某電動汽車真空泵噪聲分析與優(yōu)化

林 勝，鐘秤平，陳清爽，徐高新，鄧海燕

某電動汽車真空泵噪聲分析與優(yōu)化

林 勝1,2，鐘秤平1,2，陳清爽1,2，徐高新1,2，鄧海燕1

（1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001；2.江西省汽車噪聲與振動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330001）

真空泵作為電動汽車制動系統(tǒng)中的重要組成部分，通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)來獲得真空，是電動汽車的一個(gè)重要振動噪聲源。文章針對某電動汽車在制動工況下真空泵工作時(shí)整車噪聲、振動、聲振粗糙度（NVH）問題，運(yùn)用Test.lab測試分析系統(tǒng)對可能存在的原因進(jìn)行實(shí)驗(yàn)排查分析，最終發(fā)現(xiàn)真空泵工作頻率與安裝支架模態(tài)耦合共振導(dǎo)致真空泵噪聲大。通過優(yōu)化真空泵支架的頻率及動剛度，并提高真空泵安裝橡膠墊的隔振率，解決真空泵噪聲大問題，提高該電動汽車的乘坐舒適性。

真空泵；噪聲、振動、聲振粗糙度（NVH）；支架模態(tài)；支架頻率；動剛度；橡膠襯套硬度；電動汽車；噪聲分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

電動汽車因其具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)而備受青睞，電動汽車市場占有率也越來越高。因其使用電機(jī)驅(qū)動，無法利用發(fā)動機(jī)進(jìn)氣真空驅(qū)動制動系統(tǒng)的真空泵，需要單獨(dú)配置電動真空泵以輔助制動[1]。所以電動汽車相比傳統(tǒng)汽車而言，電動真空泵工作產(chǎn)生的噪聲和振動要更大，更容易引起乘客的抱怨。

當(dāng)前電動汽車的真空泵主要包括活塞式電動真空泵、膜片式電動真空泵與葉片式電動真空泵，這三類電動真空泵結(jié)構(gòu)上存在差異，也各有利弊。受汽車發(fā)展的影響，目前大部分車型主要以葉片式電動真空泵為主，葉片式真空泵在高速工作過程中，金屬的內(nèi)壁結(jié)構(gòu)會與石墨材質(zhì)的葉片發(fā)生摩擦，造成撞擊或噪音[2]。

本文針對某電動汽車真空泵在工作過程出現(xiàn)的車內(nèi)噪聲大的問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)診斷，對可能存在的原因進(jìn)行排查分析，得到該車型真空泵噪聲大的根本原因，總結(jié)真空泵噪聲大的主要排查方法，最后結(jié)合分析結(jié)果對真空泵電機(jī)以及真空泵隔振墊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決該真空泵引起的整車NVH問題。

1 真空泵噪聲概述

1.1 問題描述

某電動汽車在靜止?fàn)顟B(tài)下，踩下制動踏板，真空泵開始工作，主觀駕評車內(nèi)噪聲過大，其中存在噪聲一般大以及噪聲異常大情況，兩種情況均不能接受，初步懷疑造成噪聲差異與真空泵工作電壓相關(guān)。整個(gè)真空泵系統(tǒng)包含真空泵、真空罐、管路等，其中真空泵及真空罐布置在左縱梁處，具體布置方式如圖1所示。而真空泵系統(tǒng)中以真空泵最為關(guān)鍵，具體的參數(shù)如表1所示。

圖1 真空系統(tǒng)布置圖

表1 真空泵及安裝狀態(tài)相關(guān)參數(shù)

真空泵類型葉片式 葉片數(shù)8 工作電壓/V12～14 電機(jī)轉(zhuǎn)速/(r/min)4 900～5 900 布置方式通過支架連接左縱梁 橡膠墊硬度/shore55～60

