汽車燃油箱減振元件設計方法研究

楊文華，劉悅衛(wèi)，屠翔宇

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汽車燃油箱減振元件設計方法研究

楊文華1，劉悅衛(wèi)1，屠翔宇2

(1. 亞普汽車部件股份有限公司，江蘇揚州，225009；2. 上海交通大學振動、沖擊、噪聲研究所，上海200240)

汽車剎車之后油箱的燃油晃動噪聲會引起車內駕駛員和乘客的不適，采用油箱減振元件是降低車內燃油晃動噪聲的較為方便的手段。通過理論推導研究燃油晃動時油箱對車身的傳遞力，得出減振元件的效果主要由車身、油箱的局部機械導納以及減振元件的柔度確定的結論。根據(jù)傳遞路徑分析方法，設計了車身的力和加速度傳遞函數(shù)測量實驗和整車制動實驗，計算了減振元件工作時車身的受力情況。根據(jù)理論研究結果提出了一套油箱減振元件設計方法。

燃油晃動噪聲；減振元件；傳遞路徑分析

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)迅速發(fā)展的社會，汽車的設計水平日益提高，乘用車車內噪聲已經被生產商和用戶廣泛關注了[1]。如今，來自發(fā)動機、傳動系統(tǒng)的噪聲經降噪措施，已經降到較低的水平。同時，車內由于剎車產生的油箱燃油晃動噪聲的問題凸顯出來。行駛中的汽車急剎時，由于慣性的作用，油箱內燃油晃動，油液撞擊油箱壁面產生的噪聲傳到車廂內，嚴重影響乘坐舒適性[2-3]。

汽車內燃油晃動噪聲的大小主要跟油箱噪聲源、油箱對車身激勵力傳遞特性、車身聲學傳遞特性三方面因素有關，針對這三方面因素可以提出對應的解決問題的措施，比如對油箱結構進行優(yōu)化，采取相應減振措施，對車身結構進行優(yōu)化。汽車燃油箱生產商一般關注油箱結構優(yōu)化和油箱對車身傳遞減振措施。油箱結構優(yōu)化一般是為了減緩油液在箱內的晃動，可以在內部增加防浪板或者外形上增加緩沖特征[4-5]。油箱減振措施主要是在油箱與車身接觸位置，包括綁帶連接處和油箱上表面與車身接觸處，加入減振墊或者減振器。對油箱生產商而言，使用減振元件減小噪聲的傳遞是降低車內燃油晃動噪聲的較為方便的手段，研發(fā)成本小[6-7]。

本文通過理論推導研究燃油晃動時油箱對車身的傳遞力，確定與減振效果有關的因素，用以指導減振元件的選用。本文根據(jù)傳遞路徑分析方法，設計車身的力和加速度傳遞函數(shù)測量實驗和整車制動實驗，計算減振元件工作時車身受力情況[8-9]。根據(jù)理論研究結果提出了一套油箱減振元件設計方法。

1 減振元件設計理論研究

在油箱和車身之間安裝減振元件，減小油液晃動時油箱對車身的激勵力，從而降低車內的油箱噪聲。假設減振元件安裝前，油箱對車身的傳遞力為0，安裝后傳遞力降低至1，則定義力傳遞率為

力傳遞率是布置減振元件時的傳遞力與無減振元件時的傳遞力之比，用它來表征減振元件的減振效果。

油箱與車身多處直接接觸，傳遞力至車身，無減振元件時的油箱和車身局部模型見圖1。

圖1 車身與油箱之間無減振元件時的模型

油液晃動對油箱和車身產生激勵力，油箱車身的局部等效質量分別為1、2，等效剛度為1、1，等效阻尼為1、2，則有：

考慮()為簡諧激勵，即：

可以解得：

車身受到的傳遞力為：

再考慮有減振元件時的車身油箱模型，如圖2所示。僅考慮減振墊的剛度。

系統(tǒng)的振動微分方程可以寫為

可以解得：

車身受到的傳遞力為：

因此，力傳遞率為

力傳遞率是1、2、3的函數(shù)，1、2是油箱和車身的局部振動響應與激勵力的比值，是機械阻抗的倒數(shù)，稱為機械導納，3是減振元件剛度的倒數(shù)，即柔度。換言之，減振元件的減振效果是由它的柔度與車身、油箱的局部機械導納確定的。當車身和油箱的型號確定，即它們的局部機械導納一定時，減振元件的柔度越大減振效果越好，這為減振元件的設計提供了依據(jù)，通?？梢园匆蟮牧鬟f率選擇柔度適合的減振元件。

