混合動(dòng)力汽車(chē)油箱晃動(dòng)噪聲分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

宋立廷， 霍建杰， 丁 一

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司， 上海 201201）

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展， 人們對(duì)車(chē)輛品質(zhì)的要求越來(lái)越高，乘坐舒適度是消費(fèi)者選擇轎車(chē)的重要指標(biāo)，而舒適度的主要衡量指標(biāo)之一就是汽車(chē)的振動(dòng)噪聲特性， 國(guó)內(nèi)外NVH 控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在車(chē)企的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，隨著車(chē)內(nèi)噪聲水平的降低和客戶期望的增加，車(chē)內(nèi)噪聲和振動(dòng)的研究也越來(lái)越深入，此時(shí)車(chē)內(nèi)油箱油液晃動(dòng)產(chǎn)生的噪聲開(kāi)始引起普遍關(guān)注。 當(dāng)轎車(chē)在標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力配置下，燃油晃動(dòng)噪聲被發(fā)動(dòng)機(jī)噪音和其他主要噪聲源所掩蓋；但是隨著新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的不斷升級(jí)， 發(fā)動(dòng)機(jī)啟/停技術(shù)的應(yīng)用或油電混合動(dòng)力汽車(chē)在純電行駛模式下，傳統(tǒng)噪聲被減弱甚至消除，此時(shí)燃油晃動(dòng)噪聲變得相對(duì)更加明顯[1-2]。

本文基于理論模態(tài)分析和hypermesh 軟件對(duì)油箱三維數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和有限元模型仿真分析， 研究了混合動(dòng)力汽車(chē)油箱在不同液位下燃油晃動(dòng)噪聲水平， 并通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)油箱進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 基于有限元仿真和臺(tái)架試驗(yàn)分析，提出降低油箱晃動(dòng)噪聲的油箱設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)一步通過(guò)CAE 仿真和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證方案有效性。

1 燃油晃動(dòng)噪聲研究

1.1 燃油晃動(dòng)噪聲機(jī)理分析

當(dāng)車(chē)輛在加速、減速轉(zhuǎn)向或者剎車(chē)的時(shí)候，燃油箱內(nèi)的燃油由于本身的慣性，在油箱內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成噪聲并傳遞到車(chē)輛內(nèi)部就是燃油晃動(dòng)噪聲，通常分為兩種：

第一類(lèi)噪聲：車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，燃油由于慣性的作用，在油箱內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，撞擊到油箱殼體內(nèi)表面，撞擊使油箱殼體產(chǎn)生了振動(dòng)， 這種振動(dòng)通過(guò)車(chē)身結(jié)構(gòu)的傳遞而被坐在車(chē)內(nèi)的乘客所接收到。

第二類(lèi)噪聲：油箱表面形狀因設(shè)計(jì)需要，有時(shí)會(huì)有一些拱起的區(qū)域，當(dāng)燃油晃動(dòng)起來(lái)后，液體涌向這些拱起的區(qū)域，快速取代原來(lái)的氣體，主要是通過(guò)空氣作為介質(zhì)進(jìn)行噪聲輻射傳遞被乘客感知到[3-4]。

圖1 燃油晃動(dòng)噪聲的傳遞示意圖Fig.1 Diagram of fuel sloshing noise transmission path

1.2 燃油晃動(dòng)噪聲有限元仿真和噪聲輻射分析

混合動(dòng)力汽車(chē)存在復(fù)雜的工況模式， 尤其在純電工況模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，燃油系統(tǒng)中大量的油蒸汽無(wú)法被脫附掉；排放法規(guī)從國(guó)五升級(jí)到國(guó)六，蒸發(fā)排放從2g/d升級(jí)0.7g/d； 基于混合動(dòng)力汽車(chē)特殊的工況模式必須設(shè)計(jì)高壓油箱方案滿足蒸發(fā)排放要求。 某混合動(dòng)力汽車(chē)項(xiàng)目經(jīng)過(guò)多種設(shè)計(jì)方案對(duì)比后最終采用高壓塑料油箱方案，高壓油箱容積36L，將UG 軟件中創(chuàng)建的油箱三維數(shù)模導(dǎo)入Hyper mesh 軟件中進(jìn)行前處理單元網(wǎng)格劃分[5-6]。

