輸油泵總成NVH噪聲原理分析及解決方法

翟曉紅

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

輸油泵總成NVH噪聲原理分析及解決方法

翟曉紅

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

整車NVH的性能對(duì)于產(chǎn)品品質(zhì)來說尤為重要，其直接影響到顧客的駕駛舒適性。通常情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣系統(tǒng)、輪胎等引起的噪聲關(guān)注較多而燃油系統(tǒng)NVH方面關(guān)注較少。文章主要針對(duì)燃油系統(tǒng)中輸油泵總成對(duì)整車NVH的性能影響進(jìn)行分析和試驗(yàn)，提出相關(guān)的設(shè)計(jì)方案及方法提升整車的NVH性能。

NVH；輸油泵總成

CLC NO.: U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-225-06

引言

目前，隨著汽車的需求量越來越高，國(guó)內(nèi)外汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，同檔次車型在駕乘空間、動(dòng)力匹配、新技術(shù)的運(yùn)用等方面的差距越來越?。慌c此同時(shí)，客戶對(duì)產(chǎn)品舒適性要求越來越高，對(duì)整車噪聲的要求也越來越嚴(yán)苛，可以說，汽車噪聲水平已經(jīng)成為衡量汽車產(chǎn)品品質(zhì)的一個(gè)重要因素之一，因此，提高車輛噪聲控制水平已成為新的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展方向。

現(xiàn)階段，各汽車生產(chǎn)廠商已經(jīng)在針對(duì)整車貢獻(xiàn)量較大的噪聲源如路噪、風(fēng)噪、排氣噪聲等方面都應(yīng)經(jīng)取得了一定的突破與進(jìn)展，但對(duì)于其他部件，如燃油系統(tǒng)等，由于其噪聲相對(duì)上述部件而言對(duì)整車的貢獻(xiàn)量較小，因而受關(guān)注程度不高。

本文基于一款SUV車型整車噪聲不達(dá)標(biāo)問題，發(fā)現(xiàn)燃油系統(tǒng)對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)較大，進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)輸油泵總成為主要貢獻(xiàn)源。本文通過對(duì)輸油泵總成的構(gòu)成、原理、噪聲模型分析等方面，找出影響NVH性能的關(guān)鍵因素，在現(xiàn)有輸油泵總成的基礎(chǔ)上（現(xiàn)有為有刷電機(jī)，在此基礎(chǔ)上不考慮增加額外的PWM控制器等）結(jié)合試驗(yàn)的方法得以解決。

1、設(shè)計(jì)原理及構(gòu)成

1.1 輸油泵總成的構(gòu)成及組成部件的作用

輸油泵總成由法蘭組件、儲(chǔ)油桶組件、液位傳感器三大部分組成（如圖1）：

法蘭組件包括：法蘭、導(dǎo)桿、線束接插件；

液位傳感器：類似于滑動(dòng)變阻器的原理，其浮子的高度受油箱內(nèi)液面高度的影響從而輸出不同的阻值，通過由儀表顯示給駕駛員以指示油箱內(nèi)的剩余油液的多少。

圖1 輸油泵總成的組成

儲(chǔ)油桶組件包括：油杯、進(jìn)油過濾網(wǎng)、泵芯、輸回油支路（波紋管）、調(diào)壓閥。儲(chǔ)油桶組件的布置位置及油路走向如圖2：

圖2 儲(chǔ)油桶組件的布置位置及油路走向

油杯起儲(chǔ)存燃油的作用，其通過法蘭組件中的導(dǎo)桿裝配成一體后，與燃油箱安裝連接，對(duì)輸油泵總成起支撐作用；

進(jìn)油過濾網(wǎng)對(duì)油液中特定尺寸的顆粒進(jìn)行過濾，起粗濾的作用，避免大顆粒雜質(zhì)進(jìn)入泵芯造成輸油泵總成的工作異常；

調(diào)壓閥：是控制系統(tǒng)壓力的部件，此閥為常通閥，用于保證輸出到發(fā)動(dòng)機(jī)端的壓力；

噴射泵：通過虹吸原理，利用回油支路的回油，將油箱中的燃油泵入油杯，保證油杯中始終充滿油液。

泵芯：由電驅(qū)動(dòng)，其工作原理與電動(dòng)水泵的工作原理相同，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的油泵裝置，從而向燃油系統(tǒng)不斷輸送燃油；其上包括兩個(gè)重要的閥，如圖3所示：

