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作者：尹治國(guó)
單位：深圳坪山比亞迪工業(yè)有限公司汽車(chē)工程研究院

引言

如今，中國(guó)已經(jīng)成為了電動(dòng)汽車(chē)最大的生產(chǎn)國(guó)和市場(chǎng)。2017年，全球有45%的電動(dòng)汽車(chē)在中國(guó)注冊(cè)，中國(guó)不僅把美國(guó)遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在身后，還即將占領(lǐng)全球市場(chǎng)的半壁江山。伴隨著電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)性能提出了更多的要求，其中噪聲振動(dòng)性能越來(lái)越受關(guān)注，成為影響電動(dòng)汽車(chē)品牌的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

電動(dòng)汽車(chē)在制動(dòng)助力方面，現(xiàn)在比較成熟解決方案為采用傳統(tǒng)的真空助力器+電動(dòng)真空泵，因電動(dòng)車(chē)沒(méi)有燃油車(chē)中的發(fā)動(dòng)機(jī)，不能從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管處獲取真空，故電動(dòng)車(chē)需要匹配單獨(dú)的電動(dòng)真空泵來(lái)獲取真空；電動(dòng)真空泵因自身結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)速較高的原因，工作時(shí)有較大的噪音，加之電動(dòng)汽車(chē)沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)，整車(chē)噪音較小，真空泵噪音更加凸顯。在新的解決方案取代真空助力器+電動(dòng)真空泵的方案之前，如何最大限度的降低電動(dòng)真空泵噪音，獲得更好的駕駛感受，是每個(gè)電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)要面對(duì)的問(wèn)題。

1問(wèn)題描述

本文所述為一款主機(jī)廠由汽油車(chē)改款的純電動(dòng)物流車(chē)，在開(kāi)發(fā)試制過(guò)程中，新車(chē)質(zhì)量工程師駕評(píng)時(shí)主觀感受到車(chē)內(nèi)噪聲大，是客戶(hù)不可接受級(jí)別。初步確定噪聲來(lái)源于電子真空泵。零件在整車(chē)中的布置位置如圖1所示，受電動(dòng)物流車(chē)前機(jī)艙的布置空間限制，電子真空泵布置在前托架的支架上，這也是導(dǎo)致噪聲和振動(dòng)大的主要原因。



圖1  電子真空泵在整車(chē)中的位置

2問(wèn)題驗(yàn)證

為了驗(yàn)證是否如主觀評(píng)價(jià)感受所描述噪音偏大，將開(kāi)發(fā)樣車(chē)與某款國(guó)產(chǎn)電動(dòng)車(chē)進(jìn)行車(chē)內(nèi)聲音及振動(dòng)測(cè)試對(duì)比，分別在如下位置布置測(cè)點(diǎn)：

表1  測(cè)點(diǎn)位置共8處



得到測(cè)試數(shù)據(jù)如下：
表2  開(kāi)發(fā)樣車(chē)與某款國(guó)產(chǎn)電動(dòng)車(chē)車(chē)內(nèi)聲壓級(jí)對(duì)比



