电动燃油泵振动噪声的分析与控制
为了对汽车燃油泵的振动噪声进行分析与控制，文章结合噪声、振动与声振粗糙度（NVH）实验与仿真模拟分析，通过 NVH 实验（Artemis/LMS）调查引起车内噪声振动的机理，利用仿真模拟（Altair OptiStruct）分析搭载燃油泵的车身结构动态特性，仿真关键路径精细分析车身工作变形模态（ODS）与节点贡献量（GPA），为燃油泵振动噪声的优化提出可行性方案。NVH 实验与仿真模拟分析结果表明：1）车辆怠速鼓噪声@100 Hz 与拍频噪声机理：燃油泵工作频率与整车怠速发动机八阶频率耦合发声；2）车辆常用电动燃油泵转子动平衡控制方法不完善，导致动平衡精度缺失，常引起燃油泵工频及谐频振动；3）通过试验与仿真结合快速定位车身薄弱位置，优化车身振动传递灵敏度 3 dB，改善整车怠速燃油泵鼓噪声5 dB(A)。文章详述 NVH 实验与仿真模拟结合分析方法，提出了抑制汽车燃油泵振动噪声的有效方案，提高车辆驾乘舒适性，研究结果为汽车电动燃油泵振动噪声控制提供了技术支撑。 燃油泵是汽车供油系统的核心部件，在轻量化研发趋势下，目前乘用车广泛应用离心式电动燃油泵。离心式电动燃油泵转子由电机转子与叶轮两部分构成，为实现经济供油，其额定工作转速一般设计在高转速区间：5000～10000r/min。工程实际中，汽车燃油泵动平衡质量检测工况一般在2000～3000r/min之间，已经较大偏离工作区间；并且只对燃油泵电机转子进行动平衡检测，对燃油泵叶轮及转子总成缺少控制，这些导致燃油泵总成动平衡精度缺失，良品率下降，不可避免引起整车燃油泵鼓噪声与拍频噪声，因此，控制与优化燃油泵振动噪声成为重要课题。
其次，目前对汽车燃油泵振动的控制一般停留在学术研究层面[1]，在缺少工程实践与应用的情况下，很难将学术研究成果转换为落地工程方案。对燃油泵振动噪声特征进行深入研究，为汽车燃油系统的振动噪声控制有较大的工程实用价值；采用噪声、振动与声振粗糙度（Noise,Vibration,Harshness,NVH）实验与仿真模拟相结合的方法分析，为车辆NVH性能优化提供指导性依据[2-3]。NVH试验能够直接剖析机械本体振动与噪声特征，仿真模拟分析能够对NVH优化验证进行快捷指导，本文结合应用Artemis/LMS与AltairOptiStruct软件，对燃油泵本体振动与噪声特征进行剖析，从控制噪声源与传递路径方面进行优化验证分析，得到了燃油泵振动噪声控制与优化的指导方法，并提出适用性较强的工程优化方案，对燃油泵振动噪声控制研究有重要意义。 汽车燃油泵安装于燃油箱内，本文应用Artemis/LMS数据采集系统实现燃油泵NVH实验，主要包含： 第一，测量整车怠速工况下，燃油泵本体及驾驶室内的振动噪声； 第二，测量整车燃油泵外部供电状态下，燃油泵本体及驾驶室内的振动噪声； 第三，测量燃油箱结构动态特性，即燃油箱模态特征及安装点结构特性。针对燃油泵NVH试验研究内容，燃油泵NVH试验测点布置及测量系统布置详见图1。 本文应用Artemis采集整车怠速工况、整车外部供电稳态工况以及整车外部供电加速工况下燃油泵的振动与噪声，测试结果如下： 1）图2(a)实线为整车怠速工况燃油泵振动噪声水平，驾驶室内前排107Hz噪声达32dB(A)，后排噪声水平达标，前排超目标水平（25dB(A)）后，车内主观感受明显鼓噪声； 2）图2(b)为燃油泵外部供电加速工况（0～15V）下的振动噪声水平，驾驶室内前排噪声在107Hz附近有明显的共振带能量，车内后排噪声 及燃油箱振动在107Hz处共振带能量均不明显。另外，瀑布图中高频共振带是回油量较大时的宽频噪声，整车正常运行时不会产生此现象。
本文应用LMS对燃油箱模态、燃油箱安装点的动刚度（LocateDynamicStiffness,LDS）与噪声传递函数（NoiseTransferFunction,NTF）进行测量，测量结果见图3。 2）燃油箱前安装点LDS为2200N/mm，后安装点LDS为5300N/mm，左右水平基本相当； 3）燃油箱安装点在108Hz附近的NTF，右前安装点达到65dB，其他三个安装点低于55dB。测量结果表明燃油泵及燃油箱本体在107Hz附近不存在本体模态，燃油箱安装点动刚度水平没有明显缺陷，燃油箱右前安装点NTF差，是车内鼓噪声的重要传递路径，需找到车身薄弱位置。
本文应用AltairOptiStruct对搭载燃油泵的整备车身（TrimmedBody,TB）进行关键路径仿真分析，找到该问题车身设计薄弱部位，并确定提升车身灵敏度的最佳方案。TB关键路径仿真与试验对标，对标结果在90～170Hz频段内校核误差在3%以内，仿真模型精度可信。 仿真模拟TB在燃油箱右前安装点单位力的作用下，TB声腔内的响应在流固耦合界面上的每个节点贡献量（GridParticipationAnalysis,GPA），结果见图4，后排座椅地板是对车内噪声贡献量最大的区域。进一步仿真分析TB钣件工作变形模态 阵型（OperatingDeflectionShapes,ODS），见图5，后地板燃油泵安装区域存在工作弯曲模态，且模态反节点位置落在燃油箱右侧安装点区域。 根据GPA与ODS分析，驾驶室中地板右侧区域存在工作变形模态，且对驾驶室噪声贡献量最大，需要对该区域进行避频降幅。仿真进行多轮模拟优化分析，包括加强燃油箱安装点结构、加厚中地板钣金等，均对燃油箱右前安装点NTF中的104Hz附近有改善作用，其中在后地板增加梁结构形式（见图6）对NTF改善最为明显，仿真分析快速锁定车身最优方案。 根据仿真模拟优化方案，在后地板燃油泵安装口附近区域手工实施加强梁，见图7，整车怠速主观驾驶室内鼓噪声可接受，客观数据改善5dB，达到目标水平，手工方案有效；进一步测量整车燃油泵外部供电加速工况（0～15V），驾驶室内前排噪声在107Hz处共振带明显变弱，见图8。
通过对燃油泵振动噪声的NVH实验与仿真分析，得出以下主要结论：
1）受燃油泵转子动平衡质量影响，燃油泵易产生较大的工频振动，并与发动机怠速谐频耦合，引起驾驶室内鼓噪声，严重时会形成拍频噪声； 2）针对电动燃油泵后置车型，加强车身燃油泵安装口区域结构，可有效降低油箱安装点噪声传递灵敏度，从而改善实车驾驶室内100Hz/200Hz鼓噪声； 3）NVH试验与仿真模拟结合分析，能够剖析车辆振动噪声机理，同时对车身结构噪声进行高效寻优方案，快速实现工程优化方案落地。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-06-25
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