電動燃油泵振動噪聲的分析與控制

宮少琦，黃應(yīng)來

電動燃油泵振動噪聲的分析與控制

宮少琦，黃應(yīng)來

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

為了對汽車燃油泵的振動噪聲進(jìn)行分析與控制，文章結(jié)合噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）實驗與仿真模擬分析，通過NVH實驗（Artemis/LMS）調(diào)查引起車內(nèi)噪聲振動的機理，利用仿真模擬（Altair OptiStruct）分析搭載燃油泵的車身結(jié)構(gòu)動態(tài)特性，仿真關(guān)鍵路徑精細(xì)分析車身工作變形模態(tài)（ODS）與節(jié)點貢獻(xiàn)量（GPA），為燃油泵振動噪聲的優(yōu)化提出可行性方案。NVH實驗與仿真模擬分析結(jié)果表明：1）車輛怠速鼓噪聲@100 Hz與拍頻噪聲機理：燃油泵工作頻率與整車怠速發(fā)動機八階頻率耦合發(fā)聲；2）車輛常用電動燃油泵轉(zhuǎn)子動平衡控制方法不完善，導(dǎo)致動平衡精度缺失，常引起燃油泵工頻及諧頻振動；3）通過試驗與仿真結(jié)合快速定位車身薄弱位置，優(yōu)化車身振動傳遞靈敏度3 dB，改善整車怠速燃油泵鼓噪聲5 dB(A)。文章詳述NVH實驗與仿真模擬結(jié)合分析方法，提出了抑制汽車燃油泵振動噪聲的有效方案，提高車輛駕乘舒適性，研究結(jié)果為汽車電動燃油泵振動噪聲控制提供了技術(shù)支撐。

燃油泵；NVH；節(jié)點貢獻(xiàn)量；工作變形模態(tài)

燃油泵是汽車供油系統(tǒng)的核心部件，在輕量化研發(fā)趨勢下，目前乘用車廣泛應(yīng)用離心式電動燃油泵。離心式電動燃油泵轉(zhuǎn)子由電機轉(zhuǎn)子與葉輪兩部分構(gòu)成，為實現(xiàn)經(jīng)濟供油，其額定工作轉(zhuǎn)速一般設(shè)計在高轉(zhuǎn)速區(qū)間：5 000～10 000 r/min。工程實際中，汽車燃油泵動平衡質(zhì)量檢測工況一般在2 000～3 000 r/min之間，已經(jīng)較大偏離工作區(qū)間；并且只對燃油泵電機轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡檢測，對燃油泵葉輪及轉(zhuǎn)子總成缺少控制，這些導(dǎo)致燃油泵總成動平衡精度缺失，良品率下降，不可避免引起整車燃油泵鼓噪聲與拍頻噪聲，因此，控制與優(yōu)化燃油泵振動噪聲成為重要課題。其次，目前對汽車燃油泵振動的控制一般停留在學(xué)術(shù)研究層面[1]，在缺少工程實踐與應(yīng)用的情況下，很難將學(xué)術(shù)研究成果轉(zhuǎn)換為落地工程方案。對燃油泵振動噪聲特征進(jìn)行深入研究，為汽車燃油系統(tǒng)的振動噪聲控制有較大的工程實用價值；采用噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）實驗與仿真模擬相結(jié)合的方法分析，為車輛NVH性能優(yōu)化提供指導(dǎo)性依據(jù)[2-3]。

NVH試驗?zāi)軌蛑苯悠饰鰴C械本體振動與噪聲特征，仿真模擬分析能夠?qū)VH優(yōu)化驗證進(jìn)行快捷指導(dǎo)，本文結(jié)合應(yīng)用Artemis/LMS與Altair OptiStruct軟件，對燃油泵本體振動與噪聲特征進(jìn)行剖析，從控制噪聲源與傳遞路徑方面進(jìn)行優(yōu)化驗證分析，得到了燃油泵振動噪聲控制與優(yōu)化的指導(dǎo)方法，并提出適用性較強的工程優(yōu)化方案，對燃油泵振動噪聲控制研究有重要意義。