圖3 泵芯閥類示意

單向閥：在一定時(shí)間內(nèi)保持系統(tǒng)壓力，以防止剛停車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處油溫較高形成汽泡，便于發(fā)動(dòng)機(jī)再次起動(dòng)。

安全閥：泵出壓力過高時(shí)，安全閥打開進(jìn)行壓力大卸載，避免泵出壓力過高時(shí)造成相關(guān)零部件損壞。

1.2 輸油泵總成的工作原理

早期的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)中的輸油泵總成多為機(jī)械式，現(xiàn)在電動(dòng)輸油泵總成已經(jīng)將其取代。另外，原來的一些被安裝在燃油箱外的電動(dòng)輸油泵總成，考慮到散熱、隔音及氣阻等問題，也均被內(nèi)置到了燃油箱內(nèi)。

輸油泵總成的工作原理如圖4所示：輸油泵總成安裝于油箱內(nèi)，與儀表測(cè)量裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)油軌結(jié)合為整個(gè)供油系統(tǒng)。輸油泵總成利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，將貯存在燃油箱內(nèi)的燃油經(jīng)外接的濾清器進(jìn)一步過濾之后，清潔的燃油通過燃油管路輸送至發(fā)動(dòng)機(jī)油軌處，由噴油器噴射至進(jìn)氣歧管中進(jìn)行可燃?xì)獾幕旌希M(jìn)一步輸送至燃燒室燃燒做功。

圖4 輸油泵總成的工作原理

1.3 輸油泵總成的噪聲模型

聲音是由振動(dòng)產(chǎn)生的，因而噪聲和振動(dòng)是同一物理現(xiàn)象的兩個(gè)方面。由于供油系統(tǒng)中輸油泵總成各組成部件較多，雖然輸油泵輸出的油量一定，但是由于車輛啟動(dòng)后發(fā)動(dòng)機(jī)所需油量工況復(fù)雜，因而回油量的多少難以控制，泵油及回油其相互作用形成共同的聲學(xué)結(jié)果，因此很難有一理想的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行油泵噪聲級(jí)的計(jì)算。

本文借鑒日本油空壓協(xié)會(huì)提出的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行討論．該模型的油泵聲壓級(jí)Lp用下式表示：

1）由①可得：輸油泵的噪聲隨功率P的增加而增大；

2）由②可得：功率P受輸出壓力及流量的影響，壓力及流量越高，噪聲越大；

3）由③可得：流量受排量及轉(zhuǎn)速的影響；同時(shí)若存在燃油流量脈動(dòng)，會(huì)進(jìn)一步影響噪聲指標(biāo)；

由上述數(shù)學(xué)模型④可得：

油泵噪聲隨輸出壓力p、排量q、轉(zhuǎn)速n的增加而增加。進(jìn)一步的研究表明，q和P對(duì)噪聲的影響大致相當(dāng)，而n對(duì)噪聲的影響比q和P的影響大得多。

2、輸油泵總成各組成部件對(duì)噪聲的影響

根據(jù)輸油泵總成噪聲模型分析，噪聲受壓力、排量、轉(zhuǎn)速三方面的影響；因而對(duì)比輸油泵總成的組成部件，影響其產(chǎn)生噪聲的幾個(gè)關(guān)鍵部件為：調(diào)壓閥，葉輪、輸油及回油支路，轉(zhuǎn)子（電刷）。

2.1 調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)噪聲的影響

2.1.1 調(diào)壓閥的組成

調(diào)壓閥的組成部分如圖5所示，其開啟壓力的大小主要受下閥體中寶塔彈簧力的影響。

圖5 調(diào)壓閥的組成

調(diào)壓閥的工作原理如圖6所示：

圖6 調(diào)壓閥的工作原理

當(dāng)輸油泵不工作時(shí)，調(diào)壓閥處于關(guān)閉狀態(tài)。隨著輸油泵開始工作，持續(xù)的流量輸出，濾清器后端外接的燃油管路至壓力閥前端儲(chǔ)油桶上所連接的回油支路（見圖2）中，由于回油流量的增加而導(dǎo)致壓力逐步上升，當(dāng)回油聚積產(chǎn)生的壓力能夠克服調(diào)壓閥下部的寶塔彈簧的彈力時(shí)，帶有鋼球的閥芯組件往下移動(dòng)，與閥門形成一個(gè)通路，此時(shí)壓力閥處于開啟狀態(tài)，將多余的燃油回送到油箱，使燃油系統(tǒng)保持恒定的壓力。