圖2~圖9為對(duì)比曲線，紅色為開(kāi)發(fā)樣車(chē)，綠色為國(guó)產(chǎn)某電動(dòng)車(chē)。



圖2  主駕內(nèi)耳噪聲測(cè)試曲線   圖3  真空泵近場(chǎng)噪聲曲線



圖4  真空泵本體噪聲曲線  圖5  真空泵支架噪聲曲線

根據(jù)以上測(cè)試曲線可知，定置車(chē)內(nèi)噪聲，真空泵工作，開(kāi)發(fā)樣車(chē)與國(guó)產(chǎn)某電動(dòng)車(chē)進(jìn)行對(duì)比，車(chē)內(nèi)駕駛員內(nèi)耳噪聲相差12dB(A)左右，噪聲值相差過(guò)大，真空泵本體噪聲比某國(guó)產(chǎn)電動(dòng)車(chē)大10dB(A)，本體振動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于某國(guó)產(chǎn)電動(dòng)車(chē)，該真空泵為活塞泵，特點(diǎn)就是振動(dòng)大，斷開(kāi)真空泵與車(chē)身連接處，車(chē)內(nèi)駕駛員內(nèi)耳噪聲76Hz峰值下降4dB(A)，456Hz下降12dB(A)，真空泵安裝支架存在456Hz模態(tài)，斷開(kāi)真空罐與車(chē)身連接處，車(chē)內(nèi)駕駛員內(nèi)耳噪聲下降1.2dB(A)，主要是90Hz-200Hz峰值整體明顯下降，真空罐被動(dòng)側(cè)振動(dòng)明顯降低，尤其是113Hz、154Hz、189Hz明顯下降。



圖6  真空泵被動(dòng)側(cè)噪音曲線  圖7  真空罐支架噪聲曲線



圖8  真空罐被動(dòng)側(cè)噪音曲線   圖9  真空罐本體噪音曲線

由上述可知，此電動(dòng)物流車(chē)的聲噪確實(shí)偏大。

3問(wèn)題分析

現(xiàn)今市場(chǎng)上常見(jiàn)的電動(dòng)真空泵主要有三種：葉片式、膜片式、活塞式，三種電動(dòng)真空泵互有優(yōu)劣，應(yīng)用在不同的車(chē)型上。由于歷史沿革等原因，現(xiàn)在市場(chǎng)上應(yīng)用量最大的為葉片式電動(dòng)真空泵，由于葉片式電動(dòng)真空泵的結(jié)構(gòu)原因，工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的石墨葉片與金屬腔體撞擊、摩擦，會(huì)發(fā)出較大的噪音，噪音水平在三者中最高。

在整車(chē)應(yīng)用中，針對(duì)電動(dòng)真空泵的考量指標(biāo)，主要包括電動(dòng)真空泵的抽氣效率、尺寸、NVH、耐久性能、重量、成本等；其中活塞式電動(dòng)真空泵因?yàn)槟途眯阅芊矫娴脑?，絕大部分應(yīng)用在低速電動(dòng)車(chē)等對(duì)制動(dòng)性能及可靠性要求不高的車(chē)型上；膜片泵的主要短板，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)振動(dòng)較大、單件成本較高等方面，但其在噪音方面有比較好的表現(xiàn)，相比于同規(guī)格葉片式電動(dòng)真空泵，噪音低8~9分貝，故在整車(chē)布置空間方面要求不是太高，對(duì)成本不是特別敏感的情況下，可以采用膜片式電動(dòng)真空泵，以獲得更好的噪音表現(xiàn)[1]。

本文中物流車(chē)為低速電動(dòng)車(chē)，采用了一種對(duì)置搖擺活塞泵，由安裝在直流電機(jī)上的偏心輪帶動(dòng)一左右對(duì)置的搖擺活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，安裝在活塞上的柔性活塞環(huán)在降低活塞與氣缸的磨擦的同時(shí)，起到活塞的密封作用。在端蓋和活塞上分別安裝有進(jìn)氣閥和排氣閥。通過(guò)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞與進(jìn)氣閥間的工作腔的容積在壓縮與擴(kuò)張間周期性變化，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣閥兩側(cè)、排氣閥兩側(cè)氣壓差的周期性變化，推動(dòng)氣流單向流動(dòng)，建立起進(jìn)氣閥前端系統(tǒng)的真空。



圖10  活塞式真空泵結(jié)構(gòu)



圖11  真空泵在前托架的安裝位置

3.2 電動(dòng)真空泵與車(chē)輛匹配常用NVH調(diào)整方案
總結(jié)以往的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，電動(dòng)真空泵（EVP）與車(chē)輛匹配，受如下主要因素的影響，可能出現(xiàn)整車(chē)NVH主觀評(píng)定不被接受的問(wèn)題：

