摘 要

隨著市場(chǎng)法規(guī)對(duì)汽車排放和安全性要求越來(lái)越嚴(yán)格，塑料油箱被廣泛地應(yīng)用于乘用車開(kāi)發(fā)之中，同時(shí)市場(chǎng)用戶對(duì)油液晃動(dòng)引起的車內(nèi)振動(dòng)噪聲問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注，常常會(huì)引起市場(chǎng)抱怨。本文以某緊湊型轎車的油液晃蕩問(wèn)題為案例，系統(tǒng)性地進(jìn)行整車振動(dòng)噪聲測(cè)試分析與排查，結(jié)合晃動(dòng)等效動(dòng)力學(xué)模型，闡述了潛在機(jī)理，并提出了具體的工程控制措施與解決思路。同時(shí)，本文通過(guò)傳遞路徑的方案優(yōu)化，降低了油箱晃動(dòng)激勵(lì)到車內(nèi)的傳遞，顯著改善了車內(nèi)的晃蕩問(wèn)題，提升了駕駛的舒適性這為指導(dǎo)解決塑料油箱晃動(dòng)引起的整車振動(dòng)噪聲問(wèn)題，提升燃油系統(tǒng)NVH性能的集成開(kāi)發(fā)能力，有較重要的工程參考意義。

關(guān)鍵詞：塑料燃油箱；油液晃動(dòng)；傳遞路徑；防浪板NVH

中圖分類號(hào)：U464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者：張軍、尚飛、楊林鋼、董海威

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司,浙江寧波，315336）

1 引言

由于塑料油箱具備空間設(shè)計(jì)利用率高，材料可回收率高、輕量化、耐腐蝕、耐沖擊、低燃油滲漏量、耐久可靠、高生產(chǎn)效率和低熱傳導(dǎo)等優(yōu)點(diǎn)，以及市場(chǎng)法規(guī)對(duì)汽車排放和安全性要求也越來(lái)越嚴(yán)格。因此，塑料油箱被廣泛地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)乘用車開(kāi)發(fā)之中。同時(shí)，隨著動(dòng)力傳動(dòng)NVH性能水平的整體提高，以及市場(chǎng)用戶對(duì)汽車舒適性越來(lái)越關(guān)注，燃油箱油液晃動(dòng)引起的車內(nèi)噪聲問(wèn)題就被凸顯出來(lái)。尤其是對(duì)于HEV、PHEV和REEV等新能源車型而言，由于起步與低速行駛工況的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出力矩大、噪聲小，整車的油液晃蕩問(wèn)題就更明顯。

液體晃動(dòng)是在自由液面的液體在有限空間內(nèi)，在外部或內(nèi)部物理化學(xué)等擾動(dòng)激勵(lì)下，發(fā)生的流固耦合復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形態(tài)，具有較強(qiáng)的非線性、不穩(wěn)定性和非周期性。H.H.Abramsonde等[1]詳細(xì)描述了對(duì)航天器液體晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)的研究、發(fā)展和應(yīng)用情況；GrahamE.W.[2]基于勢(shì)流理論方法，建立了小幅液體晃動(dòng)的等效力學(xué)模型；QuFang等[3]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試方法，在燃油箱內(nèi)填充網(wǎng)狀聚氨酯泡沫材料，提高了防火抑爆水平，并降低了油液沖擊晃動(dòng)的影響。在汽車行業(yè)內(nèi)，Agawane等[4]設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)裝置，研究了矩形箱內(nèi)液體晃動(dòng)噪聲的產(chǎn)生和傳播；屠翔宇等[5]基于整車OTPA傳遞路徑模型，分析了結(jié)構(gòu)路徑的振動(dòng)加速度頻譜和傳遞函數(shù)頻譜特征；Chitkara等[6]通過(guò)VOF方法建立了不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的汽車油箱晃動(dòng)計(jì)算模型，對(duì)比研究了不同充液率和加速度下的燃油晃動(dòng)特性；張?jiān)史錥7]提供了幾種缺陷汽車油箱結(jié)構(gòu)形式，以及燃油晃動(dòng)異響的解決方法。

