摘要：針對某電動車型供電狀態(tài)下踩踏制動踏板時車內(nèi)轟鳴聲過大的問題進行分析，通過主觀評價、問題排查，確認該問題由制動真空泵引起。采用源－傳遞路徑－目標位置分析方法，結(jié)合模態(tài)仿真數(shù)據(jù)，分析制動真空泵對車內(nèi)噪聲的影響機制，提出通過將真空泵用阻尼材料包裹以降低車內(nèi)空氣輻射噪聲和增加安裝支架剛度減小結(jié)構(gòu)輻射噪聲的改進方案。試驗測試表明，采用改進方案后，車內(nèi)噪聲峰值降低約6 dB。

汽車的制動性能關(guān)系到駕駛員及乘客的生命安全，是汽車行駛的重要保障。真空助力制動系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)助力器真空腔內(nèi)的氣壓值，與大氣形成一定的壓力差，輸出制動助力，因此真空腔內(nèi)必須保證充足的真空度[1]。燃油車的制動系統(tǒng)主要從發(fā)動機處獲得真空源從而使得真空助力器為駕駛員提供輔助制動作用。近年來，隨著混合動力及純電動汽車的發(fā)展，新能源汽車發(fā)動機不能全時工作，無法隨時保障足夠的真空來源，電子真空泵(簡稱EVP)便取代發(fā)動機進氣歧管，為汽車真空助力制動系統(tǒng)提供主要真空源。電子真空泵工作狀態(tài)存在對車內(nèi)噪聲水平影響過大的問題[2–4]。
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，NVH 性能日益受到制造商和消費者的重視和關(guān)注[5–8]。因此,研究電動汽車電子真空泵對車內(nèi)噪聲的影響機制，降低真空泵導(dǎo)致的振動噪聲問題尤為必要。
本文針對某型電動車型在供電狀態(tài)踩踏制動踏板后真空泵工作引起車內(nèi)噪聲過大的問題，采用 LMS Test. Lab 軟件的 Signature Testing 模塊和 Impact Testing模塊進行試驗分析，并結(jié)合模態(tài)仿真數(shù)據(jù)，對真空泵及支架結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化措施，改善車內(nèi)噪聲的水平。

01 制動真空泵原理

第2期 電動車制動真空泵對車內(nèi)噪聲影響機制分析 115

制動真空泵又稱為制動真空助力器，主要用于輔助汽車制動性能。真空助力制動系統(tǒng)工作簡圖見圖1，真空泵一端與制動踏板相連，另一端與液壓制圖 1 制動系統(tǒng)工作簡圖動主缸相連，當汽車需要制動時，駕駛員施予制動踏板的力經(jīng)真空助力器放大后，推動液壓制動主缸活塞進行制動，最后，制動分泵由活塞推動車輪制動片夾緊制動盤，從而實現(xiàn)制動功能[2]。
對于傳統(tǒng)燃油車，真空助力泵自身的真空環(huán)境由動力系統(tǒng)提供。當發(fā)動機工作時，進氣歧管能夠產(chǎn)生很高的真空度，因此較為傳統(tǒng)的方式是從進氣歧管處引出一根氣管通向真空助力器，源源不斷提供真空源。但對于新能源汽車，由于沒有進氣系統(tǒng)為真空泵提供足夠的真空環(huán)境，因此管路的另一端由進氣歧管端部更換為電子真空助力泵，當傳感器檢測到助力器真空度不足時，電子真空助力泵開始工作維持真空環(huán)境，通過這樣的方式，確保真空助力器能夠像原先一樣為駕駛員提供輔助制動功能。
制動真空泵一般通過螺栓與支架裝配固定到車上。通常，真空泵雙肩部位通過安裝螺栓與真空泵支架相連，螺栓與安裝支架間加裝橡膠皮墊，真空泵支架再由安裝螺栓連接至車身相應(yīng)位置。