根據(jù)式(7)還可以求出減振元件的受力為

減振元件受到的力和安裝減振元件時車身受到的傳遞力一樣大。

2 油箱對車身激勵力實驗分析

由第1節(jié)可知，力傳遞率的大小為布置減振元件時的傳遞力與無減振元件時傳遞力之比。根據(jù)要求的力傳遞率選擇柔度適合的減振元件。減振元件的尺寸還要考慮它工作時的受力情況，確保工作時受力變形不會導致減振元件失效。因此，根據(jù)傳遞路徑分析原理，通過實驗確定油液晃動產生油箱噪聲時油箱對車身的激勵力的大小。

2.1 油箱振動的傳遞路徑分析模型

油箱由綁帶和車身連接，上表面幾處與車身接觸位置為布置減振墊的位置，油箱通過這些位置將激勵力傳遞給車身。激勵力作用在車身產生振動響應，某一位置處受到激勵力會使各處產生振動響應，某處的振動響應可能是由各位置受到的激勵力的作用的疊加，激勵力和振動響應關系如圖3所示。

圖3 激勵力和振動響應關系

則對于整個系統(tǒng)有

式(14)等號左側為系統(tǒng)的振動響應矩陣，右側為激勵力矩陣與傳遞函數(shù)矩陣乘積。將式(14)變換可得：

式(15)，中+表示該矩陣的逆矩陣。

激勵力矩陣可以由振動響應矩陣和傳遞函數(shù)的逆矩陣乘積求得。因此，我們可以通過實驗測試獲得傳遞函數(shù)矩陣和實際工況下的車身振動響應，求出油箱各結構路徑傳遞到車身的激勵力。

2.2 傳遞函數(shù)測量及整車制動實驗

實驗對象為某型號汽車及其對應的油箱。實驗可以分為兩個部分，一部分為各路徑傳遞函數(shù)測量，另一部分為整車制動實驗。

實驗用油箱見圖4。油箱主要由三處貼減振墊位置(本實驗中未使用減振墊)和兩處綁帶位置和車身接觸，故考慮油箱通過這五處位置傳遞激勵力至車身。

圖4 實驗用油箱減振墊和綁帶位置

傳遞函數(shù)矩陣獲取通過力錘敲擊實驗實現(xiàn)，實驗在一處汽車修理廠進行。將汽車頂起，卸下油箱。在五處位置車身側分別布置振動加速度傳感器，見圖5。用力錘分別對五處力傳遞位置附近進行敲擊，每個位置敲擊5次取平均。用數(shù)據(jù)采集前端，獲取力信號和振動加速度信號。采樣率為8 192 Hz，分析帶寬為3 200 Hz，頻率分辨率為1 Hz。

圖5 車身加速度傳感器布置

通過整車制動實驗獲得汽車剎停后油箱對車身激勵時車身的振動響應。實驗地點選擇在一條長直馬路上，車上加速度傳感器與敲擊實驗時一致。實驗時，油箱內油液量加至油箱容積的70%，轎車剎車采取重剎方式。行車剎車實驗測量方法如下：實驗時由駕駛員和記錄員同步操作，先保持車速平穩(wěn)在16 km/h，記錄員開始記錄數(shù)據(jù)1~2 s后，駕駛員松油門并剎車，整個過程采集15 s的數(shù)據(jù)。

2.3 實驗結果分析

每個工況采集的數(shù)據(jù)，包括了車輛剎停前后。觀察油箱表面振動信號和車身振動信號，可以看到有幾處明顯的峰值。第一個峰值是車輛平穩(wěn)運行一段時間后踩剎車導致車身振動產生的，第二個峰值為車輛剎停后車身碰撞產生。第二次峰值后車身碰撞產生的振動迅速衰減，在這之后油箱晃動激勵車身產生油箱噪聲傳遞至車內，因此截取第二次峰值之后的1 s時長的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)進行分析，圖6中截取8 s到9 s內數(shù)據(jù)。

圖6 油箱表面測點振動信號

由力錘敲擊實驗得到各路徑激勵力與振動響應的傳遞函數(shù)矩陣，整車制動實驗得到剎車工況下由油箱導致的車身振動響應，根據(jù)傳遞路徑分析理論可以計算得到各路徑的激勵力頻譜。以1為基準力計算激勵力的力級。圖7~11分別是油箱通過減振墊1、減振墊2、減振墊3、綁帶1、綁帶2位置處傳遞到車身的力級頻譜。

