of the fuel pump frequently;3) Through the combination of test and simulation, it can locate the weak position of the body quickly, and optimize the vibration transfer sensitivity 3dB, and improve the idle noise 5dB(A).In this paper, this method with NVH experiment and simulation analysis is detailed, and an effective scheme to suppress vibration and noise of automobile fuel pump is proposed to improve vehicle riding comfort. The research results provide technical support for vibration and noise control of automobile electric fuel pump.

Fuel pump;NVH; GPA; ODS

U461.4

A

1671-7988(2023)10-51-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.010

宮少琦（1986—），女，碩士，研究方向為汽車NVH開發與控制，E-mail:shaoqi.gong@geely.com。

國家自然科學基金青年基金資助項目（51804152）。