某國(guó)六重卡車型打氣泵引起的轟鳴聲優(yōu)化與控制

廖聰祥，周龍龍，劉仁君，李 壕

(上汽依維柯紅巖商用車有限公司，重慶 401122)

1 引 言

早期人們對(duì)重卡的需求簡(jiǎn)而言之就是多拉快跑，需要?jiǎng)恿谩⑹∮?、耐用。但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和升級(jí)，人們對(duì)車輛的舒適性要求越來越高，尤其是作為高速物流的牽引車，由于其工作環(huán)境較好，包括振動(dòng)噪聲在內(nèi)的舒適性問題更加突出。

由于重卡質(zhì)量大，需要的制動(dòng)力大，目前重卡的制動(dòng)系統(tǒng)一般采用氣剎制動(dòng)。制動(dòng)系統(tǒng)的氣源來自于打氣泵。車用打氣泵一般有兩種結(jié)構(gòu)形式：雙螺桿式和往復(fù)活塞式。雙螺桿式打氣泵具有泵氣穩(wěn)定、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，一般用于高端客車。往復(fù)活塞式打氣泵成本相對(duì)較低，廣泛應(yīng)用于各類卡車，但存在泵氣不穩(wěn)定、振動(dòng)噪聲大的缺點(diǎn)。

本文針對(duì)某重卡由往復(fù)活塞式打氣泵引起的車內(nèi)轟鳴問題進(jìn)行了問題識(shí)別、原因分析及優(yōu)化控制。通過在打氣泵取氣管增加一個(gè)擴(kuò)張式消聲器，消除了該車內(nèi)轟鳴問題。

2 打氣泵引起車內(nèi)噪聲原理

本文的研究對(duì)象是搭載了雙缸打氣泵的某國(guó)六重卡樣車。重卡剎車系統(tǒng)采用氣剎，故需配備供氣系統(tǒng)。該車型在發(fā)動(dòng)機(jī)本體安裝打氣泵作為氣源，打氣泵動(dòng)力來自曲軸，通過齒輪驅(qū)動(dòng)。取氣管一端連接整車進(jìn)氣系統(tǒng)，一端連接打氣泵。高壓管一端連接打氣泵，另一端連接儲(chǔ)氣罐，如圖1所示。

圖1 打氣泵工作示意圖

2.1 打氣泵工作原理

該打氣泵為往復(fù)活塞式打氣泵[1]。打氣泵參數(shù)見表1。

表1 打氣泵參數(shù)

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作且儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣壓未達(dá)到規(guī)定壓力時(shí)，打氣泵開始工作。打氣泵工作時(shí)分為兩個(gè)過程(沖程)：進(jìn)氣過程和壓縮過程。當(dāng)活塞下行時(shí)，氣缸通過連接至整車進(jìn)氣系統(tǒng)的取氣管抽取低壓氣體，這是進(jìn)氣過程。壓縮過程是活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的驅(qū)動(dòng)下上行壓縮空氣，當(dāng)氣缸壓力大于排氣閥壓力時(shí)，排氣閥打開，高壓氣體通過高壓管輸送至儲(chǔ)氣罐存儲(chǔ)，供剎車系統(tǒng)等用氣。當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣壓達(dá)到規(guī)定壓力時(shí)，打氣泵開始低負(fù)荷運(yùn)行。由于打氣泵曲軸旋轉(zhuǎn)一周，活塞運(yùn)行一個(gè)周期，故打氣泵振動(dòng)噪聲階次為：打氣泵階次=速比×缸數(shù)=1.36×2=2.72。

2.2 噪聲傳遞路徑

打氣泵高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲會(huì)通過各條路徑傳至車內(nèi)，進(jìn)而被人耳感知。為識(shí)別主要的傳遞路徑，根據(jù)源頭-路徑-響應(yīng)方法梳理出所有可能的振動(dòng)噪聲傳遞路徑(如圖2所示)，總計(jì)4條，其中源頭為打氣泵本體，響應(yīng)為人耳(主駕右耳)。