圖7 減振墊1位置處激勵力

圖8 減振墊2位置處激勵力

圖9 減振墊3位置處激勵力

圖10 綁帶1位置處激勵力

圖11 綁帶2位置處激勵力

計算各頻率上的力的合力，則5條路徑的結果分別為：3.0、16.0、21.7、4.6、3.0 N。

根據(jù)實驗分析得到油箱各位置向油箱傳遞的力的大小，從而計算出減振墊工作時的受力情況。

3 減振元件效果驗證

根據(jù)前兩節(jié)減振元件設計理論研究和油箱對車身傳遞力實驗分析，可以對現(xiàn)有的車型及減振墊效果進行試驗驗證。

根據(jù)減振元件設計理論，減振效果與油箱和車身的局部機械導納有關。采用力錘敲擊實驗測試得到油箱和車身的導納，實驗方法即：將油箱從車身拆卸下來；在油箱與車身接觸位置的車身側和油箱側分別布置振動加速度傳感器，并分別用力錘敲擊油箱和車身的傳感器布置位置附近；力錘和傳感器分別記錄敲擊力和振動加速度；根據(jù)振動加速度計算位移響應，機械導納即位移響應與激勵力的比值。以1 m/N作為標準計算車身機械導納級，實驗車型及油箱某處的局部機械導納級見圖12、13。

圖12 車身機械導納

圖13 油箱機械導納

為油箱安裝減振墊并進行整車制動實驗測得安裝減振元件后的各路徑的傳遞力。減振墊的剛度經測量約為50 N/mm。根據(jù)理論計算可以得到安裝該減振元件后的力傳遞率頻譜，如圖14所示。

圖14 力傳遞函數(shù)頻譜

由力傳遞率頻譜圖可知，油箱局部安裝減振元件后該處的傳遞力大幅下降，在大于50 Hz的頻率上普遍低于0.1。根據(jù)整車制動實驗的結果，該處傳遞力由安裝減振元件前的21.7 N降至2.0 N，與理論計算的傳遞率基本吻合，這讓減振元件的效果得以驗證。

4 油箱減振元件設計方法研究

根據(jù)對減振元件設計理論研究和油箱對車身傳遞力實驗分析，可以總結油箱的減振元件的設計方法。考慮到減振效果的需求，可以要求選擇的減振元件使油箱的力傳遞率在0.1以下，同時受力變形在正常工作范圍之內，故制定以下的減振元件設計步驟：

(1) 通過實驗獲得油箱和車身的局部機械導納。

(2) 根據(jù)減振元件設計理論，在力傳遞率小于0.1的要求下，確定減振元件的柔度條件。

(3) 根據(jù)傳遞函數(shù)測量及整車制動實驗確定減振元件工作時的受力情況。

(4) 根據(jù)柔度條件和受力情況選擇合適的減振元件。

5 結語

選用適合的減振元件降低油箱噪聲向車內的傳遞是油箱生產商非常關注的問題，本文旨在提供一種通用的油箱減振元件的選用方案。

本文通過理論推導得出結論：油箱減振元件的減振效果主要由車身、油箱的局部機械導納以及減振元件的柔度確定。通過傳遞函數(shù)測量實驗和整車制動實驗計算油箱各個與車身接觸處的激勵力，從而可以計算減振元件工作時的受力情況。本文最后給出減振元件的設計方法，為油箱生產廠家選用合適的油箱減振元件提供了指導。

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Research on the design method of damping element for automotive fuel tank

YANG Wen-hua1, LIU Yue-wei1, TU Xiang-yu2

(1. YAPP Automotive Parts CO.,Ltd., Yangzhou 225009, Jiangsu, China; 2. State Key Laboratory of Vibration, Shock and Noise, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

The fuel sloshing noise from the fuel tank after car braking would make driver and passenger uncomfortable. Using damping elements for the tank is a convenient method to reduce the fuel sloshing noise. Through theoretical derivation of the force translated from the tank to the car body when the fuel sloshes, it is concluded that the damping effect of the damping element is mainly determined by the mechanical admittances of the tank and car body as well as the flexibility of the damping element. According to the transfer path analysis method, the transfer function measurement experiment and the vehicle braking experiment are designed to calculate the force on the damping element. Based on the result of theoretical research, the design method of damping element for automotive fuel tank is proposed.

fuel sloshing noise; damping element; transfer path analysis

TH212 TH213.3

A

1000-3630(2017)-01-0069-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.01.013

2016-03-13;

2016-06-20

楊文華(1980－), 男, 江蘇揚州人, 工程師, 研究方向為燃油系統(tǒng)聲學模擬和實驗分析, 機械性能模擬和實驗分析。

屠翔宇, E-mail: sjtutxy@sjtu.edu.cn