閆魯平 郝占武 隋清海 徐華林

（中國第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：電動汽車 獨立真空泵 NVH

1 技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 背景

隨著電動汽車的普及，用戶對于電動車的性能要求不斷提高，安全、舒適和智能交互是用戶感知最重要的方面。

舒適性能方面，NVH性能是用戶感知最重要的部分，因此，電動車的NVH性能好壞是用戶抱怨的重要因素。

傳統(tǒng)燃油車由發(fā)動機提供真空助力的真空源，電動車由獨立真空泵代替發(fā)動機提供真空源。由于用戶對電動汽車的噪音水平要求越來越高，并且電動車缺少發(fā)動機，整車噪音較小，真空泵噪音尤為凸顯。因此，如何降低真空泵噪音水平，成為底盤NVH領(lǐng)域重要研究工作。

1.2 真空泵的分類

目前汽車制動領(lǐng)域應(yīng)用的真空泵主要有三種：葉片式電動真空泵、膜片式電動真空泵和活塞式電動真空泵[1]。

參考電動真空泵的衡量指標：抽氣效率、壽命、重量、成本和布置空間等方面，葉片泵顯著優(yōu)點是壽命長、便于布置，顯著缺點是噪音高；膜片式電動真空泵主要缺點，主要體現(xiàn)在：因其膜片直徑及工作腔體原因，尺寸較大、因其為雙膜片水平對置，推桿往復運動，工作時震動較大、單件成本較高，但在其噪音方面有較好的表現(xiàn)，相比同規(guī)格的葉片式電動真空泵，噪音低8～9 dB，故在整車布置空間方面要求不是很高，對成本要求不高的情況下，可以采用膜片泵，獲得更好的噪音表現(xiàn)；活塞式電動真空泵因為耐久性能差，絕大部分應(yīng)用在低速電動車等對制動性能及耐久性能要求不高的車型。

現(xiàn)在市場上應(yīng)用最多的是葉片式電動真空泵，以下，本文將只針對葉片式電動真空泵NVH做詳細分析，選取市場上一種常見的獨立式真空泵作為研究切入點。

本文針對UP50型號真空泵，結(jié)合項目開發(fā)經(jīng)驗，進一步分析主機廠使用市場上成熟的真空泵產(chǎn)品，采取何種措施降低真空泵的噪音。

2 噪音分析

2.1 噪音來源

通過對葉片式真空泵進行拆解，如圖1所示結(jié)構(gòu)，并通過在NVH試驗室中分別對真空泵拆除不同的結(jié)構(gòu)來測試真空泵的噪聲水平，通過對比不同的試驗結(jié)果，從表1中可以發(fā)現(xiàn)，真空泵的噪音主要來源于石墨葉片高速旋轉(zhuǎn)與腔體摩擦所產(chǎn)生。

圖1 真空泵結(jié)構(gòu)拆解

表1 拆解不同結(jié)構(gòu)測噪音

2.2 噪音種類

噪音的傳播方式分2種：結(jié)構(gòu)聲傳播和空氣聲傳播。結(jié)構(gòu)聲傳播指噪音源通過安裝路徑傳遞到駕駛員耳朵內(nèi)；空氣聲傳播指噪音源通過空氣傳播方式傳遞到駕駛員耳內(nèi)。

通過整車測試，發(fā)現(xiàn)真空泵噪音來源于空氣聲傳播和結(jié)構(gòu)聲傳播。

通過真空泵整車噪音測試，發(fā)現(xiàn)這種真空泵4 000 Hz～7 000 Hz高頻成分多，主觀感受差，如圖2所示頻譜圖。

圖2 真空泵噪音頻譜

真空泵噪音的控制目標：控制真空泵噪音頻譜圖中600 Hz以上高頻成分不要太多。

3 空氣聲傳播降噪措施

降低噪音的措施主要有2種：

（1）降低噪音來源；

（2）切斷傳播路徑。

3.1 轉(zhuǎn)速控制策略

真空泵的工作電壓為9～16 V，通過穩(wěn)壓電源在臺架上驅(qū)動真空泵，測得真空泵在不同工作電壓下，電機會以不同的轉(zhuǎn)速來工作，測得真空泵的近場噪聲如表2所示。

表2 不同轉(zhuǎn)速下真空泵噪音水平

可以得出結(jié)論：真空泵低轉(zhuǎn)速，低噪音，真空泵噪音頻譜圖中600 Hz以上高頻成分明顯減少。對于電動車，真空泵是通過HCU控制繼電器來控制真空泵的開啟和關(guān)閉。在保證整車制動效能的前提下，讓真空泵在低車速時低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，讓真空泵保持較低的噪音水平。

圖3 PWM控制示意

3.1.1 電壓調(diào)節(jié)

正常真空泵兩端電壓為蓄電池電壓12 V，在車速較低時，可以控制真空泵兩端電壓為9 V～10 V，正常真空泵的電阻阻值約為0.7 Ω，在HCU控制回路中串聯(lián)一個阻值為0.50 Ω～0.58 Ω的電阻，新增電阻通過并聯(lián)一個繼電器來控制是否接入回路中，如圖4所示。

圖4 PWM控制示意

3.1.2 占空比控制

占空比控制方式：方波脈沖中，正脈沖的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值，即高電平所占周期時間與整個周期時間的比值t1/T，如圖4所示。