1.2 真空泵噪聲測試

對真空泵進(jìn)行布點(diǎn)測試，監(jiān)測車內(nèi)噪聲、真空泵近場噪聲及真空泵本體振動、真空泵安裝支架振動、座椅導(dǎo)軌振動、方向盤振動情況。

通過實(shí)驗(yàn)測試可得該電動汽車真空泵工作時(shí)車內(nèi)噪聲最惡劣情況下的總聲壓級以及頻譜圖。把該電動車真空泵噪聲與其他競品車進(jìn)行對比，得到該真空泵噪聲相比其他競品車大，不滿足小于32 dB(A)的目標(biāo)。結(jié)果如表2所示。

表2 幾款車型真空泵車內(nèi)噪聲對比 單位：dB(A)

某真空泵競品A競品B競品C目標(biāo) 41.4832.3534.4831.2732

基礎(chǔ)狀態(tài)下真空泵工作車內(nèi)噪聲頻譜圖如圖2所示。可以看出，車內(nèi)測試的總聲壓值為 41.48 dB(A)，其中對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)最大的是490 Hz噪聲，對應(yīng)噪聲峰值為36.7 dB(A)。

圖2 基礎(chǔ)狀態(tài)下真空泵工作車內(nèi)噪聲頻譜圖

真空泵激勵頻率計(jì)算公式為

e=e/60×order （1）

式中，e為真空泵頻率；e為真空泵電機(jī)轉(zhuǎn)速；order為真空泵階次，真空泵一般為1，2，3，…，階。

此時(shí)真空泵工作電壓為12 V，真空泵電機(jī)工作轉(zhuǎn)速為4 900 r/mim，結(jié)合真空泵參數(shù)和對應(yīng)的頻率計(jì)算公式（1）分析得出，該真空泵6階噪聲對應(yīng)的頻率為490 Hz。

2 實(shí)驗(yàn)分析診斷

2.1 分析流程

根據(jù)NVH問題分析中常用的“源-傳遞路徑-響應(yīng)”的重要分析理論，本文對可能引起真空泵噪聲大的原因制定如下分析流程，運(yùn)用西門子LMS Test.lab測試分析系統(tǒng)對其進(jìn)行分析。圖3所示是真空泵噪聲大原因分析流程圖。

圖3 真空泵噪聲大原因分析流程圖

圖3中源頭分析主要確定真空泵激勵源頭噪聲及振動大?。粋鬟f路徑分析主要包含兩個(gè)方面，確定傳播的路徑是空氣輻射還是結(jié)構(gòu)傳遞；響應(yīng)分析主要分析車內(nèi)噪聲響應(yīng)所貢獻(xiàn)的頻率范圍。

2.2 源頭分析

針對源頭激勵的問題，運(yùn)用LMS Test.lab中Signature testing模塊對真空泵近場噪聲，本體以及被動端振動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。真空泵近場噪聲傳感器布置在距離真空泵10 cm位置，真空泵本體振動傳感器布置在真空泵鋁制殼體上，被動端振動傳感器布置在真空泵安裝支架上。圖4為真空泵測點(diǎn)布置圖。

圖4 真空泵測點(diǎn)布置圖

由于真空泵工作需要的電壓由蓄電池提供，正常狀態(tài)下蓄電池的電壓存在一個(gè)范圍，對應(yīng)真空泵的工作電壓也是在一個(gè)范圍內(nèi)[3]。經(jīng)過實(shí)測本電動車真空泵工作電壓范圍為12 V～14 V，所以把真空泵在不同電壓下對應(yīng)的噪聲進(jìn)行測試，測試最惡劣工況下噪聲數(shù)據(jù)。幾款車型真空泵近場噪聲對比如表3所示。

表3 幾款車型真空泵近場噪聲對比 單位：dB(A)

