新型燃料電池汽車的振動噪聲性能開發(fā)

【日】 石川哲平 佐野真一 藤谷宏 大橋康彥

新型燃料電池汽車的振動噪聲性能開發(fā)

【日】 石川哲平 佐野真一 藤谷宏 大橋康彥

為了增強產(chǎn)品的吸引力，對于燃料電池汽車(FCV)的開發(fā)，設計要素也重點聚焦在其環(huán)境友好性和舒適性上。與其他類型車輛的性能開發(fā)一樣，噪聲-振動-平順性(NVH)性能仍然是開發(fā)重點之一。描述了在進行FCV的開發(fā)過程中，如何基于一些特殊情況下實現(xiàn)舒適性的改進工作。這些工作包括FCV采用的特定輔助裝置，包括動力總成懸置系統(tǒng)噪聲、空調(diào)壓縮機噪聲、排氣氣流噪聲，以及路噪等NVH現(xiàn)象。

舒適性 動力總成 懸置系統(tǒng) 燃料電池

0 前言

2014年12月初上市的燃料電池汽車(FCV)屬于零排放的車型，它與內(nèi)燃機車有著相近的續(xù)航里程(全時最大扭矩行駛時具有更好的舒適性)，從而獲得市場好評。本文解析了在FCV開發(fā)過程中，在不損失舒適性的前提條件下，確保車內(nèi)加速低噪聲并且具備很好的動力響應的技術改進。

1 FCV車內(nèi)加速噪聲開發(fā)目標

FCV車與內(nèi)燃機車最大的不同在于動力源不同，因而FCV車需要重點考慮因其特有的強制力產(chǎn)生的車內(nèi)加速噪聲(圖1)。

表1 FCV的組件功能和工作條件

在內(nèi)燃機車的加速車內(nèi)噪聲開發(fā)方面，強制力主要與發(fā)動機輸出扭矩、功率，以及轉速相關，聲壓隨頻率變化，這同樣適于進、排氣噪聲。FCV基本上也考慮以上基本要素，可是與內(nèi)燃機車不同的是，駕駛員加速時通過踩油門踏板來控制進氣噪聲，同時排氣噪聲隨頻率變化也有所不同，隨著排氣消聲器的容量及排氣階次衰減，排氣的氣流噪聲占主要成分(圖2～3)。

圖2 燃料電池系統(tǒng)布置

圖3 進、排氣的空氣流圖及排氣噪聲頻譜

駕駛時的主觀感覺對加速時的寬頻帶氣流噪聲起決定性作用，但是要改善這種特點的噪聲非常困難。基于這種情況，需要檢查強制力聲源空壓機(ACP)的吸氣噪聲。

FCV車采用的ACP帶6個羽片式的容積型葉片，隨轉速變化的主要噪聲階次成分為6階和12階(圖4)，對噪聲平衡的模擬可以判斷出舒適度的階次比(圖5)。

圖4 ACP近場噪聲特性(開發(fā)初期)

圖5 ACP聲壓階次的平衡

在不損失車內(nèi)靜謐性的情況下，需要確定在加速工況下各種噪聲振動現(xiàn)象，比如路噪、風噪等(圖6)。在此基礎之上，兼顧駕駛過程中的聲音隨動力響應的隨動性能的同時，設定各種強制力聲源的目標值(表2)。

圖6 設定加速時的車內(nèi)聲壓級

圖7 設定加速時的ACP聲壓級

2 進氣噪聲開發(fā)

跟普通的內(nèi)燃機車一樣，在發(fā)動機艙內(nèi)搭載了ACP。下文具體說明ACP與變速箱，軸線單元與懸置系統(tǒng)的配置以及ACP的噪聲改善。

2．1 動力總成懸置系統(tǒng)

在比較了剛性連接和柔性連接2種方式之后，F(xiàn)CV車通過適當匹配變速箱與ACP一體的構造方式，實現(xiàn)了降低ACP振動傳遞至車身的目標。ACP的振動傳遞主要集中在中、高頻范圍，一般來講采用與變速箱剛性連接的方式有利于隔振。而從動力總成懸置系統(tǒng)傳遞過來的振動主要是低頻成分，故采取橡膠隔振的效果較好(圖8)。

表2 具有代表性的NVH現(xiàn)象及層級一覽表

圖8 ACP振動時不同連接方式的懸置振動響應的差別

綜合考慮ACP中、高頻振動的影響和變速箱及軸線單元，需要合理配置動力系統(tǒng)的位置。具體而言，將變速箱作為1個質量塊考慮，在ACP側并未采用橡膠懸置連接方式，而是采用了3點(前、后、左)懸置的搭接方式，達到了降低振動傳遞的效果(圖9)。

圖9 懸置系統(tǒng)的配置

電機噪聲傳遞至車身的效果也取決于懸置特性。為了達到與內(nèi)燃機車同等的續(xù)航里程，F(xiàn)CV在行駛時還需要考慮對能量進行回收等重要因素，不斷儲存更多的回收能量。隨著能量回收增多，電機噪聲也會增加，但剎車時反方向的扭矩也增加，這樣可以給電機充電，同時懸置可以衰減剎車時的振動。為了進一步改善振動傳遞，通過解析動力系統(tǒng)中電機的振動，前懸置采用液壓懸置可以達到很好的振動衰減效果，實現(xiàn)了動力系統(tǒng)懸置的設計目標。

