電動(dòng)真空泵NVH 性能研究

閆魯平 郝占武 隋清海 徐華林

（中國(guó)第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130013）

主題詞：電動(dòng)汽車 獨(dú)立真空泵 NVH

1 技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 背景

隨著電動(dòng)汽車的普及，用戶對(duì)于電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)提供真空助力的真空源，電動(dòng)車由獨(dú)立真空泵代替發(fā)動(dòng)機(jī)提供真空源。由于用戶對(duì)電動(dòng)汽車的噪音水平要求越來(lái)越高，并且電動(dòng)車缺少發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用的真空泵主要有三種：葉片式電動(dòng)真空泵、膜片式電動(dòng)真空泵和活塞式電動(dòng)真空泵[1]。

參考電動(dòng)真空泵的衡量指標(biāo)：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(diǎn)是壽命長(zhǎng)、便于布置，顯著缺點(diǎn)是噪音高；膜片式電動(dòng)真空泵主要缺點(diǎn)，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(duì)置，推桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作時(shí)震動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)真空泵因?yàn)槟途眯阅懿?，絕大部分應(yīng)用在低速電動(dòng)車等對(duì)制動(dòng)性能及耐久性能要求不高的車型。

現(xiàn)在市場(chǎng)上應(yīng)用最多的是葉片式電動(dòng)真空泵，以下，本文將只針對(duì)葉片式電動(dòng)真空泵NVH做詳細(xì)分析，選取市場(chǎng)上一種常見(jiàn)的獨(dú)立式真空泵作為研究切入點(diǎn)。

本文針對(duì)UP50型號(hào)真空泵，結(jié)合項(xiàng)目開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步分析主機(jī)廠使用市場(chǎng)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(lái)源

通過(guò)對(duì)葉片式真空泵進(jìn)行拆解，如圖1所示結(jié)構(gòu)，并通過(guò)在NVH試驗(yàn)室中分別對(duì)真空泵拆除不同的結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)試真空泵的噪聲水平，通過(guò)對(duì)比不同的試驗(yàn)結(jié)果，從表1中可以發(fā)現(xiàn)，真空泵的噪音主要來(lái)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(cè)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(guò)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(guò)空氣傳播方式傳遞到駕駛員耳內(nèi)。

通過(guò)整車測(cè)試，發(fā)現(xiàn)真空泵噪音來(lái)源于空氣聲傳播和結(jié)構(gòu)聲傳播。

通過(guò)真空泵整車噪音測(cè)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(biāo)：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(lái)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(guò)穩(wěn)壓電源在臺(tái)架上驅(qū)動(dòng)真空泵，測(cè)得真空泵在不同工作電壓下，電機(jī)會(huì)以不同的轉(zhuǎn)速來(lái)工作，測(cè)得真空泵的近場(chǎng)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(duì)于電動(dòng)車，真空泵是通過(guò)HCU控制繼電器來(lái)控制真空泵的開(kāi)啟和關(guān)閉。在保證整車制動(dòng)效能的前提下，讓真空泵在低車速時(shí)低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)，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(gè)阻值為0.50 Ω～0.58 Ω的電阻，新增電阻通過(guò)并聯(lián)一個(gè)繼電器來(lái)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(shí)間與脈沖總周期的比值，即高電平所占周期時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比值t1/T，如圖4所示。

通過(guò)PWM控制方式，在HCU控制回路中增加一個(gè)PWM控制器，通過(guò)控制占空比的方式，讓真空泵在低車速時(shí)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(gè)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(shí)車上的散熱情況，隔音罩前部預(yù)留散熱通道。通過(guò)實(shí)車驗(yàn)證，滿足NVH車內(nèi)性能目標(biāo)。真空泵隔音罩總成結(jié)構(gòu)如圖5所示。

通過(guò)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(duì)比客觀測(cè)試結(jié)果如下表4所示：

表4 NVH測(cè)試結(jié)果

增加真空泵隔音罩會(huì)帶來(lái)真空泵散熱不好，導(dǎo)致真空泵壽命降低的問(wèn)題，因此，需要進(jìn)行熱管理專業(yè)理論分析，并經(jīng)過(guò)實(shí)車驗(yàn)證真空泵的壽命問(wèn)題，對(duì)真空泵隔音罩的包裹面積進(jìn)行優(yōu)化。目前經(jīng)過(guò)CAE分析和實(shí)車驗(yàn)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(yàn)。

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(yuǎn)離駕駛員的位置，如右前大燈后側(cè)的縱梁上，通過(guò)對(duì)比測(cè)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(yuǎn)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(yuǎn)離駕駛員的位置，會(huì)導(dǎo)致真空管過(guò)長(zhǎng)，真空管過(guò)長(zhǎng)會(huì)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(yuǎn)越好，需綜合考慮NVH性能和抽真空效率。經(jīng)過(guò)實(shí)車測(cè)試，目前最佳方案是真空泵布置位置的真空管長(zhǎng)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(huì)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(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)行闡述。

對(duì)于電動(dòng)車，一般將真空泵布置到電機(jī)殼體上，因此，真空泵支架優(yōu)化目標(biāo)主要考慮真空泵支架模態(tài)，避免與電機(jī)發(fā)生共振。依據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，真空泵支架模態(tài)目標(biāo)設(shè)置為300 Hz，通過(guò)CAE計(jì)算和實(shí)車驗(yàn)證保證支架模態(tài)滿足NVH要求[4]。

5 主觀評(píng)價(jià)

NVH客觀測(cè)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(wèn)題，所以NVH測(cè)試最終需要經(jīng)過(guò)整車實(shí)車測(cè)試，即NVH工程師進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)給出最終結(jié)論。

設(shè)定主觀評(píng)價(jià)評(píng)分目標(biāo)（表5），經(jīng)過(guò)實(shí)車測(cè)評(píng)，評(píng)分7.5分以上為用戶可以接受的指標(biāo)。

表5 NVH主觀評(píng)分指標(biāo)

各措施主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，如圖7所示。

圖7 各措施主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

6 結(jié)論

通過(guò)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(xiàng)目周期、成本及布置方案復(fù)雜程度和效果綜合考慮。通過(guò)試驗(yàn)效果驗(yàn)證，有效方案如下。

（1）主機(jī)廠：項(xiàng)目開(kāi)發(fā)前期，優(yōu)先選擇優(yōu)化真空泵位置方案；

（2）主機(jī)廠：項(xiàng)目開(kāi)發(fā)后期，優(yōu)先選擇增加真空泵隔音罩方案；

（3）主機(jī)廠：采用電子助力器方案，代替真空泵方案；

（4）供應(yīng)商：對(duì)生產(chǎn)的真空泵本身進(jìn)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(guò)量產(chǎn)車型驗(yàn)證并經(jīng)過(guò)供應(yīng)商確認(rèn)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(píng)價(jià)效果，又能滿足熱害對(duì)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(jìn)行真空泵噪音優(yōu)化時(shí)，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(wèn)題。