1 燃油泵振動與噪聲實驗

1.1 燃油泵NVH實驗

汽車燃油泵安裝于燃油箱內(nèi)，本文應(yīng)用Artemis/LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)燃油泵NVH實驗，主要包含：第一，測量整車怠速工況下，燃油泵本體及駕駛室內(nèi)的振動噪聲；第二，測量整車燃油泵外部供電狀態(tài)下，燃油泵本體及駕駛室內(nèi)的振動噪聲；第三，測量燃油箱結(jié)構(gòu)動態(tài)特性，即燃油箱模態(tài)特征及安裝點結(jié)構(gòu)特性。針對燃油泵NVH試驗研究內(nèi)容，燃油泵NVH試驗測點布置及測量系統(tǒng)布置詳見圖1。

圖1 燃油泵整車NVH測量系統(tǒng)

1.2 燃油泵試驗結(jié)果

本文應(yīng)用Artemis采集整車怠速工況、整車外部供電穩(wěn)態(tài)工況以及整車外部供電加速工況下燃油泵的振動與噪聲，測試結(jié)果如下：

1）圖2(a)實線為整車怠速工況燃油泵振動噪聲水平，駕駛室內(nèi)前排107 Hz噪聲達(dá)32 dB(A)，后排噪聲水平達(dá)標(biāo)，前排超目標(biāo)水平（25 dB(A)）后，車內(nèi)主觀感受明顯鼓噪聲；

2）圖2(b)為燃油泵外部供電加速工況（0～15 V）下的振動噪聲水平，駕駛室內(nèi)前排噪聲在107 Hz附近有明顯的共振帶能量，車內(nèi)后排噪聲及燃油箱振動在107 Hz處共振帶能量均不明顯。另外，瀑布圖中高頻共振帶是回油量較大時的寬頻噪聲，整車正常運行時不會產(chǎn)生此現(xiàn)象。

圖2 燃油泵怠速與供電工況振動噪聲對比

1.3 燃油箱實驗結(jié)果

本文應(yīng)用LMS對燃油箱模態(tài)、燃油箱安裝點的動剛度（Locate Dynamic Stiffness, LDS）與噪聲傳遞函數(shù)（Noise Transfer Function, NTF）進(jìn)行測量，測量結(jié)果見圖3。

1）燃油箱在107 Hz處并不存在結(jié)構(gòu)模態(tài)；

2）燃油箱前安裝點LDS為2 200 N/mm，后安裝點LDS為5 300 N/mm，左右水平基本相當(dāng)；

圖3 燃油箱結(jié)構(gòu)動態(tài)特性

3）燃油箱安裝點在108 Hz附近的NTF，右前安裝點達(dá)到65 dB，其他三個安裝點低于55 dB。

測量結(jié)果表明燃油泵及燃油箱本體在107 Hz附近不存在本體模態(tài)，燃油箱安裝點動剛度水平?jīng)]有明顯缺陷，燃油箱右前安裝點NTF差，是車內(nèi)鼓噪聲的重要傳遞路徑，需找到車身薄弱位置。

2 燃油泵振動與噪聲仿真分析

2.1 NVH仿真實驗對標(biāo)

本文應(yīng)用Altair OptiStruct對搭載燃油泵的整備車身（Trimmed Body, TB）進(jìn)行關(guān)鍵路徑仿真分析，找到該問題車身設(shè)計薄弱部位，并確定提升車身靈敏度的最佳方案。TB關(guān)鍵路徑仿真與試驗對標(biāo)，對標(biāo)結(jié)果在90～170 Hz頻段內(nèi)校核誤差在3%以內(nèi)，仿真模型精度可信。

2.2 仿真分析貢獻(xiàn)量

仿真模擬TB在燃油箱右前安裝點單位力的作用下，TB聲腔內(nèi)的響應(yīng)在流固耦合界面上的每個節(jié)點貢獻(xiàn)量（Grid Participation Analysis, GPA），結(jié)果見圖4，后排座椅地板是對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量最大的區(qū)域。進(jìn)一步仿真分析TB鈑件工作變形模態(tài)陣型（Operating Deflection Shapes, ODS），見圖5，后地板燃油泵安裝區(qū)域存在工作彎曲模態(tài)，且模態(tài)反節(jié)點位置落在燃油箱右側(cè)安裝點區(qū)域。