本文針對(duì)于某緊湊型轎車的油液晃蕩問(wèn)題，系統(tǒng)性地進(jìn)行整車振動(dòng)噪聲測(cè)試分析與排查，結(jié)合有限空間的自由液面等效動(dòng)力學(xué)模型，闡述了油箱晃動(dòng)導(dǎo)致車內(nèi)振動(dòng)噪聲問(wèn)題的潛在機(jī)理，提出了具體的工程控制措施與解決思路，并通過(guò)傳遞路徑的優(yōu)化，顯著地改善了車內(nèi)感知的油箱晃蕩噪聲問(wèn)題，提升了駕駛舒適性水平。

2 問(wèn)題描述與分析排查

某緊湊型轎車在起步前進(jìn)或倒退工況，以及行駛制動(dòng)過(guò)程中，車內(nèi)駕乘人員能夠感知到燃油箱內(nèi)的“咚咚”油液晃蕩聲音，尤其在后排更為明顯。由于駐車時(shí)車內(nèi)總體噪聲量級(jí)較低，并且沒(méi)有路噪和風(fēng)噪等聲音的掩蔽作用，這種不平穩(wěn)的晃蕩聲會(huì)影響駕乘人員對(duì)車型性能質(zhì)量的感知，容易產(chǎn)生不安全感，可能導(dǎo)致市場(chǎng)用戶的抱怨。

2.1?油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

該車型燃油箱采用高密度多層共擠成型的塑料油箱，容積50升，通過(guò)左/右兩條綁帶固定在地板中部，采用橫向布置形式，綁帶與車身采用四顆螺栓進(jìn)行固定連接，油箱上體表面與地板之間有多個(gè)EPDM材質(zhì)的橡膠隔振墊，油箱內(nèi)部無(wú)防浪板和哈夫管等增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。燃油箱的安裝結(jié)構(gòu)與整車的坐標(biāo)系設(shè)置，如圖1所示。

圖1燃油箱的安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與坐標(biāo)系設(shè)置

2.2?整車晃蕩聲的測(cè)試方法

經(jīng)主觀評(píng)價(jià)與反復(fù)排查，發(fā)現(xiàn)在燃油箱油量1/2以上時(shí)的倒擋起步工況，油液的晃蕩聲最為明顯，后排右側(cè)乘客甚至能察覺(jué)到座墊的前后晃動(dòng)感。所以，為了分析此噪聲特征與潛在的傳遞路徑，在燃油箱底部殼體布置加速度振動(dòng)傳感器，以及在油箱底部和車內(nèi)分別布置麥克風(fēng)，并通過(guò)CAN總線采集車速和制動(dòng)壓力等信息。整車測(cè)試的各傳感器布置示意圖與坐標(biāo)系的設(shè)置，如圖2所示。

整車測(cè)試方法是在油箱加注3/4油量之后，在平直光滑路面上，車輛靜置情況下，松開(kāi)制動(dòng)踏板車輛加速到2km/h以內(nèi)，再急踩制動(dòng)踏板到停車，多次循環(huán)地進(jìn)行倒車制動(dòng)操作，同步地測(cè)試與采集各通道的聲音振動(dòng)等信號(hào)。

(a)油箱近場(chǎng)麥克風(fēng)與振動(dòng)傳感器（b）車內(nèi)后排麥克風(fēng)

圖2整車測(cè)試的傳感器布置圖

2.3?基于整車的晃蕩聲測(cè)試與評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

通過(guò)對(duì)晃蕩聲頻譜特征和音頻回放的分析，以及基于實(shí)車主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的反復(fù)對(duì)比研究，采用聲音響度指標(biāo)能夠較準(zhǔn)確地反映出人耳對(duì)油液晃蕩聲的主觀感知水平。如圖3所示，根據(jù)車內(nèi)后排麥克風(fēng)、車速和制動(dòng)壓力的測(cè)試分析結(jié)果，可以清晰地識(shí)別出晃蕩聲的瞬態(tài)時(shí)域特征，包括沖擊次數(shù)與量級(jí)水平等。

從車輛倒擋起步到制動(dòng)停止的狀態(tài)，由于慣性載荷的作用，油箱內(nèi)油液產(chǎn)生復(fù)雜的流固耦合運(yùn)動(dòng)，從而引起晃蕩噪聲。如圖2(a)所示，因?yàn)椴僮鬟^(guò)程的不同，以及車輛速度與制動(dòng)壓力的偏差，所測(cè)試的晃蕩聲次數(shù)和幅值大小也有一些差異。但總體而言，每次測(cè)試過(guò)程中，車內(nèi)可以感知到3~5次的沖擊噪聲，并且前幾次的晃蕩聲較明顯，而最后一次的響度幅值較小。

