發布日期：2022-10-09 點擊率：172
作者：尹治國
單位：深圳坪山比亞迪工業有限公司汽車工程研究院
引言
如今，中國已經成為了電動汽車最大的生產國和市場。2017年，全球有45%的電動汽車在中國注冊，中國不僅把美國遠遠甩在身后，還即將占領全球市場的半壁江山。伴隨著電動汽車技術的不斷發展，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注，成為影響電動汽車品牌的一項重要指標。
電動汽車在制動助力方面，現在比較成熟解決方案為采用傳統的真空助力器+電動真空泵，因電動車沒有燃油車中的發動機，不能從發動機進氣歧管處獲取真空，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構以及轉速較高的原因，工作時有較大的噪音，加之電動汽車沒有發動機，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企業要面對的問題。
1問題描述
本文所述為一款主機廠由汽油車改款的純電動物流車，在開發試制過程中，新車質量工程師駕評時主觀感受到車內噪聲大，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，將開發樣車與某款國產電動車進行車內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
得到測試數據如下：
表2 開發樣車與某款國產電動車車內聲壓級對比
圖2~圖9為對比曲線，紅色為開發樣車，綠色為國產某電動車。
圖2 主駕內耳噪聲測試曲線 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
根據以上測試曲線可知，定置車內噪聲，真空泵工作，開發樣車與國產某電動車進行對比，車內駕駛員內耳噪聲相差12dB(A)左右，噪聲值相差過大，真空泵本體噪聲比某國產電動車大10dB(A)，本體振動遠遠大于某國產電動車，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，車內駕駛員內耳噪聲76Hz峰值下降4dB(A)，456Hz下降12dB(A)，真空泵安裝支架存在456Hz模態，斷開真空罐與車身連接處，車內駕駛員內耳噪聲下降1.2dB(A)，主要是90Hz-200Hz峰值整體明顯下降，真空罐被動側振動明顯降低，尤其是113Hz、154Hz、189Hz明顯下降。
圖6 真空泵被動側噪音曲線 圖7 真空罐支架噪聲曲線
圖8 真空罐被動側噪音曲線 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劣，應用在不同的車型上。由于歷史沿革等原因，現在市場上應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構原因，工作時高速旋轉的石墨葉片與金屬腔體撞擊、摩擦，會發出較大的噪音，噪音水平在三者中最高。
在整車應用中，針對電動真空泵的考量指標，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，相比于同規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[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，由安裝在直流電機上的偏心輪帶動一左右對置的搖擺活塞進行往復運動，安裝在活塞上的柔性活塞環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氣閥和排氣閥。通過活塞的往復運動，活塞與進氣閥間的工作腔的容積在壓縮與擴張間周期性變化，從而實現進氣閥兩側、排氣閥兩側氣壓差的周期性變化，推動氣流單向流動，建立起進氣閥前端系統的真空。
圖10 活塞式真空泵結構
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調整方案
總結以往的開發經驗，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的減振不足；
2）“真空泵+支架”系統的固有頻率與車上某些部件或結構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構如側翼板上，振動容易傳遞；
4）真空泵的固有結構使其噪音大。
基于以上主要因素的影響，匯總了以下NVH調整方案：
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。泵整體在平面內旋轉90°，改變電機朝向。
4）更改泵在整車上的布置位置。推薦安裝在強度、剛度高的結構上，不可連接薄壁鈑金上；或者安裝在驅動電機或變速箱等大質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量與位置。
將連接真空泵與真空罐的管路由硬質橡膠管改為軟質橡膠管。
4提出合理的解決方案
4.1 真空泵噪音解決思路
根據上述對標測試曲線的結果，得出以下整改思路：
1）對真空泵進行優化改進，以降低真空泵本體振動噪聲，改善車內NVH水平。
2）對真空泵與車身連接處的隔振件進行優化，以提高隔振性能，降低車內聲音76Hz峰值；對真空泵安裝支架進行優化加強，有效改善車內噪聲456Hz峰值問題。
3）對真空罐進行優化改進，降低真空罐本體振動，對真空罐與車身連接處進行隔振優化，提高隔振性能，以減小真空罐振動向車內的傳遞，有效改善車內聲音90Hz-200Hz峰值。
結合以上思路及主機廠實際開發情況，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構，并增加隔振墊數量，考慮VAVE，重新開模開發不滿足即將SOP的節點。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 在支架側面適當位置增加配重塊
3）真空泵
方案一：現有活塞式電子真空泵整改方案
（1）改進消音棉設計，密度由原來80g/dm3改為200g/dm3；
（2）改進單向閥片硬度，由60邵爾A調整為35邵爾A；
以上兩方案實施后，經測試噪音52dB，優化后共降低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，新開發安裝支架及真空管
（1）更換膜片泵；
（2）重新設計安裝支架。需新開發支架、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 車內聲音對比 圖17 被動側振動對比
圖18 頻響對比曲線
經驗證，真空泵支架添加配重塊120g后，車內聲音456Hz峰值明顯下降，被動側振動也有所下降，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 車內聲音對比 圖20 真空泵近場對比
圖21 真空助力泵被動側振動對比
更換膜片式真空泵后，車內聲音總聲壓級下降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)，車內振動也有所下降，真空泵被動側振動明顯下降。
4.2.3 方案確定
綜上所述，總結NVH改善方案討論如下：
表3 方案描述及改進效果
方案一，降噪效果較好，且可立即執行 ，滿足SOP節點。方案二，無法滿足SOP節點，真空泵支架、真空管需重新開模，由于無路試搭載，只能進行讓步認可，以滿足生產需求。方案一和方案二樣件裝車后，主觀感受改進后兩臺車噪音相當，比改進前均有改善，高頻刺耳噪音降低，車內近場噪音以方案一更優，降低2.63dB。建議采用方案一。
5總結
由于電動車沒有了發動機，發動機以外的噪音開始凸顯了出來，整車NVH更加成為電動車輛設計和開發的重要部分，如何降低整車噪音，是每個主機廠都要重視的問題。本文站在主機廠實際開發電動物流車的角度，針對噪音主要來源--電動真空泵，通過分析其結構、振動噪聲的傳遞路徑，考慮整車開發周期及成本的條件下，制定了相關措施，并得到了驗證可行的解決方案。由于開發階段的不同，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。
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