由于油箱的形狀和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜， 為了便于有限元單元網(wǎng)格的劃分，對(duì)油箱有限元模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：①油泵安裝孔，通氣管路，加油孔和閥等對(duì)計(jì)算影響不大，忽略不計(jì)； ②高壓油箱及其內(nèi)部焊接立柱視為整體， 其焊縫、圓角等特征忽略不計(jì)；③將油箱視為厚度均勻的封閉箱體，忽略其厚度變化。 對(duì)油箱進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分和材料屬性設(shè)置后，導(dǎo)入ANSYS FLUENT 軟件進(jìn)行后處理分析，從仿真結(jié)果分析，油箱容積在70%～100%液位下晃動(dòng)噪聲最明顯。 尤其在90%液位下油液晃動(dòng)存在空穴流動(dòng)噪聲。

通過(guò)圖2 高壓塑料油箱晃動(dòng)仿真圖， 高壓塑料油箱在90%油量下噪聲最明顯。 我們將混合動(dòng)力車(chē)金屬油箱和塑料油箱晃動(dòng)噪聲通過(guò)臺(tái)架實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比， 噪聲輻射點(diǎn)設(shè)置為油泵上方500mm，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，兩款油箱液位高度在90%油量時(shí)， 混動(dòng)車(chē)金屬油箱最大聲壓級(jí)為43dB（A），而混動(dòng)車(chē)塑料油箱最大聲壓級(jí)為58dB（A），該車(chē)型金屬油箱的晃動(dòng)噪聲明顯比塑料油箱低， 而且隨著時(shí)間延長(zhǎng)，油箱晃動(dòng)噪聲越來(lái)越小。

圖2 油箱簡(jiǎn)化模型和90%油液晃動(dòng)仿真圖Fig.2 Tank Model and 90% slosh simulation

圖3 混動(dòng)車(chē)不同油箱噪聲對(duì)比Fig.3 HEV different tank noise benchmark

2 燃油晃動(dòng)噪聲臺(tái)架試驗(yàn)及分析

在進(jìn)行油箱晃動(dòng)噪聲仿真分析時(shí)， 由于油箱的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，為了網(wǎng)格劃分方便，對(duì)有限元模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理， 導(dǎo)致CAE 仿真分析數(shù)據(jù)不能代替真實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)，存在誤差， 因此需要結(jié)合油箱晃動(dòng)噪聲臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試和仿真分析數(shù)據(jù)對(duì)比，指導(dǎo)油箱設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架搭建

油箱晃動(dòng)噪聲試驗(yàn)測(cè)量裝置由一個(gè)2m 長(zhǎng)帶有一定可變角度的臺(tái)架組成，如圖4 所示，油箱被水平固定到可以進(jìn)行制動(dòng)控制的滑動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上。 試驗(yàn)臺(tái)從斜坡高處釋放到末端時(shí)進(jìn)行制動(dòng)。 試驗(yàn)裝置放置在半消聲室中進(jìn)行確保背景噪聲接近20dB（A）水平。

試驗(yàn)信號(hào)采集儀器連接LMS 32 通道數(shù)據(jù)前端和LMT Test Lab 軟件， 分別布置4 個(gè)麥克風(fēng)和4 個(gè)三向振動(dòng)加速度傳感器，4 個(gè)麥克風(fēng)分別布置在油箱左側(cè)、上側(cè)、右側(cè)、前側(cè)中心50cm 處各安裝一個(gè)，油箱采用木塊及綁帶固定到模擬整車(chē)制動(dòng)剎車(chē)的試驗(yàn)臺(tái)上。 試驗(yàn)測(cè)試條件如表1 所示。

圖4 油箱噪聲輻射試驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Tank noise test setup

