尹文文 黃家勝 顏勇

摘 要：為了提供一種優(yōu)化乘用車用葉片式電動(dòng)真空泵工作引起的噪聲的思路方法，給出了一款配備智能式發(fā)電機(jī)供電裝置的SUV車型駕駛室內(nèi)感知到的真空泵噪音表現(xiàn)，并對(duì)此噪音進(jìn)行分析與優(yōu)化的實(shí)際案例。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)真空泵;氣動(dòng)噪聲;異響;智能式發(fā)電機(jī);真空助力裝置

1 引言

隨著車輛市場(chǎng)日趨飽和，人們對(duì)車輛的要求日益提升，在功能滿足需求的前提下，對(duì)整車感知品質(zhì)的要求越來(lái)越苛刻，對(duì)普通客戶來(lái)說(shuō)，由發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)等零部件帶來(lái)的工作噪音首當(dāng)其沖成為關(guān)注焦點(diǎn)。與此同時(shí)，節(jié)能環(huán)保的理念也越來(lái)越深入人心，智能式發(fā)電機(jī)就是很好的應(yīng)用實(shí)例，旨在根據(jù)不同的用電負(fù)載調(diào)整供電電壓以節(jié)約發(fā)動(dòng)機(jī)能耗。那么，對(duì)于工作條件要求電壓穩(wěn)定的電動(dòng)真空泵來(lái)說(shuō)，其工作噪音會(huì)有什么表現(xiàn)？本文結(jié)合一個(gè)實(shí)際例子進(jìn)行了分析與優(yōu)化改善。

2 電動(dòng)真空泵應(yīng)用及工作原理

傳統(tǒng)燃油車真空助力系統(tǒng)需求的真空度來(lái)源有兩處，一是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管處真空度，二是電動(dòng)真空泵供給真空度，見圖1。

真空助力器通過(guò)真空助力軟管連接至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管和電動(dòng)真空泵，此兩端管路上分別布置有單向閥，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管端單向閥為常開閥，此常開閥將真空助力器后腔與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管處于連通狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)氣歧管內(nèi)的真空度直接供給至助力器前腔。電動(dòng)真空泵端單向閥為常閉閥，在電動(dòng)真空泵處于非工作狀態(tài)時(shí)，將真空助力器前腔與電動(dòng)真空泵排氣端大氣壓隔絕。為滿足制動(dòng)功能的正常使用，真空助力器為伺服真空裝置，這要求即便車輛當(dāng)前未進(jìn)行制動(dòng)，也需在真空助力器腔體內(nèi)保持足夠的真空度儲(chǔ)備。結(jié)合上述連接結(jié)構(gòu)可知，伺服真空度優(yōu)先由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣提供，通常要求伺服真空度為-66.7KPa，但隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化，或進(jìn)行多次制動(dòng)后助力器內(nèi)部真空度消耗過(guò)快，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣真空度無(wú)法滿足此伺服真空度要求時(shí)，ECU控制電動(dòng)真空泵電源回路接通，真空泵開始工作，此時(shí)進(jìn)氣歧管端常開單向閥因?yàn)闅鈮翰疃P(guān)閉，電動(dòng)真空泵端連接的常閉單向閥打開，開始對(duì)真空助力器腔體抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到要求值后真空泵停止工作。

真空泵內(nèi)部工作原理為：真空泵接插件與電源接通后，由電磁感應(yīng)物理原理驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)輸出端壓裝的聯(lián)軸器帶動(dòng)泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，泵軸帶動(dòng)滾圈轉(zhuǎn)動(dòng)。葉片泵為偏心設(shè)計(jì)，在離心力作用下，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)之后與殼體內(nèi)壁形成不同面積的氣室，靠近進(jìn)氣口位置面積逐漸增大，到排氣口位置時(shí)氣室面積逐漸減小，從而將進(jìn)氣孔處空氣掃除到排氣孔排出，最終形成進(jìn)氣管內(nèi)真空度。下圖2是海拉三個(gè)型號(hào)真空泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)爆炸圖，可供參考（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）。