隨著流量的減少（發(fā)動(dòng)機(jī)消耗或油泵輸出降低等），回油產(chǎn)生的壓力不足以克服寶塔彈簧的彈力時(shí)，此時(shí)密封面不能開啟，也就無泄壓存在。此時(shí)壓力閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

2.1.2 調(diào)壓閥壓力設(shè)計(jì)

假定燃油系統(tǒng)中系統(tǒng)壓力為P0，調(diào)壓閥壓力為Pt，一般情況下Pt低于系統(tǒng)壓力P0的要求。Pt設(shè)定的壓力的范圍一般為。

由于噪聲聲壓級(jí)Lp隨著輸出壓力的降低而降低，因而降低調(diào)壓閥的壓力，其對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)量將降低。

現(xiàn)有的驗(yàn)證方法為：一般情況下，整車啟動(dòng)后，維持怠速一段時(shí)間，拔除接插件，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，車輛應(yīng)維持15s左右。但是調(diào)壓閥的壓力不能過低（如超出下公差范圍），若調(diào)壓閥的壓力過低（驗(yàn)證方法同上，拔除接插件，車輛維持時(shí)間≤5s時(shí)），其會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速偏低，導(dǎo)致油壓不足，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)無力等不良影響。

2.1.3 調(diào)壓閥出油口設(shè)計(jì)

調(diào)壓閥出油后，由于變徑的作用，流體流速被放大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)流速大于2.35m/s后，則會(huì)產(chǎn)生明顯的流體噪聲。

圖7 調(diào)壓閥出油口

對(duì)策：通過調(diào)壓閥出油口尺寸的適當(dāng)調(diào)整，以將流速降低至2.35m/s以下，流體噪聲便會(huì)得到很大的改善。

2.2 輸油及回油支路對(duì)噪聲的影響

現(xiàn)有輸油泵總成，其儲(chǔ)油桶組件上的輸回油支路多采用波紋管結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增加波紋管的內(nèi)徑，通過緩沖以降低泵芯輸出油和調(diào)壓閥出口口的流速，從而降低流體噪聲。

2.3 葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)噪聲的影響

目前葉輪的設(shè)計(jì)考慮到工藝、成本等因素，多為等距葉片。在輸油泵總成工作時(shí)，在電驅(qū)動(dòng)的作用下，葉輪會(huì)高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生葉片數(shù)×基頻頻率段的噪音問題。

圖8 等距葉輪

如：某款輸油泵總成葉輪的葉片數(shù)量為47，輸油泵的基頻為126HZ，則其會(huì)產(chǎn)生47×126HZ的頻率段的噪聲問題。

圖9 非等距葉輪

對(duì)策：利用快速傅里葉分析儀（FFT）進(jìn)行固有頻率分布規(guī)律的測(cè)量，將葉輪的等距葉片改為非等距葉片的設(shè)計(jì)，以避開固有頻率，同時(shí)保證葉輪的振動(dòng)能量分布頻率較寬，以降低其對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)量。但是由于制造工藝復(fù)雜、成本壓力較高的影響，目前絕大多數(shù)輸油泵總成制造公司仍然為等距葉片的葉輪。

2.4 轉(zhuǎn)子（電刷）對(duì)噪聲的影響

本文所討論的輸油泵基于現(xiàn)有有刷電機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行噪聲的優(yōu)化考慮。有刷電機(jī)包括定子及轉(zhuǎn)子兩部分。定子為兩片充磁磁鐵，轉(zhuǎn)子為線圈。

有刷電機(jī)的工作原理是：將直流電源接在兩電刷之間而使電流通入電樞線圈。電流的方向?yàn)椋篘極下的有效邊中的電流總是一個(gè)方向，S極下的有效邊中的電流總是另一個(gè)方向。這樣兩個(gè)邊上受到的電磁力的方向一致，電樞因而轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，當(dāng)線圈的有效邊從N(S) 極下轉(zhuǎn)到S(N) 極下時(shí)，其中電流的方向必須同時(shí)改變，以使電磁力的方向不變，這是通過換向器的作用得以實(shí)現(xiàn)。

在輸油泵工作過程中，由于掃掠過磁極的線圈電流方向總是相同的，在換向的過程中，碳刷很容易磨損；同時(shí)在電刷換向時(shí)，由于轉(zhuǎn)子的動(dòng)不平衡及部件之間的配合和精度的影響，會(huì)產(chǎn)生異常的“毛刺”，在高峰時(shí)可達(dá)正常值的三倍，這是導(dǎo)致高頻噪聲的主要原因。

圖10 電刷結(jié)構(gòu)