圖2 打氣泵噪聲傳遞路徑

傳遞路徑一：打氣泵本體產(chǎn)生的噪聲通過空氣傳遞至車內(nèi)；傳遞路徑二：打氣泵本體產(chǎn)生的振動(dòng)經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)懸置及駕駛室懸置二次隔振后傳至駕駛室，激勵(lì)鈑金輻射出噪聲；傳遞路徑三：打氣泵活塞在高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)在取氣管內(nèi)部產(chǎn)生同等頻率的壓力脈動(dòng)，這種壓力脈動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方向與氣體運(yùn)動(dòng)方向相反，經(jīng)空濾傳至高位進(jìn)氣道，從管口輻射形成噪聲，再通過駕駛室孔隙傳至車內(nèi)；傳遞路徑四：同傳遞路徑三，當(dāng)壓力脈動(dòng)傳至高位進(jìn)氣道時(shí)會(huì)引起進(jìn)氣道殼體振動(dòng)，這種振動(dòng)通過進(jìn)氣道吊耳傳至駕駛室后圍鈑金，而后圍鈑金在此振動(dòng)激勵(lì)下向車內(nèi)輻射出噪聲。

3 車內(nèi)轟鳴問題描述及原因分析

3.1 車內(nèi)轟鳴問題描述

在定置升速、勻速行駛工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1260rpm～1480rpm、1550rpm～1660rpm區(qū)間時(shí)主駕、副駕位置主觀感受存在明顯的轟鳴，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于其他轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)并無轟鳴。在11擋(直接擋)WOT工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1260rpm～1480rpm、1550rpm～1660rpm區(qū)間時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、路噪、風(fēng)噪較為明顯，主觀感受略有轟鳴。為便于進(jìn)行原因分析及優(yōu)化驗(yàn)證等，在定置升速工況下進(jìn)行。在主駕右耳處布置一個(gè)麥克風(fēng)，測(cè)試定置升速下的車內(nèi)噪聲水平。經(jīng)回放濾波及頻譜分析，確認(rèn)問題頻率為57Hz～67Hz及70Hz～75Hz，問題階次為2.7階，且幅值明顯高于發(fā)動(dòng)機(jī)主階次3階，車內(nèi)噪聲頻譜圖如圖3所示。

圖3 車內(nèi)噪聲頻譜圖

3.2 車內(nèi)轟鳴原因分析

由于打氣泵階次為2.72階，該車內(nèi)噪聲轟鳴階次為2.7階，二者極為吻合,故確定該車內(nèi)轟鳴源頭為打氣泵。下文依次對(duì)4條傳遞路徑進(jìn)行分析。

對(duì)于傳遞路徑一，由于在定置升速工況下主觀感受車外(打氣泵本體附近)無轟鳴，故可排除。

對(duì)于傳遞路徑二，在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置主動(dòng)端測(cè)試得到打氣泵2.7階振動(dòng)較發(fā)動(dòng)機(jī)3階振動(dòng)幅值水平略低，而在響應(yīng)點(diǎn)主駕噪聲2.7階明顯高于發(fā)動(dòng)機(jī)3階，可推斷該條路徑不是車內(nèi)轟鳴的主要傳遞路徑。

對(duì)于傳遞路徑三，同時(shí)在高位進(jìn)氣管口布置了傳聲器，其與車內(nèi)噪聲頻譜對(duì)比如圖4所示。由圖可見，二者具有一定的相似性，推斷其是可能的傳遞路徑之一。

圖4 車內(nèi)噪聲與進(jìn)氣口噪聲頻譜對(duì)比圖

對(duì)于傳遞路徑四，在進(jìn)氣道殼體、進(jìn)氣道吊耳主被動(dòng)端測(cè)得振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)氣道吊耳被動(dòng)端(車身側(cè))與車內(nèi)噪聲對(duì)比如圖5所示。由圖可見，二者具有較為明顯的相似性。為快速驗(yàn)證，將進(jìn)氣道吊耳脫開駕駛室，且進(jìn)氣道置于原位，主觀感受轟鳴消失，僅1600rpm附近略有轟鳴。客觀測(cè)試對(duì)比如圖6所示，可見1260rpm～1480rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間打氣泵引起的轟鳴完全消失，1550rpm～1660rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間略有減弱，該結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)是一致的。