3 電動(dòng)真空泵單體噪音要求及影響因素

目前各大主機(jī)廠使用的電子真空泵主要來(lái)自于德國(guó)海拉，其次是韓國(guó)永信，寧波拓普也在近兩年拓展到真空泵供應(yīng)業(yè)務(wù)，此外還有幾家國(guó)產(chǎn)供應(yīng)商，但市場(chǎng)份額較小，電子真空泵的一些技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)多來(lái)自于海拉電動(dòng)真空泵。在噪音方面，企業(yè)一般要求輔助式電動(dòng)真空泵單體噪音≤70dB，獨(dú)立式電動(dòng)真空泵要求單體噪音≤76 dB，此噪音要求值有在近一兩年內(nèi)做過(guò)提升。近場(chǎng)噪音試驗(yàn)需在半消音室進(jìn)行，在測(cè)量前真空泵應(yīng)在規(guī)定溫度下放置2小時(shí)，通常主機(jī)廠會(huì)給定測(cè)試環(huán)境溫度范圍，然后用1m長(zhǎng)的橡膠管將真空泵連接到真空灌上。根據(jù)真空泵容量不同，選用的真空罐容量不同，通常輔助式電動(dòng)真空泵試驗(yàn)配備的真空罐為3.2L，獨(dú)立式電動(dòng)真空泵配備的真空罐為5.0L，在X、Y、Z三個(gè)方向1.5m處布置聲級(jí)計(jì)，測(cè)得平均聲壓級(jí)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定方算噪音測(cè)試合格。

由所規(guī)定的測(cè)試條件可知，電動(dòng)真空泵噪音會(huì)隨溫度發(fā)生變化，這是毋庸置疑的，否則也不會(huì)將環(huán)境溫度納為試驗(yàn)控制條件。根據(jù)以往試驗(yàn)情況來(lái)看，當(dāng)溫度由室溫上升至90攝氏度時(shí)，真空泵單體近場(chǎng)工作噪音將上升1～2dB。體現(xiàn)在整車上，若機(jī)艙隔音性能較差，在單體噪音偏上限的情況下，真空泵單體工作噪音上升1～2dB在駕駛時(shí)會(huì)聽到明顯的真空泵噪音，給客戶較差的用車體驗(yàn)。

目前電動(dòng)真空泵普遍使用的是有刷直流電機(jī)，其工作穩(wěn)定性及噪聲水平隨電壓變化而發(fā)生變化。在電壓恒定時(shí)，電機(jī)的工作穩(wěn)定性主要與電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、換向器槽寬、磁鋼片充磁飽和度等相關(guān)，工作噪聲主要與轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡、聯(lián)軸器壓裝質(zhì)量、碳刷質(zhì)量、換向器加工質(zhì)量等相關(guān)，就此方面技術(shù)設(shè)計(jì)而言，皆已是成熟技術(shù)，真空泵品質(zhì)主要體現(xiàn)在企業(yè)技術(shù)條件的完善程度及生產(chǎn)控制的一致性方面，比如真空泵工作時(shí)葉片與端蓋內(nèi)壁的間隙有沒(méi)有得到有效控制可以將真空泵品質(zhì)直接劃分不同等級(jí)。而隨著智能化、節(jié)能控制的發(fā)展，智能式發(fā)電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越多，其主要意圖是根據(jù)整車用電負(fù)載調(diào)整電壓，避免產(chǎn)生冗余，致使過(guò)多的發(fā)動(dòng)機(jī)能耗，而這同時(shí)意味著用電器的電源電壓處于被智能調(diào)控的狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程中用電器的工作電壓在滿足用電器正常工作的前提下，是隨整車用電負(fù)載的變化而變化的，若真空泵在駕駛室內(nèi)感知的噪音較大，同時(shí)其工作電壓處于變化狀態(tài)，則會(huì)讓駕駛員感覺(jué)在真空泵工作的開始到結(jié)束的過(guò)程中工作噪音頻率變化，主觀感知體驗(yàn)差，很容易讓客戶誤解為異響，引起抱怨。圖3是一款SUV車型真空泵工作電壓與智能發(fā)電機(jī)調(diào)控下的電源電壓變化關(guān)系，縱坐標(biāo)為電壓（V），橫坐標(biāo)為時(shí)間（s），圖4、圖5分別是智能式發(fā)電機(jī)未介入與介入時(shí)的真空泵振動(dòng)頻率測(cè)試圖像：