通過PWM控制方式，在HCU控制回路中增加一個PWM控制器，通過控制占空比的方式，讓真空泵在低車速時兩端的工作電壓為9.0 V～10.0 V，隨著車速的增加占空比逐漸增大到1.0，假設(shè)整車額定電壓12 V，控制方法如表3所示：

表3 不同車速占空比

3.2 增加隔音罩

在真空泵周圍增加一個真空泵隔音罩總成，總成由材料為PA6隔音罩和材料為雙組份的吸音棉組成，考慮真空泵本體在實車上的散熱情況，隔音罩前部預留散熱通道。通過實車驗證，滿足NVH車內(nèi)性能目標。真空泵隔音罩總成結(jié)構(gòu)如圖5所示。

通過增加真空泵隔音罩，NVH改善效果明顯，真空泵噪音頻譜圖中600 Hz以上高頻成分明顯減少，對比客觀測試結(jié)果如下表4所示：

表4 NVH測試結(jié)果

增加真空泵隔音罩會帶來真空泵散熱不好，導致真空泵壽命降低的問題，因此，需要進行熱管理專業(yè)理論分析，并經(jīng)過實車驗證真空泵的壽命問題，對真空泵隔音罩的包裹面積進行優(yōu)化。目前經(jīng)過CAE分析和實車驗證，真空泵隔音罩包裹面積為60%～70%既能滿足NVH要求，滿足真空泵壽命試驗。

3.3 優(yōu)化真空泵布置位置

一般為了考慮真空泵的抽氣效率，真空泵布置位置離真空助力器距離為40 cm～50 cm，為了優(yōu)化真空泵NVH，可以將真空泵布置在遠離駕駛員的位置，如右前大燈后側(cè)的縱梁上，通過對比測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)布置在離駕駛員較近位置的真空泵車內(nèi)噪聲600 Hz以上頻率高于布置在離駕駛員較遠位置，如圖6所示。

圖6 不同布置位置聲音頻譜

將真空泵布置在遠離駕駛員的位置，會導致真空管過長，真空管過長會影響抽真空的效率[2]。因此，真空泵并不是布置離駕駛員越遠越好，需綜合考慮NVH性能和抽真空效率。經(jīng)過實車測試，目前最佳方案是真空泵布置位置的真空管長度為1 m左右。

4 結(jié)構(gòu)聲傳播降噪措施

真空泵連接的支架結(jié)構(gòu)及模態(tài)，減振墊形式及硬度及固定的車身支架都會影響結(jié)構(gòu)噪音的傳播，避免共振可以有效減小結(jié)構(gòu)噪聲，間接影響空氣傳播噪聲[3]。

根據(jù)項目經(jīng)驗，優(yōu)化真空泵支架方案成本低和周期短，下面以真空泵支架優(yōu)化方案為例進行闡述。

對于電動車，一般將真空泵布置到電機殼體上，因此，真空泵支架優(yōu)化目標主要考慮真空泵支架模態(tài)，避免與電機發(fā)生共振。依據(jù)項目經(jīng)驗，真空泵支架模態(tài)目標設(shè)置為300 Hz，通過CAE計算和實車驗證保證支架模態(tài)滿足NVH要求[4]。

5 主觀評價

NVH客觀測試數(shù)據(jù)可以作為NVH優(yōu)化方向的依據(jù)，但由于真空泵噪音屬于系統(tǒng)問題，所以NVH測試最終需要經(jīng)過整車實車測試，即NVH工程師進行主觀評價給出最終結(jié)論。

設(shè)定主觀評價評分目標（表5），經(jīng)過實車測評，評分7.5分以上為用戶可以接受的指標。

表5 NVH主觀評分指標

各措施主觀評價結(jié)果，如圖7所示。

圖7 各措施主觀評價結(jié)果

6 結(jié)論

通過研究真空泵本身的頻譜特性及以上4種途徑都可以優(yōu)化NVH水平，提升真空泵在整車上的噪音表現(xiàn)，提高駕駛員的駕駛感受。

考慮選擇哪種方案，需要根據(jù)項目周期、成本及布置方案復雜程度和效果綜合考慮。通過試驗效果驗證，有效方案如下。

（1）主機廠：項目開發(fā)前期，優(yōu)先選擇優(yōu)化真空泵位置方案；

（2）主機廠：項目開發(fā)后期，優(yōu)先選擇增加真空泵隔音罩方案；

（3）主機廠：采用電子助力器方案，代替真空泵方案；

（4）供應(yīng)商：對生產(chǎn)的真空泵本身進行方案優(yōu)化，優(yōu)化真空泵結(jié)構(gòu)，如出氣口增加消音罩等措施，減震墊形式及硬度。

如上方案，經(jīng)過量產(chǎn)車型驗證并經(jīng)過供應(yīng)商確認的可行方案：

（1）增加真空泵隔音罩，隔音罩的包裹面積為60%左右。該方案既能滿足NVH評價效果，又能滿足熱害對于真空泵壽命的影響，滿足用戶行駛里程需求。

（2）優(yōu)化真空泵支架模態(tài)，避免與安裝位置發(fā)生共振。

后續(xù)采取其它措施進行真空泵噪音優(yōu)化時，建議與供應(yīng)商一起探討研究避免出現(xiàn)影響真空泵性能和可靠性的問題。