某真空泵競品A競品B競品C目標(biāo) 75.6574.6777.4576.0876.00

根據(jù)表3結(jié)果，真空泵近場噪聲處于合理的范圍，可斷定真空泵源頭噪聲激勵滿足要求。需要進(jìn)一步對真空泵的主被動端振動進(jìn)行分析。

引入振動計(jì)算公式如下[4]：

式中，RSS為振動加速度；a為方向振動加速度；a為方向振動加速度；a為方向振動加速度。

對真空泵的本體以及被動端支架進(jìn)行分析。圖5為真空泵本體&被動端振動數(shù)據(jù)，實(shí)線為真空泵本體振動，虛線為被動端支架振動，從真空泵本體以及被動端支架振動數(shù)據(jù)顯示，被動端支架振動比真空泵本體振動大50%，主要表現(xiàn)為被動端支架490 Hz振動幅值是真空泵本體的5.6倍。由此可斷定路徑上可能存在結(jié)構(gòu)共振或者隔振不足等問題。

圖5 真空泵本體&被動端振動數(shù)據(jù)

2.3 傳遞路徑分析

通過斷開真空泵與支架連接，真空泵懸掛在縱梁上，測試車內(nèi)噪聲，結(jié)果如圖6所示，斷開真空泵與支架連接真空泵近場數(shù)據(jù)基本無變化，而車內(nèi)噪聲相比基礎(chǔ)狀態(tài)由原來41.48 dB(A)優(yōu)化至24.32 dB(A)，從測試結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證，車內(nèi)抱怨噪聲為真空泵結(jié)構(gòu)傳遞噪聲，而非空氣傳播。實(shí)線為基礎(chǔ)狀態(tài)，虛線為斷開真空泵與支架連接狀態(tài)。

圖6 斷開真空泵與支架連接前后車內(nèi)噪聲頻譜圖

由2.2可知，被動端支架在490 Hz存在放大，因此需要測試被動端支架的頻率，如圖7、圖8所示，被動端支架頻率為483 Hz，峰值點(diǎn)動剛度為436 N/mm。當(dāng)真空泵工作時(shí)6階激勵頻率（490 Hz）與支架頻率耦合，引起了支架共振，導(dǎo)致振動被放大傳遞至車內(nèi)，引起車內(nèi)真空泵噪聲偏大。

圖7 真空泵安裝支架頻響測試結(jié)果

圖8 基礎(chǔ)方案真空泵安裝點(diǎn)動剛度

3 優(yōu)化方案研究

根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析診斷結(jié)論，真空泵噪聲優(yōu)化途徑有4條：優(yōu)化真空泵安裝支架頻率，與真空泵激勵頻率避頻；優(yōu)化真空泵激勵頻率，與真空泵安裝支架頻率避頻；提升真空泵安裝點(diǎn)動剛度；降低真空泵安裝點(diǎn)橡膠的剛度，提升其隔振性能。

針對第一條優(yōu)化方案，優(yōu)化真空泵安裝支架頻率，與真空泵激勵頻率避頻。測試發(fā)現(xiàn)真空泵的激勵頻率是一個(gè)寬頻的激勵，因此，對于優(yōu)化安裝支架的頻率，較難避開不同電壓下真空泵的基頻或者倍頻。

針對第二條優(yōu)化方案，優(yōu)化真空泵激勵頻率，與真空泵安裝支架頻率避頻。由于真空泵的激勵頻率隨著蓄電池變化而變化，如果需要穩(wěn)定真空泵的激勵頻率，需要在真空泵的控制里面增加穩(wěn)壓元器件[5]。硬件的開發(fā)涉及開發(fā)周期及成本上升，不能滿足開發(fā)節(jié)點(diǎn)要求。