圖9 泵芯各部分示意圖

對(duì)策：

（1）在電刷間并聯(lián)電容，吸收高頻波，可以有效的消除高頻噪聲；

圖11 并聯(lián)電容示意圖

（2）在泵芯外增加屏蔽罩，反射高頻波，以降低高頻噪音。

3、某款SUV車輛輸油泵總成NVH噪聲的解決方法

3.1 問題反饋

某款SUV車型在怠速時(shí)測(cè)量整車NVH性能，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)出現(xiàn)125Hz左右的峰值，車內(nèi)怠速噪聲聲壓級(jí)為45 dB(A)，超出了標(biāo)準(zhǔn)43 dB(A)的限值。同時(shí)車外出現(xiàn)高頻噪聲，影響主觀評(píng)價(jià)，從而影響整車駕乘的舒適性。

3.2 問題排查

3.2.1 噪聲來源的確認(rèn)

主管評(píng)價(jià)認(rèn)為噪聲來源于燃油系統(tǒng)，通過消去試驗(yàn)法，即在輸油泵檢修口蓋處增加鉛皮覆蓋，進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得結(jié)果如下：

圖12 某款SUV車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)過高排查對(duì)比（增加鉛皮）

表1 某款SUV噪聲增加鉛皮前后聲壓級(jí)對(duì)比

分析：

由圖12可以看出，綠色的曲線為增加鉛皮后，其波峰處明顯較紅色曲線低，說明噪聲從油泵檢修口蓋下方傳來；進(jìn)行聲壓級(jí)測(cè)試（如表1），明顯降低約2 dB(A)。

3.2.2 拆除油箱后進(jìn)一步驗(yàn)證

圖13 某款SUV車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)過高排查對(duì)比（拆除油箱）

表2 某款SUV噪聲拆除油箱前后聲壓級(jí)對(duì)比

分析：

拆除油箱后，車內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)處的125Hz對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)都大幅降低，說明燃油系統(tǒng)是車內(nèi)125Hz噪聲的主要貢獻(xiàn)源。

3.2.3 油泵零部件頻譜測(cè)試

測(cè)試地點(diǎn)：半消音室

圖14 樣品1#原輸油泵總成噪聲頻譜測(cè)試

測(cè)試方法：油泵安裝在油箱中，油箱內(nèi)加油20L。麥克風(fēng)在油泵正上方100cm。分別測(cè)量#1和#2樣品在13.5V下噪音水平。

1#：13.5V 基頻126.4HZ 一階29.8 二階40.4 三階38.5 八階31.7

圖15 樣品2#原輸油泵總成噪聲頻譜測(cè)試

2#：13.5V 基頻127.0HZ 一階39.8 二階43.2 三階39.1 八階34.0

分析：

根據(jù)油泵零部件頻譜測(cè)試結(jié)果：1#及2#輸油泵總成頻譜上出現(xiàn)高峰毛刺現(xiàn)象，基頻為125HZ左右，證實(shí)車內(nèi)125HZ左右的噪聲是由于油泵本體的基頻引起的，非與油箱的共振引發(fā)。

3.3 解決方法

根據(jù)本文開始所述的輸油泵總成的噪聲模型及輸油泵總成各組成部件對(duì)噪聲的影響，針對(duì)某款SUV車型輸油泵存在的噪聲問題，結(jié)合實(shí)際，進(jìn)行可實(shí)施的改進(jìn)方法的選擇與驗(yàn)證。

3.3.1 調(diào)整調(diào)壓閥的壓力

將該款SUV車輛啟動(dòng)后，維持怠速一段時(shí)間，拔除接輸油泵總成上的線束插件，測(cè)量停轉(zhuǎn)時(shí)間t。

測(cè)量結(jié)果：t=7s，低于一般要求的15s，說明調(diào)壓閥的壓力為Pt-10，為下限。

結(jié)論：該調(diào)壓閥壓力已經(jīng)為偏下限設(shè)計(jì)，若進(jìn)一步調(diào)低后，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)速轉(zhuǎn)速偏低，油壓不足。因而調(diào)整調(diào)壓閥的壓力該方法不可行。