圖3車內(nèi)后排晃蕩聲的時(shí)頻測(cè)試分析

2.4?車內(nèi)/外噪聲的測(cè)試對(duì)比分析

如圖4(a)所示的噪聲時(shí)頻測(cè)試分析對(duì)比，車內(nèi)/外都存在晃蕩聲的瞬態(tài)沖擊特征，其窄帶頻率范圍大致分布在1200赫茲以內(nèi)。與車外的噪聲相比，車內(nèi)的高頻背景噪聲明顯降低，因此，車內(nèi)晃蕩沖擊特征就更顯著，就更容易被駕乘人員所感知。如圖4(b)所示，在車輛穩(wěn)態(tài)工況下，車內(nèi)聲壓級(jí)比車外約低于30dB(A)左右；而在發(fā)生油液晃蕩時(shí)，車內(nèi)與車外的聲壓級(jí)相差不到20dB(A)，尤其是對(duì)于第2次或第3次的晃蕩噪聲峰值，車內(nèi)/外的聲音衰減量約在15dB(A)以內(nèi)，其原因與整車“結(jié)構(gòu)聲”傳遞路徑有較大關(guān)系。

圖4車內(nèi)/外的噪聲時(shí)頻測(cè)試分析對(duì)比

2.5?油箱振動(dòng)與車內(nèi)晃蕩聲的時(shí)域相關(guān)性分析

如圖5所示，根據(jù)車內(nèi)噪聲與油箱振動(dòng)的時(shí)頻域測(cè)試對(duì)比分析，可以得出：（1）油箱殼體X向振動(dòng)波形變化與車內(nèi)噪聲的一致性較高，這與制動(dòng)過(guò)程中慣性力載荷的作用方向相同，振動(dòng)和噪聲波形都呈現(xiàn)出低頻特征；（2）油液晃動(dòng)運(yùn)動(dòng)主要是以整車X方向的往復(fù)流動(dòng)，而對(duì)油箱殼體Y向和Z向的振動(dòng)沖擊激勵(lì)較?。唬?）油箱殼體X向和Z向的振動(dòng)瞬態(tài)沖擊峰值出現(xiàn)在油液晃動(dòng)過(guò)程的末期，而對(duì)車內(nèi)噪聲的影響比較輕微，這可能與表面自由層的飛濺形態(tài)相關(guān)，油箱壁面受到?jīng)_擊產(chǎn)生的頻率特征將分布在寬頻范圍。

圖5車內(nèi)噪聲與油箱振動(dòng)的時(shí)域相關(guān)性分析

3 結(jié)油液晃蕩機(jī)理與傳遞路徑分析論

3.1?油液晃蕩現(xiàn)象的潛在機(jī)理

車輛在倒擋起步后的制動(dòng)過(guò)程中，部分充液的燃油箱在整車慣性載荷的作用下，將會(huì)發(fā)生流體晃動(dòng)現(xiàn)象。在特定的邊界條件下，油箱油液晃動(dòng)能量較大，可能出現(xiàn)復(fù)雜的拍擊、擠壓、翻卷和飛濺等流固耦合動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，并具有一定的隨機(jī)性和非線性特征。這種油箱內(nèi)自由液面的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，通過(guò)與車身的安裝方式傳遞到車內(nèi)，可能引起駕乘人員可感知的晃動(dòng)和噪聲問(wèn)題。因此，影響油液晃蕩問(wèn)題的因素就有很多，不僅僅與油液密度、粘度、可壓縮性和表面張力等流體屬性相關(guān)，還與油箱表面形狀拓?fù)洹⒂拖淝?后板傾角、油箱高度與長(zhǎng)度的尺寸比例、材料類型、容積大小和充液量，以及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等有直接關(guān)系，此外還與制動(dòng)力控制和懸架動(dòng)態(tài)特性等慣性載荷激勵(lì)相關(guān)。根據(jù)在運(yùn)載、衛(wèi)星、船舶和大型罐車等運(yùn)載工具研制中解決有限空間液體晃動(dòng)問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)理論，可以建立汽車燃油箱油液晃蕩的等效動(dòng)力學(xué)模型，如圖6所示，這對(duì)于油箱油液穩(wěn)定性控制及內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都具有較重要的指導(dǎo)意義。

圖6車內(nèi)噪聲與油箱振動(dòng)的時(shí)域相關(guān)性分析

上圖中，L和H為油箱前/后長(zhǎng)度和高度，