表1 試驗(yàn)測(cè)試條件Tab.1 Test condition

2.2 晃動(dòng)噪聲試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5 典型70%和90% 油箱液位下輕剎和中剎噪聲Fig.5 Different braking and filling level noise

并且在90%加油量時(shí)，噪聲峰值不斷出現(xiàn)達(dá)到65dB（A），噪聲持續(xù)達(dá)到8s 時(shí)間。 結(jié)合CAE 噪聲仿真分析圖可以看出，在90%液位時(shí)噪聲值偏高且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)表現(xiàn)一致， 為后續(xù)油箱設(shè)計(jì)方案優(yōu)化和仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證提供基礎(chǔ)。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)傳統(tǒng)油箱的晃動(dòng)噪聲開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)， 通過(guò)在油箱內(nèi)部增加防浪板降低噪聲，或增加隔振墊、固定油箱綁帶上增加減震耦合單元等方式降低振動(dòng)傳遞等都可以有效降低油箱振動(dòng)噪聲[7]。 為了進(jìn)行方案有效性對(duì)比，利用DFSS開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方案Pough 選擇工具， 經(jīng)過(guò)兩輪高壓金屬油箱和高壓塑料油箱內(nèi)置防浪板對(duì)比， 最終確定高壓塑料油箱內(nèi)置防浪板設(shè)計(jì)。 基于高壓塑料油箱三維UG 模型，建立油箱三維CAE 仿真模型，通過(guò)模型CAE 仿真數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 帶防浪板的塑料油箱的晃動(dòng)噪聲最大峰值只有46dB（A），相比原始設(shè)計(jì)方案53dB（A）晃動(dòng)噪聲明顯降低。

圖6 高壓塑料油箱防浪板優(yōu)化方案模型Fig.6 The optimization design model of pressurized fuel tank

作為對(duì)比， 我們將油箱內(nèi)部增加防浪板制作快速成型樣件， 并按照同樣的試驗(yàn)方法進(jìn)行油箱晃動(dòng)噪聲臺(tái)架試驗(yàn)， 針對(duì)90%液位下不帶防浪板和帶防浪板噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)前后對(duì)比可以看出，設(shè)計(jì)優(yōu)化方案噪聲明顯降低，并且在2s 后噪聲已經(jīng)降下來(lái)， 乘員艙噪聲水平不到50dB（A），不會(huì)引起駕乘人員不適。

圖7 防浪板方案和原始方案90%液位中剎噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Baffle design and base design with 90% fuel moderate braking noise data benchmark

4 結(jié)論

為了研究混合動(dòng)力汽車(chē)油箱的晃動(dòng)噪聲特性， 對(duì)油箱進(jìn)行有限元仿真分析和晃動(dòng)噪聲試驗(yàn)分析， 油箱設(shè)計(jì)優(yōu)化增加防浪板并制造樣件測(cè)試噪聲數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車(chē)油箱噪聲分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化。 將油箱的三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Hyper mesh 有限元處理軟件前處理，隨后在ANSYS中進(jìn)行有限元計(jì)算， 得到油箱的晃動(dòng)噪聲示意圖和噪聲數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)一步驗(yàn)證分析晃動(dòng)噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比， 研究提出改進(jìn)油箱晃動(dòng)噪聲的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，進(jìn)行試驗(yàn)噪聲數(shù)據(jù)對(duì)比分析。基于以上分析本文給出以下結(jié)論：

（1）混合動(dòng)力汽車(chē)油箱的晃動(dòng)噪聲仿真分析與試驗(yàn)分析結(jié)果表現(xiàn)一致，在70%～100%液位下油箱晃動(dòng)噪聲最明顯，且在90%液位時(shí)中剎晃動(dòng)噪聲峰值最高，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

（2）設(shè)計(jì)優(yōu)化防浪板方案與原始方案進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)對(duì)比，90%液位時(shí)中剎晃動(dòng)噪聲最大峰值明顯降低，且在2s后整體晃動(dòng)噪聲降到最低， 為后續(xù)混合動(dòng)力汽車(chē)油箱晃動(dòng)噪聲研究提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。