2．2 ACP 噪聲

開發(fā)中的FCV的ACP隨轉速變化的回流脈動是1個重要課題。如前所述，結構傳遞的噪聲振動可以通過懸置系統(tǒng)的隔振方法衰減，而FCV特有的加速噪聲主要是空氣噪聲傳播成分。后流配管的輻射噪聲是空氣傳播的主要傳播路徑(圖10)。

因此，還必須通過合理設計擴張腔的管路，才能控制好輻射噪聲水平。但是，所要控制的噪聲頻帶范圍很寬。單擴張腔構造設計對寬頻帶消聲量的頻率特性改進效果不夠完善。本課題通過設計出1種多個擴張腔合成的擴張腔，達到了對寬頻帶噪聲的改善效果(圖11～12)。從而實現(xiàn)了FCV車特有的加速噪聲開發(fā)目標。

圖10 后流配管的配置

圖11 多個擴張腔的設定效果

圖12 回流脈動降低效果

車內(nèi)噪聲的開發(fā)設計表明，需要明確加速噪聲中所包含ACP輻射噪聲的改善目標。

3 排氣氣流噪聲

ACP通過排氣管排出的是空氣和水。內(nèi)燃機車的排氣噪聲必須考慮排氣律動。FCV車的進氣管容積很大，故排氣脈動成分較小。但是，不能忽視排氣氣流對噪聲的影響，必須盡可能降低氣流噪聲。以下分別介紹對車內(nèi)噪聲包括對空氣傳播和結構傳播分別進行的改善和實施的方法。

3．1 空氣傳播成分

排氣管表面的輻射噪聲，氣流噪聲隨著管內(nèi)流體的速度變化而變化(圖13)。

圖13 管內(nèi)流體速度與聲壓級的關系

降低強制力產(chǎn)生輻射噪聲的辦法是把管子的內(nèi)徑變大或者改變管子的厚度。但同時還要考慮車內(nèi)空間布置大小的限制，綜合考慮多方面的因素，達成改善空氣傳播噪聲的目的。

3．2 結構傳播成分

排氣管彎曲部位的紊流振動是產(chǎn)生振動的起因。所以從排氣管的自由度考慮，盡量采取直線式的設計，但因為受到車身總布置的空間限制，直線式設計方案很難實施。因此，要避免排氣管急劇彎曲變化，從而在構造上達到衰減振動的目的，實現(xiàn)傳遞到車身的振動減少的最終目標。通過以上設計能夠大幅改善結構傳播噪聲成分(圖14)。

圖14 排氣氣流噪聲改善結果

4 車輛靜謐性改善

FCV在勻速行駛工況下，相對于發(fā)動機噪聲，路噪和風噪等噪聲振動現(xiàn)象比較突出。如前所述，在不損失車廂內(nèi)高靜謐性的同時，改善FCV特有的車內(nèi)加速噪聲性能(圖15)。

圖15 勻速行駛時的車內(nèi)噪聲特性

4．1 路噪

在確保續(xù)航里程，還有車內(nèi)空間布置條件的前提下，后輪懸架采用了扭力梁。使得扭力梁的固有模態(tài)頻率避開車內(nèi)噪聲頻率的峰值(圖16)。

圖16 車內(nèi)噪聲峰值降低的效果

為了達成勻速行駛工況下的靜謐性，需要確定不產(chǎn)生頻率峰值。因此，如何錯開對扭力梁的固有振動頻率與車身骨架的固有振動頻率，進行了動態(tài)減振器的設計。具體的做法是考慮各個方向的固有模態(tài)及動力吸振，實現(xiàn)衰減多個頻率成分振動的目標。所以，在實施了改善輻射噪聲的對策之后，路面噪聲大幅衰減(圖17)。

圖17 后排階次噪聲的頻率特性

4．2 風噪

車輛外造型設計是控制風噪的重要課題。車身翼子板及外飾板等車身外部造型特征對風噪具有重要影響。

一般來講A柱與翼子板飾條附近角度可能產(chǎn)生氣動渦流，從而引起聲壓變化，這種影響是風噪必須解決的1個重要課題?？刂骑L噪就需要解決好翼子板及外飾條的設計問題(圖18)。

圖18 翼子板部位的氣流模擬圖

外部造型設計的初期階段就要著重強調(diào)翼子板和機艙外飾條附近氣流的控制，同時還要設計出最合適的外后視鏡。在開發(fā)階段的FCV就確保了風噪改善的目標。

5 結語

新型FCV車的NVH性能開發(fā)在兼顧車身空間構造的條件下，實現(xiàn)了車輛從低速到高速工況下的車輛舒適性等所有的性能目標。另外，實現(xiàn)了不同于內(nèi)燃機車的加速車內(nèi)噪聲的開發(fā)，也實現(xiàn)了勻速行駛工況下的高靜謐性，不僅確保了FCV的概念性能，同時還保證了全時輸出扭矩和高靜謐性。

程志偉 譯自 自動車技術，70(7)，2016

虞 展 編輯

2017-02-08)