顯然，在智能發(fā)電機(jī)將供電電壓由12.8V提升調(diào)節(jié)至14.5V的過(guò)程中，真空泵的工作電壓與其同步變化，同時(shí)，在電壓調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)后，若用電負(fù)載增加會(huì)使電壓產(chǎn)生波動(dòng)，由此產(chǎn)生的電壓變化引起成真空泵電機(jī)噪音頻率變化。以增加空調(diào)負(fù)載為例，在AC OFF、車輛怠速穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，監(jiān)控5S時(shí)間，真空泵工作最大電壓與最小電壓差值為0.07V，噪音頻率變化值為15Hz;在AC ON開啟過(guò)程中監(jiān)控5S時(shí)間，真空泵工作最大電壓與最小電壓的差值是1.9V，噪音頻率變化值達(dá)到92.7Hz。同時(shí)，由于電壓升高，真空泵功率增大，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩有所增大，或?qū)е氯~片對(duì)真空泵端蓋內(nèi)壁的產(chǎn)生刮擦碰撞，加劇噪音異常表現(xiàn)。

4 駕駛室內(nèi)感知到的真空泵噪聲類型

根據(jù)真空泵的工作原理和其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可知，其噪聲組成包括電磁噪聲、機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲，其中電磁噪聲主要來(lái)自定子部分，電機(jī)內(nèi)部空隙中的脈動(dòng)磁場(chǎng)引起定子及與其固連的機(jī)體產(chǎn)生低頻振動(dòng)，相對(duì)于定子，轉(zhuǎn)子在此情況下的振動(dòng)影響較小;機(jī)械噪聲主要由軸承、電刷-換向器工作，以及轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量引起，而后者是電機(jī)噪音的主要聲源。電機(jī)工作過(guò)程，內(nèi)部各組件之間的摩擦碰觸、不平衡量等綜合產(chǎn)生機(jī)械噪音，此部分噪音產(chǎn)生的原因很多，也更復(fù)雜。以上兩種噪聲主要通過(guò)結(jié)構(gòu)傳播。而空氣動(dòng)力噪聲產(chǎn)生于真空泵內(nèi)腔和真空助力器腔體之間通過(guò)真空管路連接形成的氣流壓力變化，以及內(nèi)部氣流在管壁、腔體之間形成的渦流運(yùn)動(dòng)。為提出有效的噪音改善措施，我們需明確機(jī)艙內(nèi)駕駛員耳畔聽到的影響最大的噪音屬于哪部分噪聲，主要以何種方式傳播。通過(guò)取消/增加減振墊、調(diào)整真空泵電機(jī)轉(zhuǎn)速、在真空管外圍增加damper、排氣口增加消聲結(jié)構(gòu)等方法實(shí)車驗(yàn)證，結(jié)果表明試驗(yàn)車駕駛艙內(nèi)感知到的真空泵噪聲主要為空氣動(dòng)力噪聲，真空助力器腔體對(duì)此噪聲有放大作用，但無(wú)明顯共振現(xiàn)象，駕駛員右耳旁實(shí)測(cè)噪音聲壓級(jí)在38dB左右，此噪聲主要通過(guò)空氣介質(zhì)及真空通道傳播至駕駛室內(nèi)，而電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲已經(jīng)通過(guò)減振墊衰減，加之真空泵布置位置遠(yuǎn)離駕駛室，已不再是噪音的主要部分。

5 駕駛室內(nèi)真空泵噪音優(yōu)化方案討論

基于上述，我們將噪音優(yōu)化的方案集中在改善空氣動(dòng)力噪聲部分，結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)理論，最終方案落實(shí)在如何更好的組織真空助力系統(tǒng)內(nèi)部氣流上。因?yàn)樵谥悄苁桨l(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)下工作的真空泵工作電壓變化是必然的，而電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系著其抽真空速率和使用壽命，可調(diào)整范圍有限，故通過(guò)調(diào)整真空泵電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)噪音頻率的想法被否決，而實(shí)際的測(cè)試結(jié)果也顯示，在噪音可接受狀態(tài)下的電機(jī)轉(zhuǎn)速已難以滿足抽真空速率要求。從而考慮從噪音大小方面入手，只要聲壓級(jí)降低，駕駛室內(nèi)可感知的噪音便會(huì)減小，即便噪音頻率存在變化，駕駛員能感知到的噪音頻率變化也會(huì)衰弱。