02真空泵對車內(nèi)噪聲的影響機制
2.1真空泵對車內(nèi)噪聲的影響

某型電動汽車制動真空泵實物照片見圖2，該真空泵采用L型支架安裝固定到汽車相應(yīng)位置。

圖 2 某電動車型搭載的電子真空泵形式
試驗過程中主觀感知，樣車在供電狀態(tài)踩下制動踏板后車內(nèi)噪聲明顯增大?？紤]到踩下制動踏板后，電子真空泵開始工作，推測電子真空泵工作增大了車內(nèi)噪聲。通過試驗采集得到樣車背景噪聲（即供電時未踩下制動踏板，真空泵處于不工作狀態(tài)時的噪聲）與供電時踩下制動踏板，真空泵處于工作狀態(tài)時駕駛員右耳處的車內(nèi)噪聲，對比曲線見圖3。根據(jù)圖3可知，真空泵工作狀態(tài)下車內(nèi)噪聲在 63 Hz、125 Hz、191 Hz處存在明顯峰值成份，車內(nèi)轟鳴聲嚴重。

圖 3 真空泵未工作狀態(tài)與工作狀態(tài)車內(nèi)噪聲對比
目標車型的電子真空泵工作轉(zhuǎn)速為 3 300 r/min，實測激勵基頻為61 Hz，與問題頻率一致。試驗結(jié)果進一步確定電子真空泵對車內(nèi)噪聲峰值具有重要影響。以下將探討電子真空泵對噪聲影響的機制，從而為降噪提供指導(dǎo)。

2.2噪聲源及傳遞路徑分析

電子真空泵作為前述車內(nèi)噪聲問題的噪聲源，本體噪聲來源主要包括電機轉(zhuǎn)速及其自身噪聲、軸承油隙等引起的運動不平衡、葉片材料及與氣腔間的摩擦、泵體空氣流道的光潔程度、排氣通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電壓電流的不穩(wěn)定、電磁噪聲等。其中，與泵體相關(guān)的噪聲是噪聲源分析中需要重點考慮的因素。
制動真空泵的工作噪聲主要由以下2種途徑傳遞到車內(nèi)：
1.空氣輻射制動真空泵工作時發(fā)出的噪音，由空氣輻射，分別經(jīng)發(fā)動機艙與駕駛艙之間的防火墻位置和車門、車窗縫隙處透射到車內(nèi)。
2.結(jié)構(gòu)傳聲制動真空泵工作時所產(chǎn)生的振動及噪音，經(jīng)由安裝支架等結(jié)構(gòu)傳遞，通過結(jié)構(gòu)傳聲至車內(nèi)，被車內(nèi)人員所感知。
根據(jù)上述傳遞路徑，分別對真空泵在 63 Hz、125 Hz、191 Hz頻率附近的車內(nèi)噪聲問題進行分析。

2.3真空泵本體及支架固有頻率分析

首先對與車體分離狀態(tài)下的真空泵本體及支架的固有頻率進行分析，判斷是否存在噪聲與振動的耦合現(xiàn)象。進行試驗測試得到與車體分離狀態(tài)下的真空泵及支架的頻響函數(shù)曲線，見圖4。

激勵真空泵本體得到的主頻率為30 Hz，激勵支架得到的主頻率為55 Hz，2階頻率為110 Hz，且以X 向振幅較高。其中，支架55 Hz、110 Hz頻率與車內(nèi)噪聲峰值對應(yīng)的63 Hz、125 Hz較為接近。

采用有限元軟件，分析了真空泵L型支架約束

116 噪 聲 與 振 動 控 制 第39卷

圖 4 真空泵及支架與車體斷開狀態(tài)頻響函數(shù)曲線

狀態(tài)下的固有頻率特性，振型見圖5。

圖 5 真空泵L型支架模態(tài)仿真結(jié)果

分析結(jié)果表明，約束狀態(tài)下真空泵支架的1階頻率為64 Hz，2階頻率為122 Hz。推測真空泵支架固有頻率與真空泵在工作狀態(tài)時的63 Hz、125 Hz附近頻率存在明顯的局部共振，進而在相應(yīng)頻率附近引發(fā)車內(nèi)明顯的輻射噪聲。

2.4真空泵的振動噪聲傳遞特性分析

通過試驗對真空泵工作狀態(tài)下本體的振動噪聲特性進行分析，同時分析真空泵到連接支架的振動衰減程度，以及傳向車內(nèi)的噪聲分布情況[8]。試驗得到真空泵振動噪聲的傳遞特性見圖6。

從測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，真空泵本體在X向和Y向的振動遠大于Z向，且到安裝支架的振動衰減較快，傳向支架的力較小。在191 Hz頻率處安裝支架Z向的振動幅值高于真空泵本體的振動幅值，振動呈增大的趨勢。幅值對比結(jié)果表明 191 Hz 頻率處車內(nèi)噪聲以結(jié)構(gòu)傳聲為主。