針對第三條優(yōu)化方案，提升真空泵安裝點(diǎn)動剛度。如果電動真空泵的位置設(shè)計(jì)不合理，真空泵處于汽車結(jié)構(gòu)較為單薄的翼板等部位，導(dǎo)致振動情況加劇，振動傳遞加強(qiáng)[6]。由圖8可以看出，真空泵安裝點(diǎn)的動剛度偏弱，峰值的動剛度小于500 N/mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于競品安裝點(diǎn)1 500 N/mm的動剛度值。通過對原始支架進(jìn)行CAE對標(biāo)，原始狀態(tài)真空泵支架實(shí)測頻率為483 Hz，CAE仿真分析頻率為505 Hz，誤差為4.5%，屬于正常的誤差范圍，認(rèn)為模型準(zhǔn)確。

真空泵安裝支架基礎(chǔ)方案為L型懸臂支架，支架安裝在縱梁上，支架的材質(zhì)為鋼材Q235，厚度為1.2 mm，經(jīng)過CAE多輪的優(yōu)化，最終優(yōu)化方案為支架與縱梁連接上增加一根支架與原L型支架進(jìn)行搭接，支架厚度由原來1.2 mm增加至1.5 mm，更好地加強(qiáng)原支架的懸臂結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 基礎(chǔ)方案與優(yōu)化方案

優(yōu)化方案CAE分析結(jié)果如圖10、圖11所示，結(jié)果顯示，優(yōu)化方案頻率為720 Hz，比基礎(chǔ)方案提升215 Hz。對優(yōu)化方案進(jìn)行實(shí)測，實(shí)線代表原來原始狀態(tài)動剛度曲線，虛線代表優(yōu)化后的動剛度曲線，可以看出，動剛度由原來的436 N/mm提升至1 500 N/mm，提升比例達(dá)到244%。具體如表4所示。

表4 優(yōu)化方案真空泵安裝支架頻率&動剛度對比

base優(yōu)化方案提升比例 頻率/Hz48370045% 動剛度/（N/mm）4361 500244%

圖10 基礎(chǔ)方案與優(yōu)化方案頻響結(jié)果

圖11 基礎(chǔ)方案與優(yōu)化方案安裝點(diǎn)動剛度對比

對優(yōu)化方案進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，不同電壓下均有不同程度的優(yōu)化，如表5所示，對比兩種方案的噪聲峰值，優(yōu)化方案相比基礎(chǔ)狀態(tài)最大優(yōu)化 9.01 dB(A)，優(yōu)化效果明顯，但優(yōu)化后車內(nèi)最大噪聲為34.78 dB(A)，仍大于制定的目標(biāo)值。因此，仍需要進(jìn)一步優(yōu)化真空泵工作噪聲。

表5 不同電壓下真空泵近場及車內(nèi)噪聲對比

電壓/V車內(nèi)噪聲/dB(A)優(yōu)化值/dB(A) base優(yōu)化方案 1241.4832.479.01 12.535.5833.462.12 1334.4734.410.06 13.534.4532.671.78 1440.1834.786.40

針對第四條優(yōu)化措施，降低真空泵安裝點(diǎn)橡膠的剛度，提升其隔振性能。減震墊的結(jié)構(gòu)圖如圖12所示，需要通過優(yōu)化橡膠的配方，調(diào)試不同橡膠的硬度，驗(yàn)證不同橡膠硬度下真空泵的噪聲。選取四種不同硬度的橡膠墊進(jìn)行研究，四種不同橡膠墊的硬度所在的范圍分別為30～35shore、35～40 shore、40～45 shore、45～50 shore以及基礎(chǔ)狀態(tài)的50～55 shore。在12 V電壓下，驗(yàn)證同一真空泵在不同橡膠墊隔振狀態(tài)下車內(nèi)噪聲，結(jié)果表明，橡膠襯套的硬度越低，真空泵工作時(shí)隔振效果越好，此時(shí)車內(nèi)噪聲越好，如表6所示。

圖12 減震墊結(jié)構(gòu)圖

表6 不同橡膠襯套下真空泵工作振動及噪聲對比

橡膠襯套硬度/shore車內(nèi)噪聲RMS/(dB(A))真空泵本體振動20～800 HzRMS/g真空泵支架振動20～800HzRMS/g 50～5541.480.200.49 45～5041.010.210.45 40～4539.270.200.31 35～4037.410.200.24 30～3536.540.210.20