對(duì)此，基于車輛機(jī)艙內(nèi)布置以確定，真空助力軟管布置形態(tài)已無(wú)法再變更的前提下，我們做的幾個(gè)優(yōu)化方案如下：

（1）調(diào)整真空助力軟管固定點(diǎn)松緊程度;

（2）調(diào)整真空助力軟管單向閥布置位置;

（3）在真空助力軟管管道內(nèi)增加內(nèi)置式單向閥;

（4）在真空助力軟管管道內(nèi)增加小截面限流閥;

（5）在真空泵進(jìn)氣孔內(nèi)部設(shè)計(jì)內(nèi)徑變化特征;

各優(yōu)化方案實(shí)車驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果如下：

原車駕駛員右耳旁噪音聲壓級(jí)/頻率： 38.08dB/499.6HZ，振動(dòng)采集點(diǎn)為真空泵端蓋，噪聲采集點(diǎn)為駕駛員右耳旁。

結(jié)合主觀評(píng)價(jià)可接受狀態(tài)，以及方案實(shí)施工作周期與成本情況，最后確定實(shí)施方案五：在真空泵進(jìn)氣孔內(nèi)部設(shè)計(jì)內(nèi)徑變化特征，具體方案為在真空泵進(jìn)氣口處6.5mm深度的位置內(nèi)經(jīng)改為3.6mm。當(dāng)然，具體參數(shù)應(yīng)結(jié)合實(shí)車測(cè)試結(jié)果確定，但不應(yīng)小于真空通道最小截面內(nèi)經(jīng)值。我們?cè)诖朔桨复_定前也做了多種不同內(nèi)經(jīng)及對(duì)應(yīng)深度的調(diào)整驗(yàn)證，最終在踏板感、制動(dòng)性能符合理論與試驗(yàn)結(jié)果均合格的情況下選定具體參數(shù)，而對(duì)變更后件重新進(jìn)行DV/PV、道路耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，性能與變更前狀態(tài)相當(dāng)。

6 真空助力裝置氣動(dòng)噪聲改善建議

在條件允許的情況下，其實(shí)在項(xiàng)目開發(fā)初期可做一定的工作來(lái)避免后期被動(dòng)補(bǔ)救。相當(dāng)一部分的車型基于遠(yuǎn)離噪音源的考慮，將電動(dòng)真空泵布置在機(jī)艙最前部位置，而這使得真空助力軟管較長(zhǎng)，且其走向形態(tài)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)基本是基于機(jī)艙內(nèi)動(dòng)力總成及其它零部件布置之后可利用的空間而定，針對(duì)管路內(nèi)部氣流組織所作的考量甚少，甚至沒(méi)有考慮此方面，管路形態(tài)在機(jī)艙布置好后，只要折彎角度能實(shí)現(xiàn)便鎖定方案，對(duì)管道內(nèi)部氣流組織是否流暢良好的仿真，以及氣流組織所產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲分析工作是存在很大不足的。最佳的做法是在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)思路中增加管路內(nèi)部氣流組織的分析，通過(guò)流體仿真分析管道內(nèi)部管壁的脈動(dòng)壓力分布情況，把時(shí)域結(jié)果導(dǎo)入聲學(xué)有限元計(jì)算，以便觀察到聲壓云圖和氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí)，在設(shè)計(jì)初期對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

7 總結(jié)

隨著智能式發(fā)電機(jī)應(yīng)用越來(lái)越普遍，整車有很多的用電器都可能工作在電壓調(diào)節(jié)過(guò)程中，出現(xiàn)其他舒適性感知問(wèn)題，這將對(duì)用電器對(duì)電壓變化的敏感性等各方面的要求更加苛刻，同時(shí)對(duì)相關(guān)聯(lián)的零部件設(shè)計(jì)要求更高，不同領(lǐng)域技術(shù)應(yīng)用的交互更加息息相關(guān)。隨著科技發(fā)展和人們對(duì)科技產(chǎn)物的要求提升，汽車作為眾多科學(xué)分支的集合體，將所包含的所有科學(xué)領(lǐng)域技術(shù)不斷融合提升是必行之路，否則終將在市場(chǎng)需求中日漸沉底。

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