為診斷車內(nèi)噪聲的傳遞路徑，將真空泵的連接支架與車身斷開，在車體供電時踩下制動踏板，在真空泵工作狀態(tài)測試得到車內(nèi)噪聲的變化情況，3個峰值對應(yīng)的駕駛員右耳旁噪聲對比見表2。

表中數(shù)據(jù)表明：在真空泵與車體斷開狀態(tài)，在 191 Hz處車內(nèi)噪聲明顯降低，噪聲聲壓級減小約20 dB(A)；在63 Hz、125 Hz處車內(nèi)噪聲無明顯降低，相反在63 Hz處車內(nèi)噪聲有略微增大的趨勢。對比結(jié)果說明63 Hz、125 Hz頻率對應(yīng)的車內(nèi)噪聲以空氣輻射噪聲為主，191 Hz處對應(yīng)的車內(nèi)噪聲以結(jié)構(gòu)傳聲為主。

根據(jù)分析結(jié)果可知，目標車型真空泵的本體噪聲及固定方式對車內(nèi)噪聲具有重要影響，且主要影響頻率為 63 Hz、125 Hz 和 191 Hz。其中，63 Hz 和 125 Hz處以空氣輻射噪聲為主；191 Hz處以結(jié)構(gòu)傳聲為主。

03改進方法與試驗驗證

針對前述問題，以下將分別從空氣傳聲、結(jié)構(gòu)傳聲2個方面進行改進并開展試驗驗證。

圖 6 電子真空泵振動噪聲的傳遞特性

3.1空氣傳聲改進

在真空泵支架與車身斷開狀態(tài)，將真空泵外側(cè)包裹阻尼片。通過試驗對比包裹阻尼片前后車內(nèi)駕駛員右耳旁噪聲的變化情況，分析結(jié)果見表3。

表 3 包裹阻尼片前后駕駛員右耳處噪聲值對比/dB(A)

頻率/Hz

初始值

改進值

下降

63

125

23.60

25.98

18.27

19.03

5.33

6.95

測試結(jié)果表明：在63 Hz、125 Hz附近車內(nèi)噪聲峰值有明顯降低，減小約6 dB(A)左右，說明包裹阻尼材料可以有效降低車內(nèi)空氣輻射噪聲。

3.2結(jié)構(gòu)傳聲改進

采用L型支架固定真空泵時，支架與真空泵整體處于懸臂狀態(tài)。為增大結(jié)構(gòu)約束剛度，考慮將L 型安裝支架改進為U型支架，使得支架與真空泵整體處于兩端固支狀態(tài)。

為驗證改進方案的可行性，首先，采用有限元軟件，分析了U型支架在約束狀態(tài)下的固有頻率特性，模態(tài)分析振型見圖7。在質(zhì)量相當?shù)那闆r下，U型支架固有頻率為 76 Hz，相比 L 型支架，約提升 18.75 %。說明采用U型支架固定安裝真空泵時，可以提升整體的結(jié)構(gòu)剛度。

圖 7 真空泵U型支架模態(tài)仿真結(jié)果采用U型支架安裝固定真空泵的方法見圖8。

圖 8 U型支架與真空泵連接實物照片

采用L型支架與U型支架時問題頻率處的振動幅值變化情況見表4。

表 4 采用L型與U型支架時振動對比/(m?s-2)

相比L型支架，采用U型支架后，在200 Hz附近噪聲有明顯降低，減小約5.7 dB(A)；63 Hz附近噪聲約降低4.8 dB(A)。測試結(jié)果表明采用U型支架固定安裝真空泵的改進方案是合理的。

04結(jié)語

針對某電動樣車在供電狀態(tài)踩踏制動踏板真空泵工作時車內(nèi)噪聲過大的問題，鎖定問題根源是由制動真空泵振動噪聲引起。首先，闡釋了真空泵對車內(nèi)噪聲的影響機制。同時，結(jié)合試驗和仿真方法進行振動噪聲源及傳遞路徑分析，提出了將真空泵包裹阻尼材料降低空氣輻射噪聲、合理更改支架結(jié)構(gòu)增大安裝剛度減小結(jié)構(gòu)傳遞噪聲的有效方案，并進行了試驗驗證，解決了制動真空泵工作時對車內(nèi)噪聲影響過大的問題。本文的工作為相似問題的解決提供了指導(dǎo)。