1）真空泵與車(chē)輛連接系統(tǒng)的減振不足；
2）“真空泵+支架”系統(tǒng)的固有頻率與車(chē)上某些部件或結(jié)構(gòu)的固有頻率過(guò)于接近，引起共振；
3）真空泵連接在過(guò)于單薄的結(jié)構(gòu)如側(cè)翼板上，振動(dòng)容易傳遞；
4）真空泵的固有結(jié)構(gòu)使其噪音大。

基于以上主要因素的影響，匯總了以下NVH調(diào)整方案：

1）增加二級(jí)減振。真空泵與真空泵支架配合采用了一級(jí)減振墊，支架與前托架（或車(chē)身）的配合一般為普通螺栓螺母固定，可通過(guò)增加橡膠軟墊起到二級(jí)隔振的效果。
2）減少一級(jí)減振墊數(shù)量，可以減少振動(dòng)的傳遞。
3）更改泵相對(duì)于整車(chē)的布置方向。泵整體在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)90°，改變電機(jī)朝向。
4）更改泵在整車(chē)上的布置位置。推薦安裝在強(qiáng)度、剛度高的結(jié)構(gòu)上，不可連接薄壁鈑金上；或者安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)或變速箱等大質(zhì)量且具有獨(dú)立減振體系的零部件上。
5）真空管形式、真空管向車(chē)輛上緊固的卡點(diǎn)數(shù)量與位置。
將連接真空泵與真空罐的管路由硬質(zhì)橡膠管改為軟質(zhì)橡膠管。

4提出合理的解決方案

4.1 真空泵噪音解決思路
根據(jù)上述對(duì)標(biāo)測(cè)試曲線的結(jié)果，得出以下整改思路：

1）對(duì)真空泵進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以降低真空泵本體振動(dòng)噪聲，改善車(chē)內(nèi)NVH水平。
2）對(duì)真空泵與車(chē)身連接處的隔振件進(jìn)行優(yōu)化，以提高隔振性能，降低車(chē)內(nèi)聲音76Hz峰值；對(duì)真空泵安裝支架進(jìn)行優(yōu)化加強(qiáng)，有效改善車(chē)內(nèi)噪聲456Hz峰值問(wèn)題。
3）對(duì)真空罐進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，降低真空罐本體振動(dòng)，對(duì)真空罐與車(chē)身連接處進(jìn)行隔振優(yōu)化，提高隔振性能，以減小真空罐振動(dòng)向車(chē)內(nèi)的傳遞，有效改善車(chē)內(nèi)聲音90Hz-200Hz峰值。

結(jié)合以上思路及主機(jī)廠實(shí)際開(kāi)發(fā)情況，綜合考慮如下：
1）真空罐：因不連接真空罐的情況下噪聲下降只有1.2dB，且實(shí)車(chē)啟動(dòng)時(shí)打開(kāi)前機(jī)艙蓋旁聽(tīng)真空罐處噪音及振動(dòng)很小，考慮整改成本高且效果不明顯，故先不整改。
2）真空泵支架：因456Hz時(shí)與管梁固有頻率同步，需增加隔振墊或增大支架規(guī)避共振頻率。由上述真空泵NVH匹配方案可知，增加二級(jí)隔振墊需更改支架結(jié)構(gòu)，并增加隔振墊數(shù)量，考慮VAVE，重新開(kāi)模開(kāi)發(fā)不滿(mǎn)足即將SOP的節(jié)點(diǎn)。所以改為支架增加配重塊的方案。配重塊的布置位置需考慮避開(kāi)螺栓、減振墊、真空泵線束及接插件、真空管等，以免干涉。



圖12  在支架側(cè)面適當(dāng)位置增加配重塊

3）真空泵
方案一：現(xiàn)有活塞式電子真空泵整改方案
（1）改進(jìn)消音棉設(shè)計(jì)，密度由原來(lái)80g/dm3改為200g/dm3；
（2）改進(jìn)單向閥片硬度，由60邵爾A調(diào)整為35邵爾A；
以上兩方案實(shí)施后，經(jīng)測(cè)試噪音52dB，優(yōu)化后共降低3dB。



