轉子式機油泵的階次噪聲分析及改進

李延鵬 潘玲玲 喻 磊 李文輝 劉 巖 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司）

引言

各種調查和測試結果表明，汽車噪聲是目前城市環(huán)境中最主要的噪聲源。近年來，由于汽車在城鄉(xiāng)的普及和汽車工業(yè)技術的不斷進步，控制汽車的噪聲污染越來越引起人們的重視。在我國，根據(jù)國家標準要求[1-2]，分別對車外、車內的噪聲控制標準進行了定義。

機油泵是發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的重要組成部分，它的主要作用是保證發(fā)動機在各轉速下都能提供足夠數(shù)量的機油，以維持足夠的機油壓力，保證發(fā)動機各運動件及摩擦副的潤滑。

轉子式機油泵在運轉時，機油泵腔內壓力會存在波動，特別是高低壓轉換時，壓力波動異常明顯。另外，機油泵腔內的渦流、空化都會導致機油泵運轉時發(fā)生振動，產生機油泵噪聲問題。

1 轉子式機油泵階次噪聲問題

某車型搭載轉子式機油泵發(fā)動機時，在整車NVH測試以及臺架NVH測試時，發(fā)現(xiàn)存在階次異響問題。

整車NVH測試時，在3擋滑行工況，存在11階、22階、33階、44階明顯異響，在4擋WOT工況，高頻嘯叫明顯，主要異響階次為33階，NVH采集數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 整車NVH測試頻譜圖

發(fā)動機在半消音室模擬空載、半載、滿載的情況下，均出現(xiàn)階次異響，主要階次為11階、22階、33階、44階、55階等，NVH采集數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 發(fā)動機NVH測試頻譜圖

2 噪聲來源確認

階次是機油泵轉速對應的諧振頻率成分的別稱，與轉速相當?shù)幕绢l率稱為1階，轉速對應頻率的n倍的諧振頻率稱為n階。根據(jù)零部件的固有頻率及對應的轉速比，可初步確認發(fā)動機階次噪聲的來源[3]。同時可通過零部件的壓力脈動值進行傅立葉轉換，得到頻域圖，通過頻域與階次噪聲頻譜進行比較，確認階次異響的來源，該方法相對比較準確[4-5]。

在機油泵上對應地選取監(jiān)測點，如圖3所示。對機油泵其中一個監(jiān)測點Point01，通過傅里葉轉換，將壓力脈動值轉換為頻域圖，如圖4所示。可以看出，發(fā)動機階次噪聲來源于機油泵，如圖5所示。同理可得其余監(jiān)測點的情況。

圖3 機油泵壓力波動監(jiān)測點示意圖

圖4 Point01頻域圖

圖5 Point01機油壓力波動幅值

3 機油泵階次噪聲原因分析

3.1 機油泵腔室壓力分布分析

機油泵腔室壓力分布如圖6所示。從圖6可以看出，機油壓力波動最大位置發(fā)生在轉子進出油腔區(qū)域，此時轉子內機油從低壓區(qū)進入高壓區(qū)，壓力發(fā)生劇烈變化，該位置是機油泵階次噪聲的主要來源。

圖6 機油泵腔室壓力分布圖

3.2 機油泵內部流動分析

圖7 與圖8分別為機油泵內腔出油腔與進油腔機油流動情況。

圖7 機油泵內腔出油腔機油流動情況

圖8 機油泵內腔進油腔機油流動情況

從圖7、圖8所示的機油泵內部流動情況可以看出，機油泵進出油腔存在不同程度的渦流和空化問題，易引起機油泵進出機油不順暢，導致機油壓力脈動，造成機油泵階次噪聲問題。

3.3 機油泵監(jiān)測點壓力波動情況分析

對圖3所示的機油泵壓力波動監(jiān)測點示意圖上6個監(jiān)測點進行壓力脈動分析，分析結果如圖9所示。

圖9 機油泵各監(jiān)測點機油壓力脈動示意圖

從圖9可以看出，所有監(jiān)測點均存在不同程度的壓力波動情況，相對于其他監(jiān)測點，位于機油泵低壓區(qū)轉換高壓區(qū)位置監(jiān)測點Point01的機油壓力波動較大，是機油泵的主要階次噪聲源。

綜合上述機油泵階次噪聲來源確認及原因分析可知，機油泵的階次噪聲產生的原因主要是由于機油泵的壓力分布、高低油壓轉換、機油壓力脈動、進出油腔渦流和空化等因素產生激勵源，造成機油泵轉子在高速轉動過程中產生振動，最終形成階次噪聲。

