作者：尹治國
單位：深圳坪山比亞迪工業(yè)有限公司汽車工程研究院

引言

如今，中國已經(jīng)成為了電動汽車最大的生產(chǎn)國和市場。2017年，全球有45%的電動汽車在中國注冊，中國不僅把美國遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在身后，還即將占領(lǐng)全球市場的半壁江山。伴隨著電動汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，對電動汽車性能提出了更多的要求，其中噪聲振動性能越來越受關(guān)注，成為影響電動汽車品牌的一項重要指標(biāo)。

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

1問題描述

本文所述為一款主機(jī)廠由汽油車改款的純電動物流車，在開發(fā)試制過程中，新車質(zhì)量工程師駕評時主觀感受到車內(nèi)噪聲大，是客戶不可接受級別。初步確定噪聲來源于電子真空泵。零件在整車中的布置位置如圖1所示，受電動物流車前機(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)致噪聲和振動大的主要原因。



圖1  電子真空泵在整車中的位置

2問題驗證

為了驗證是否如主觀評價感受所描述噪音偏大，將開發(fā)樣車與某款國產(chǎn)電動車進(jìn)行車內(nèi)聲音及振動測試對比，分別在如下位置布置測點：

表1  測點位置共8處



得到測試數(shù)據(jù)如下：
表2  開發(fā)樣車與某款國產(chǎn)電動車車內(nèi)聲壓級對比



圖2~圖9為對比曲線，紅色為開發(fā)樣車，綠色為國產(chǎn)某電動車。



圖2  主駕內(nèi)耳噪聲測試曲線   圖3  真空泵近場噪聲曲線



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)以上測試曲線可知，定置車內(nèi)噪聲，真空泵工作，開發(fā)樣車與國產(chǎn)某電動車進(jìn)行對比，車內(nèi)駕駛員內(nèi)耳噪聲相差12dB(A)左右，噪聲值相差過大，真空泵本體噪聲比某國產(chǎn)電動車大10dB(A)，本體振動遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于某國產(chǎn)電動車，該真空泵為活塞泵，特點就是振動大，斷開真空泵與車身連接處，車內(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)，斷開真空罐與車身連接處，車內(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，真空罐被動側(cè)振動明顯降低，尤其是113Hz、154Hz、189Hz明顯下降。



圖6  真空泵被動側(cè)噪音曲線  圖7  真空罐支架噪聲曲線



圖8  真空罐被動側(cè)噪音曲線   圖9  真空罐本體噪音曲線

由上述可知，此電動物流車的聲噪確實偏大。

3問題分析

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

在整車應(yīng)用中，針對電動真空泵的考量指標(biāo)，主要包括電動真空泵的抽氣效率、尺寸、NVH、耐久性能、重量、成本等；其中活塞式電動真空泵因為耐久性能方面的原因，絕大部分應(yīng)用在低速電動車等對制動性能及可靠性要求不高的車型上；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置，推桿往復(fù)運動，工作時振動較大、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)格葉片式電動真空泵，噪音低8~9分貝，故在整車布置空間方面要求不是太高，對成本不是特別敏感的情況下，可以采用膜片式電動真空泵，以獲得更好的噪音表現(xiàn)[1]。

本文中物流車為低速電動車，采用了一種對置搖擺活塞泵，由安裝在直流電機(jī)上的偏心輪帶動一左右對置的搖擺活塞進(jìn)行往復(fù)運動，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，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。通過活塞的往復(fù)運動，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，推動氣流單向流動，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 電動真空泵與車輛匹配常用NVH調(diào)整方案
總結(jié)以往的開發(fā)經(jīng)驗，電動真空泵（EVP）與車輛匹配，受如下主要因素的影響，可能出現(xiàn)整車NVH主觀評定不被接受的問題：

1）真空泵與車輛連接系統(tǒng)的減振不足；
2）“真空泵+支架”系統(tǒng)的固有頻率與車上某些部件或結(jié)構(gòu)的固有頻率過于接近，引起共振；
3）真空泵連接在過于單薄的結(jié)構(gòu)如側(cè)翼板上，振動容易傳遞；
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）增加二級減振。真空泵與真空泵支架配合采用了一級減振墊，支架與前托架（或車身）的配合一般為普通螺栓螺母固定，可通過增加橡膠軟墊起到二級隔振的效果。
2）減少一級減振墊數(shù)量，可以減少振動的傳遞。
3）更改泵相對于整車的布置方向。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)動電機(jī)或變速箱等大質(zhì)量且具有獨立減振體系的零部件上。
5）真空管形式、真空管向車輛上緊固的卡點數(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)上述對標(biāo)測試曲線的結(jié)果，得出以下整改思路：

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

結(jié)合以上思路及主機(jī)廠實際開發(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，且實車啟動時打開前機(jī)艙蓋旁聽真空罐處噪音及振動很小，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，重新開模開發(fā)不滿足即將SOP的節(jié)點。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，密度由原來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；
以上兩方案實施后，經(jīng)測試噪音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,降低振動噪音

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



圖15  膜片式真空泵

4.2 方案驗證
對真空泵支架添加配重塊的方案及膜片泵的方案進(jìn)行測試驗證。

4.2.1 真空泵支架添加配重塊
測試曲線如下：



圖16  車內(nèi)聲音對比          圖17  被動側(cè)振動對比



圖18  頻響對比曲線

經(jīng)驗證，真空泵支架添加配重塊120g后，車內(nèi)聲音456Hz峰值明顯下降，被動側(cè)振動也有所下降，對比真空泵支架頻響對比曲線可知，456Hz峰值下降明顯。

4.2.2 更換膜片式真空泵

測試曲線如下：



圖19  車內(nèi)聲音對比     圖20  真空泵近場對比



圖21  真空助力泵被動側(cè)振動對比

更換膜片式真空泵后，車內(nèi)聲音總聲壓級下降1.36dB (A)，其中456Hz峰值明顯下降，但是225Hz出現(xiàn)一個較大的新峰值，真空泵近場總聲壓級下降2dB(A)，尤其是高頻噪聲約下降3dB(A)，車內(nèi)振動也有所下降，真空泵被動側(cè)振動明顯下降。

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 ，滿足SOP節(jié)點。方案二，無法滿足SOP節(jié)點，真空泵支架、真空管需重新開模，由于無路試搭載，只能進(jìn)行讓步認(rèn)可，以滿足生產(chǎn)需求。方案一和方案二樣件裝車后，主觀感受改進(jìn)后兩臺車噪音相當(dāng)，比改進(jìn)前均有改善，高頻刺耳噪音降低，車內(nèi)近場噪音以方案一更優(yōu)，降低2.63dB。建議采用方案一。

5總結(jié)

由于電動車沒有了發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)以外的噪音開始凸顯了出來，整車NVH更加成為電動車輛設(shè)計和開發(fā)的重要部分，如何降低整車噪音，是每個主機(jī)廠都要重視的問題。本文站在主機(jī)廠實際開發(fā)電動物流車的角度，針對噪音主要來源--電動真空泵，通過分析其結(jié)構(gòu)、振動噪聲的傳遞路徑，考慮整車開發(fā)周期及成本的條件下，制定了相關(guān)措施，并得到了驗證可行的解決方案。由于開發(fā)階段的不同，噪音整改所考慮的重點會有所不同，但都可以通過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，為電動汽車噪音的解決有一定的參考價值。