圖13 消音棉密度增大，降低排氣噪音   圖14降低單向閥片硬度,降低振動(dòng)噪音

方案二：采用成熟的膜片泵，新開(kāi)發(fā)安裝支架及真空管
（1）更換膜片泵；
（2）重新設(shè)計(jì)安裝支架。需新開(kāi)發(fā)支架、真空管等。



圖15  膜片式真空泵

4.2 方案驗(yàn)證
對(duì)真空泵支架添加配重塊的方案及膜片泵的方案進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

4.2.1 真空泵支架添加配重塊
測(cè)試曲線如下：



圖16  車(chē)內(nèi)聲音對(duì)比          圖17  被動(dòng)側(cè)振動(dòng)對(duì)比



圖18  頻響對(duì)比曲線

經(jīng)驗(yàn)證，真空泵支架添加配重塊120g后，車(chē)內(nèi)聲音456Hz峰值明顯下降，被動(dòng)側(cè)振動(dòng)也有所下降，對(duì)比真空泵支架頻響對(duì)比曲線可知，456Hz峰值下降明顯。

4.2.2 更換膜片式真空泵

測(cè)試曲線如下：



圖19  車(chē)內(nèi)聲音對(duì)比     圖20  真空泵近場(chǎng)對(duì)比



圖21  真空助力泵被動(dòng)側(cè)振動(dòng)對(duì)比

更換膜片式真空泵后，車(chē)內(nèi)聲音總聲壓級(jí)下降1.36dB (A)，其中456Hz峰值明顯下降，但是225Hz出現(xiàn)一個(gè)較大的新峰值，真空泵近場(chǎng)總聲壓級(jí)下降2dB(A)，尤其是高頻噪聲約下降3dB(A)，車(chē)內(nèi)振動(dòng)也有所下降，真空泵被動(dòng)側(cè)振動(dòng)明顯下降。

4.2.3 方案確定
綜上所述，總結(jié)NVH改善方案討論如下：

表3  方案描述及改進(jìn)效果



方案一，降噪效果較好，且可立即執(zhí)行 ，滿(mǎn)足SOP節(jié)點(diǎn)。方案二，無(wú)法滿(mǎn)足SOP節(jié)點(diǎn)，真空泵支架、真空管需重新開(kāi)模，由于無(wú)路試搭載，只能進(jìn)行讓步認(rèn)可，以滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。方案一和方案二樣件裝車(chē)后，主觀感受改進(jìn)后兩臺(tái)車(chē)噪音相當(dāng)，比改進(jìn)前均有改善，高頻刺耳噪音降低，車(chē)內(nèi)近場(chǎng)噪音以方案一更優(yōu)，降低2.63dB。建議采用方案一。

5總結(jié)

由于電動(dòng)車(chē)沒(méi)有了發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)以外的噪音開(kāi)始凸顯了出來(lái)，整車(chē)NVH更加成為電動(dòng)車(chē)輛設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的重要部分，如何降低整車(chē)噪音，是每個(gè)主機(jī)廠都要重視的問(wèn)題。本文站在主機(jī)廠實(shí)際開(kāi)發(fā)電動(dòng)物流車(chē)的角度，針對(duì)噪音主要來(lái)源--電動(dòng)真空泵，通過(guò)分析其結(jié)構(gòu)、振動(dòng)噪聲的傳遞路徑，考慮整車(chē)開(kāi)發(fā)周期及成本的條件下，制定了相關(guān)措施，并得到了驗(yàn)證可行的解決方案。由于開(kāi)發(fā)階段的不同，噪音整改所考慮的重點(diǎn)會(huì)有所不同，但都可以通過(guò)以上分析思路而選擇出合適的整改方案，因而本文所述真空泵噪音整改思路有一定的通用性，為電動(dòng)汽車(chē)噪音的解決有一定的參考價(jià)值。