3.3.2 加粗輸回油支路，外罩屏蔽帽

方案：

改制樣件1#：輸、回油支路中的波紋管內(nèi)徑增加到φ12，通過加粗以緩沖流體噪聲；同時(shí)到將泵芯外增加金屬屏蔽帽，通過封閉反射高頻噪聲；

圖16 增加屏蔽帽后，粗細(xì)波紋管輸油泵總成噪聲頻譜對(duì)比

樣件2#：輸、回油支路中的波紋管內(nèi)徑保持φ8；同時(shí)泵芯外增加金屬屏蔽帽。

對(duì)比測(cè)試得到的頻譜如下：（綠色曲線為1#樣件；紅色曲線為2#樣件）

分析：

1）圖16與圖14、15對(duì)比可得，增加EKP屏蔽帽后，輸油泵總成在高峰處的“毛刺”得以消除，可以消除高頻噪聲；

2）加粗調(diào)壓閥所連接的波紋管，可以降低1000以上的頻率段，流體噪聲可以得到稍許改善，說明該更改方案可行。

3.3.3 調(diào)壓閥出油口、并聯(lián)電容處理

方案：

改制樣件3#：優(yōu)化調(diào)壓閥出油口，通過對(duì)尺寸的控制，將流速降低至2.35m/s以下；電刷之間進(jìn)行并聯(lián)電容處理；連同改制樣件2#、原狀態(tài)的問題輸油泵4#，分別進(jìn)行裝車驗(yàn)證：

表3 樣品狀態(tài)對(duì)比

噪音測(cè)試（非消音室，測(cè)量環(huán)境噪音為28dB（A），駕駛室內(nèi)各個(gè)點(diǎn)，單位dB（A））

圖17 測(cè)試地點(diǎn)說明

表4 樣品測(cè)試結(jié)果

分析說明：

1）4#樣件對(duì)于整車聲壓級(jí)貢獻(xiàn)較高，對(duì)比前排，貢獻(xiàn)量為1 dB(A)～1.5 dB(A)；

2）2#樣件對(duì)于整車聲壓級(jí)略有貢獻(xiàn)，但是已經(jīng)低于總聲壓級(jí)要求≤43 dB，效果有效；

3）3#樣件對(duì)于整車聲壓級(jí)基本無貢獻(xiàn)，且流體噪聲不明顯，總聲壓級(jí)改善較大，效果明顯。

3.4.4 方案的實(shí)施

經(jīng)上述幾種方法驗(yàn)證，增加屏蔽帽，加粗調(diào)壓閥外接管路可以一定程度上降低噪聲；但是若總聲壓級(jí)的要求進(jìn)一步降低，將難以滿足要求；而優(yōu)化調(diào)壓閥出油口尺寸、轉(zhuǎn)子屏蔽優(yōu)化處理能夠從根本上解決輸油泵總成噪聲的問題。

因而從優(yōu)化某款SUV車型NVH性能出發(fā)，選擇4.3.3中的3#方案。

4、結(jié)論

通過對(duì)輸油泵總成的噪聲模型分析、結(jié)構(gòu)分解，找出影響NVH的相關(guān)部件，結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)優(yōu)化驗(yàn)證，找出降低輸油泵總成對(duì)整車的NVH性能影響的解決辦法。

輸油泵總成NVH性能的提升可以通過加粗調(diào)壓閥外接管路+泵芯外罩屏蔽帽的方式得以初步解決，但是該方法不能從根本上解決問題。從本質(zhì)上來說，通過控制調(diào)壓閥出油口尺寸及轉(zhuǎn)子外接電容屏蔽的方法（設(shè)計(jì)非等距的葉輪可待工藝普及后）可以從噪聲源的控制上根本提升NVH性能。

[1] 汽車工程手冊(cè)編輯委員會(huì).汽車工程手冊(cè):設(shè)計(jì)篇[M].北京:人民交通出版社.2001.

[2] 熊順源,宋玉明.油泵噪聲的產(chǎn)生及其控制:江漢大學(xué)學(xué)報(bào)，1998.06.

[3 ] 秦曾煌,電工學(xué).上冊(cè)：電工技術(shù).高等教育出版社.

[4] 汽車構(gòu)造. 機(jī)械工業(yè)出版社.2008.01.

Oil transfer pump assembly harshness (NVH) noise principle analysis and solution

Zhai Xiaohong
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

The NVH is very important for the vehicle. It affects driving coziness of customers. Generally speaking, people pay more attention to NVH which is normally related to the engine, exhaust and tire rather than the fuel system. This article focus on the fuel pump and the affect to the NVH of the vehicle by analysis and test, and finally find the solution of fuel pump to upgrade the NVH of the vehicle.

NVH; Fuel pump

U472.4

A

1671-7988 (2017)10-225-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.078

翟曉紅，底盤設(shè)計(jì)主管，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心乘用車研究院。