4 機油泵階次噪聲優(yōu)化改善措施

結合機油泵階次噪聲原因分析，根據(jù)機油泵主要的階次噪聲源，對機油泵內部結構進行優(yōu)化。

4.1 機油泵泵體和泵蓋的優(yōu)化

圖10為機油泵泵體和泵蓋優(yōu)化點示意圖。

圖10 機油泵泵體和泵蓋優(yōu)化點示意圖

從圖10可以看出，在機油泵泵體、泵蓋處低壓轉向高壓區(qū)域增加“鼻梁”結構，以解決機油泵轉子運轉時機油的出油量瞬間增大的問題，使低壓區(qū)到高壓區(qū)平穩(wěn)過渡，避免產生突然的油壓波動，造成階次噪聲問題。特別要注意的是，該鼻梁結構與機油泵轉子的齒形吻合越好，改善效果越明顯。

4.2 機油泵進出油腔的優(yōu)化

圖11為機油泵出油腔優(yōu)化示意圖，圖12為機油泵進油腔及轉子腔優(yōu)化示意圖。

圖11 機油泵出油腔優(yōu)化示意圖

圖12 機油泵進油腔及轉子腔優(yōu)化示意圖

從圖11、圖12可以看出，對機油泵進出油腔進行優(yōu)化，避免結構突變，改為斜坡平緩過渡結構，在滿足機油泵內腔深度的前提下，將機油泵內腔不必要的空間進行填平。以上優(yōu)化措施都是從避免或降低機油泵內腔渦流和空化的角度出發(fā)。

4.3 機油泵內腔轉子支撐面的優(yōu)化

圖13為機油泵內腔轉子支撐面優(yōu)化示意圖。

圖13 機油泵內腔轉子支撐面優(yōu)化示意圖

從圖13可以看出，對機油泵內腔轉子支撐面進行優(yōu)化，使轉子支撐面分布更均衡，受力更均勻，這樣轉子在外部激勵源的影響下，受力更均勻，運轉更平穩(wěn)，可減少轉子自身運行過程中的振動，降低或避免階次噪聲問題。

5 機油泵階次噪聲優(yōu)化改善效果

上述機油泵內腔優(yōu)化改善措施實施后，通過仿真分析及樣件測試評估可知，改善效果明顯，機油泵階次噪聲問題得到了有效解決。

5.1 優(yōu)化后機油泵腔室壓力對比

圖14為優(yōu)化前后機油泵腔室壓力分布對比。

圖14 優(yōu)化前后機油泵腔室壓力分布對比

從圖14所示的對比可以發(fā)現(xiàn)，機油泵優(yōu)化后，高低壓轉換區(qū)域壓力波動明顯減弱。

5.2 機油泵壓力波動監(jiān)測點及頻域對比

圖15為Point01機油壓力波動幅值優(yōu)化前后對比，圖16為Point01優(yōu)化前后頻域圖對比。

圖15 Point01機油壓力波動幅值優(yōu)化前后對比

圖16 Point01優(yōu)化前后頻域圖對比

從圖15、圖16可以看出，對于壓力波動最大的監(jiān)測點Point01，優(yōu)化后，壓力波動幅值明顯降低，階次噪聲明顯下降。

5.3 優(yōu)化前后半消聲室測試對比

圖17為半消聲室機油泵優(yōu)化前后測試對比，圖18為半消聲室機油泵優(yōu)化前后各階次點測試對比。

從圖17、圖18可以看出機油泵各階次噪聲明顯降低，改善效果明顯。

5.4 優(yōu)化前后整車駕駛員主觀感受

原機油泵運行時，在駕駛室內可聽到從前艙發(fā)動機發(fā)出明顯的噪聲。經過優(yōu)化后，駕駛室內主觀評價較好，未發(fā)現(xiàn)明顯的機油泵階次噪聲問題，NVH評分滿足要求。

圖17 半消聲室機油泵優(yōu)化前后測試對比

圖18 半消聲室機油泵優(yōu)化前后各階次點測試對比

6 結論

通過仿真分析手段可確認階次噪聲的來源，是一種較為可靠的分析手段。

機油泵的階次噪聲問題主要是由機油泵內腔的壓力分布不合理、轉子運行時低壓區(qū)向高壓區(qū)轉換過程中的機油壓力波動以及機油泵內腔渦流和空化等因素造成，針對上述造成機油泵階次噪聲的因素，可通過優(yōu)化機油泵的內腔結構來避免或降低，達到降低機油泵階次噪聲的目的。

優(yōu)化措施中，在機油泵內腔低壓區(qū)轉向高壓區(qū)域增加“鼻梁”結構設計，可有效改善機油泵腔內壓力波動問題，大大降低機油泵階次噪聲的幾率。