圖4 車身104 Hz GPA云圖

圖5 車身104 Hz ODS分析

2.3 仿真優(yōu)化方案

根據(jù)GPA與ODS分析，駕駛室中地板右側(cè)區(qū)域存在工作變形模態(tài)，且對駕駛室噪聲貢獻(xiàn)量最大，需要對該區(qū)域進(jìn)行避頻降幅。仿真進(jìn)行多輪模擬優(yōu)化分析，包括加強燃油箱安裝點結(jié)構(gòu)、加厚中地板鈑金等，均對燃油箱右前安裝點NTF中的104 Hz附近有改善作用，其中在后地板增加梁結(jié)構(gòu)形式（見圖6）對NTF改善最為明顯，仿真分析快速鎖定車身最優(yōu)方案。

圖6 加強后地板增加梁結(jié)構(gòu)

3 燃油泵振動噪聲優(yōu)化與驗證

根據(jù)仿真模擬優(yōu)化方案，在后地板燃油泵安裝口附近區(qū)域手工實施加強梁，見圖7，整車怠速主觀駕駛室內(nèi)鼓噪聲可接受，客觀數(shù)據(jù)改善5 dB，達(dá)到目標(biāo)水平，手工方案有效；進(jìn)一步測量整車燃油泵外部供電加速工況（0～15 V），駕駛室內(nèi)前排噪聲在107 Hz處共振帶明顯變?nèi)?，見圖8。

4 結(jié)論

通過對燃油泵振動噪聲的NVH實驗與仿真分析，得出以下主要結(jié)論：

1）受燃油泵轉(zhuǎn)子動平衡質(zhì)量影響，燃油泵易產(chǎn)生較大的工頻振動，并與發(fā)動機怠速諧頻耦合，引起駕駛室內(nèi)鼓噪聲，嚴(yán)重時會形成拍頻噪聲；

圖7 整車怠速噪聲優(yōu)化

圖8 整車燃油泵外部供電加速噪聲

2）針對電動燃油泵后置車型，加強車身燃油泵安裝口區(qū)域結(jié)構(gòu)，可有效降低油箱安裝點噪聲傳遞靈敏度，從而改善實車駕駛室內(nèi)100 Hz/200 Hz鼓噪聲；

3）NVH試驗與仿真模擬結(jié)合分析，能夠剖析車輛振動噪聲機理，同時對車身結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行高效尋優(yōu)方案，快速實現(xiàn)工程優(yōu)化方案落地。

[1] 程志偉,盧義剛.怠速工況下燃油系統(tǒng)的噪聲評價和改善[J].應(yīng)用聲學(xué),2019,38(3):345-351.

[2] 王歡,莊超,蘇俊收.重型卡車駕駛室怠速噪聲分析及控制[J].噪聲與振動控制,2021,41(1):118-121.

[3] 徐有忠,劉煥廣,劉芳,等.汽車燃油泵噪聲傳遞路徑分析與優(yōu)化[J].汽車技術(shù),2020(12):55-59.

Analysis and Control Vibration and Noise of Electric Fuel Pump

GONG Shaoqi, HUANG Yinglai

( Geely Automobile Research and Development (Ningbo) Company Limited, Ningbo 315336, China )

In order to analysis and control the vibration and noise of electric fuel pump, in this paper, NVH experiment (Artemis/LMS) and simulation (Altair OptiStruct)analysis are combined to investigate the mechanism of internal noise and vibration, the operating deflection shapes(ODS) and grid participation analysis(GPA) of the trimmed body with fuel pump are analyzed by simulating the critical path, and the feasible scheme is proposed for the optimization of fuel pump vibration and noise. The results of NVH experiment and simulation analysis show that: 1) The mechanism of rumble noise at 100Hz and of the idle condition is that the fuel pump operating frequency is coupled with the engine frequency (8 order); 2) The rotor dynamic balance control method of electric fuel pump is not complete, which leads to the loss of dynamic balance accuracy and that causes power frequency and harmonic frequency vibration of the fuel pump frequently;3) Through the combination of test and simulation, it can locate the weak position of the body quickly, and optimize the vibration transfer sensitivity 3dB, and improve the idle noise 5dB(A).In this paper, this method with NVH experiment and simulation analysis is detailed, and an effective scheme to suppress vibration and noise of automobile fuel pump is proposed to improve vehicle riding comfort. The research results provide technical support for vibration and noise control of automobile electric fuel pump.

Fuel pump;NVH; GPA; ODS

U461.4

A

1671-7988(2023)10-51-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.010

宮少琦（1986—），女，碩士，研究方向為汽車NVH開發(fā)與控制，E-mail:shaoqi.gong@geely.com。

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目（51804152）。