圖5 車內(nèi)噪聲與進(jìn)氣道吊耳被動(dòng)端振動(dòng)頻譜對(duì)比圖

圖6 進(jìn)氣道吊耳脫開前后車內(nèi)噪聲頻譜圖

故傳遞路徑四是1260rpm～1480rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間車內(nèi)轟鳴的主要傳遞路徑，同時(shí)可推斷傳遞路徑三是1550rpm～1660rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間的主要傳遞路徑。

4 車內(nèi)轟鳴的優(yōu)化與控制

4.1 優(yōu)化方案

根據(jù)源頭-路徑-響應(yīng)理論，控制車內(nèi)噪聲一般從控制源頭的激勵(lì)、減弱路徑的傳遞兩方面著手。具體的，對(duì)于引起1550rpm～1660rpm車內(nèi)轟鳴的主要傳遞路徑三，由于打氣泵已定型，較難從本體控制，可考慮提高駕駛室隔聲性能、提高進(jìn)氣系統(tǒng)的傳遞損失、取氣管增加消聲器幾方面考慮。對(duì)比競(jìng)品車型進(jìn)氣口到主駕的隔聲性能，結(jié)果見圖7，可見該樣車駕駛室隔聲性能已處于較優(yōu)水平，無進(jìn)一步優(yōu)化的必要。由于進(jìn)氣系統(tǒng)也已定型，大改難度較大且成本較高，提高進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失不是一個(gè)較優(yōu)的選擇。打氣泵取氣管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)周邊系統(tǒng)影響較小，可作為優(yōu)化的方向。

圖7 駕駛室聲學(xué)包隔聲性能對(duì)標(biāo)

對(duì)于引起1260rpm～1480rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間車內(nèi)轟鳴的主要傳遞路徑四，可采用以上類似的思路，考慮提高進(jìn)氣道吊耳隔振率，提高吊耳安裝點(diǎn)動(dòng)剛度，提高進(jìn)氣道殼體模態(tài)，取氣管增加消聲器等。綜合考慮有效性、成本、改動(dòng)量等，采用在打氣泵取氣管增加一個(gè)擴(kuò)張式消聲器(見圖8)的方案[2-4]。

圖8 擴(kuò)張式消聲器

該消聲器擴(kuò)張比m取18，擴(kuò)張腔長(zhǎng)度取400mm，計(jì)算得其理論傳遞損失(如圖9所示)，在60Hz處傳遞損失為12dB。

圖9 擴(kuò)張腔的理論傳遞損失

4.2 優(yōu)化結(jié)果

實(shí)施該優(yōu)化方案后，在定置升速工況及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于1260rpm～1480rpm、1550rpm～1660rpm區(qū)間時(shí)的勻速行駛工況下，主駕、副駕位置主觀感受均無轟鳴現(xiàn)象，客觀測(cè)試結(jié)果如圖10所示，可見2.7階能量明顯減弱。將2.7階階次線提取出來，如圖11所示，優(yōu)化后在1260rpm～1660rpm平均降低11.7dB(A)，且無明顯峰值，與主觀感受相吻合，從而證實(shí)了該方案的有效性。

圖10 優(yōu)化前后車內(nèi)噪聲頻譜圖對(duì)比

圖11 優(yōu)化前后車內(nèi)噪聲2.7階切片對(duì)比

5 結(jié) 論

本文針對(duì)某國(guó)六重卡車型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1260rpm～1480rpm、1550rpm～1660rpm區(qū)間的轟鳴問題，首先通過階次分析將源頭鎖定在打氣泵，其次根據(jù)源頭-路徑-響應(yīng)的分析方法確定了其主要傳遞路徑，最后通過一個(gè)擴(kuò)張式消聲器實(shí)現(xiàn)了將該轟鳴消除的效果，具體結(jié)論為：

(1)該車內(nèi)轟鳴階次為2.7階，頻率段為57Hz～67Hz及70Hz～75Hz。

(2)該車內(nèi)轟鳴傳遞路徑為打氣泵-取氣管-空濾器-高位進(jìn)氣道-駕駛室后圍。

(3)在打氣泵取氣管增加一個(gè)擴(kuò)張式消聲器后，1260rpm～1660rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間2.7階階次能量平均降低11.7dB(A)，主觀感受轟鳴消失。