結(jié)合第三和第四條優(yōu)化措施，把真空泵的安裝支架以及真空泵的橡膠襯套進(jìn)行組合驗(yàn)證效果，采用優(yōu)化后的真空泵安裝支架搭配邵氏硬度為30～35 shore的橡膠襯套。對12～14 V電壓狀態(tài)下均進(jìn)行驗(yàn)證，其中圖13為12 V電壓下優(yōu)化效果圖，實(shí)線為基礎(chǔ)狀態(tài)，虛線為優(yōu)化后狀態(tài)，總的聲壓值由原來的的41.48 dB優(yōu)化至29.47 dB。其他電壓下驗(yàn)證結(jié)果如表7所示，可以看出，對比不同電壓下工作的峰值噪聲，優(yōu)化方案比基礎(chǔ)狀態(tài)最大優(yōu)化12.01 dB(A)，最終最惡劣狀態(tài)噪聲為31.14 dB(A)，滿足設(shè)定的目標(biāo)。并增加3臺車樣本量驗(yàn)證，真空泵工作車內(nèi)噪聲均能滿足目標(biāo)要求。

圖13 12 V電壓下優(yōu)化效果對比圖

表7 不同電壓下真空泵車內(nèi)噪聲對比

電壓/V車內(nèi)噪聲/dB(A)優(yōu)化值/dB(A) base優(yōu)化方案 1241.4829.4712.01 12.535.5830.245.34 1334.4730.853.62 13.534.4529.804.65 1440.1831.149.04

4 結(jié)論

本文對某電動車型真空泵工作噪聲大的問題，運(yùn)用“源-傳遞路徑-響應(yīng)”的分析理論，建立了真空泵噪聲大分析流程。通過實(shí)驗(yàn)對可能存在的原因進(jìn)行診斷分析，分析了真空泵源頭以及支架的振動情況，鎖定了真空泵噪聲大的根本原因。本文依托CAE分析優(yōu)化，并根據(jù)實(shí)際工程情況采用了優(yōu)化安裝支架的頻率和動剛度，更改成低硬度的橡膠墊的組合方案，徹底解決了真空泵工作引起整車噪聲大問題，對電動車真空泵NVH優(yōu)化具有重要的借鑒和參考意義。

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Analysis and Optimization on Vacuum Pump Noise of the Electric Vehicle

LIN Sheng1,2, ZHONG Chengping1,2, CHEN Qingshuang1,2, XU Gaoxin1,2, DENG Haiyan1

( 1.Jiangling Auto Company Limited, Nanchang 330001, China;2.Jiangxi Provincial Key Laboratory of Vehicle Noise and Vibration, Nanchang 330001, China )

As an important part of the braking system of electric vehicles, vacuum pumps obtain vacuum by rotating the motor, which is an important source of vibration and noise for electric vehicles. This article is aimed at the noise, vibration and harshness (NVH) problem of an electric vehicle when the vacuum pump is working under braking conditions. Using Test.lab test analysis system to experimentally analyze possible causes, it is finally found that the vacuum pump working frequency and the mounting bracket modal coupling resonance cause the vacuum pump noisy. By optimizing the frequency and dynamic stiffness of the vacuum pump bracket, and improving the vibration isolation rate of the rubber pad, the large noise of the vacuum pump is solved, and the riding comfort of the electric vehicle is improved.

Vacuum pump;Noise,Vibration,Harshness(NVH);Bracket mode;Bracket frequency;Dynamic stiffness;Rubber bushing hardness;Electric vehicles;Noise analysis;Optimization design

U462.3

A

1671-7988(2022)21-112-06

U462.3

A

1671-7988(2022)21-112-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.021

林勝（1987—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)檎嘚VH，E-mail:slin2@jmc.com.cn。