乘用车电动真空泵引起的噪声优化

尹文文 黄家胜 颜勇

摘 要：为了提供一种优化乘用车用叶片式电动真空泵工作引起的噪声的思路方法，给出了一款配备智能式发电机供电装置的SUV车型驾驶室内感知到的真空泵噪音表现，并对此噪音进行分析与优化的实际案例。

关键词：电动真空泵;气动噪声;异响;智能式发电机;真空助力装置

1 引言

随着车辆市场日趋饱和，人们对车辆的要求日益提升，在功能满足需求的前提下，对整车感知品质的要求越来越苛刻，对普通客户来说，由发动机、电机等零部件带来的工作噪音首当其冲成为关注焦点。与此同时，节能环保的理念也越来越深入人心，智能式发电机就是很好的应用实例，旨在根据不同的用电负载调整供电电压以节约发动机能耗。那么，对于工作条件要求电压稳定的电动真空泵来说，其工作噪音会有什么表现？本文结合一个实际例子进行了分析与优化改善。

2 电动真空泵应用及工作原理

传统燃油车真空助力系统需求的真空度来源有两处，一是发动机进气歧管处真空度，二是电动真空泵供给真空度，见图1。

真空助力器通过真空助力软管连接至发动机进气歧管和电动真空泵，此两端管路上分别布置有单向阀，发动机进气歧管端单向阀为常开阀，此常开阀将真空助力器后腔与发动机进气歧管处于连通状态。发动机启动后，进气歧管内的真空度直接供给至助力器前腔。电动真空泵端单向阀为常闭阀，在电动真空泵处于非工作状态时，将真空助力器前腔与电动真空泵排气端大气压隔绝。为满足制动功能的正常使用，真空助力器为伺服真空装置，这要求即便车辆当前未进行制动，也需在真空助力器腔体内保持足够的真空度储备。结合上述连接结构可知，伺服真空度优先由发动机进气提供，通常要求伺服真空度为-66.7KPa，但随发动机转速和负荷变化，或进行多次制动后助力器内部真空度消耗过快，发动机进气真空度无法满足此伺服真空度要求时，ECU控制电动真空泵电源回路接通，真空泵开始工作，此时进气歧管端常开单向阀因为气压差而关闭，电动真空泵端连接的常闭单向阀打开，开始对真空助力器腔体抽真空，当真空度达到要求值后真空泵停止工作。

真空泵内部工作原理为：真空泵接插件与电源接通后，由电磁感应物理原理驱动电机转动，电机输出端压装的联轴器带动泵轴转动，泵轴带动滚圈转动。叶片泵为偏心设计，在离心力作用下，叶片转动之后与壳体内壁形成不同面积的气室，靠近进气口位置面积逐渐增大，到排气口位置时气室面积逐渐减小，从而将进气孔处空气扫除到排气孔排出，最终形成进气管内真空度。下图2是海拉三个型号真空泵内部结构爆炸图，可供参考（图片来自网络）。

3 电动真空泵单体噪音要求及影响因素

目前各大主机厂使用的电子真空泵主要来自于德国海拉，其次是韩国永信，宁波拓普也在近两年拓展到真空泵供应业务，此外还有几家国产供应商，但市场份额较小，电子真空泵的一些技术规范和标准多来自于海拉电动真空泵。在噪音方面，企业一般要求辅助式电动真空泵单体噪音≤70dB，独立式电动真空泵要求单体噪音≤76 dB，此噪音要求值有在近一两年内做过提升。近场噪音试验需在半消音室进行，在测量前真空泵应在规定温度下放置2小时，通常主机厂会给定测试环境温度范围，然后用1m长的橡胶管将真空泵连接到真空灌上。根据真空泵容量不同，选用的真空罐容量不同，通常辅助式电动真空泵试验配备的真空罐为3.2L，独立式电动真空泵配备的真空罐为5.0L，在X、Y、Z三个方向1.5m处布置声级计，测得平均声压级满足标准规定方算噪音测试合格。

由所规定的测试条件可知，电动真空泵噪音会随温度发生变化，这是毋庸置疑的，否则也不会将环境温度纳为试验控制条件。根据以往试验情况来看，当温度由室温上升至90摄氏度时，真空泵单体近场工作噪音将上升1～2dB。体现在整车上，若機舱隔音性能较差，在单体噪音偏上限的情况下，真空泵单体工作噪音上升1～2dB在驾驶时会听到明显的真空泵噪音，给客户较差的用车体验。

目前电动真空泵普遍使用的是有刷直流电机，其工作稳定性及噪声水平随电压变化而发生变化。在电压恒定时，电机的工作稳定性主要与电机额定转速、换向器槽宽、磁钢片充磁饱和度等相关，工作噪声主要与转子动不平衡、联轴器压装质量、碳刷质量、换向器加工质量等相关，就此方面技术设计而言，皆已是成熟技术，真空泵品质主要体现在企业技术条件的完善程度及生产控制的一致性方面，比如真空泵工作时叶片与端盖内壁的间隙有没有得到有效控制可以将真空泵品质直接划分不同等级。而随着智能化、节能控制的发展，智能式发电机的应用越来越多，其主要意图是根据整车用电负载调整电压，避免产生冗余，致使过多的发动机能耗，而这同时意味着用电器的电源电压处于被智能调控的状态，这个过程中用电器的工作电压在满足用电器正常工作的前提下，是随整车用电负载的变化而变化的，若真空泵在驾驶室内感知的噪音较大，同时其工作电压处于变化状态，则会让驾驶员感觉在真空泵工作的开始到结束的过程中工作噪音频率变化，主观感知体验差，很容易让客户误解为异响，引起抱怨。图3是一款SUV车型真空泵工作电压与智能发电机调控下的电源电压变化关系，纵坐标为电压（V），横坐标为时间（s），图4、图5分别是智能式发电机未介入与介入时的真空泵振动频率测试图像：

显然，在智能发电机将供电电压由12.8V提升调节至14.5V的过程中，真空泵的工作电压与其同步变化，同时，在电压调节至稳定状态后，若用电负载增加会使电压产生波动，由此产生的电压变化引起成真空泵电机噪音频率变化。以增加空调负载为例，在AC OFF、车辆怠速稳定状态时，监控5S时间，真空泵工作最大电压与最小电压差值为0.07V，噪音频率变化值为15Hz;在AC ON开启过程中监控5S时间，真空泵工作最大电压与最小电压的差值是1.9V，噪音频率变化值达到92.7Hz。同时，由于电压升高，真空泵功率增大，电机输出转矩有所增大，或导致叶片对真空泵端盖内壁的产生刮擦碰撞，加剧噪音异常表现。

4 驾驶室内感知到的真空泵噪声类型

根据真空泵的工作原理和其设计结构可知，其噪声组成包括电磁噪声、机械噪声、空气动力噪声，其中电磁噪声主要来自定子部分，电机内部空隙中的脉动磁场引起定子及与其固连的机体产生低频振动，相对于定子，转子在此情况下的振动影响较小;机械噪声主要由轴承、电刷-换向器工作，以及转子动不平衡量引起，而后者是电机噪音的主要声源。电机工作过程，内部各组件之间的摩擦碰触、不平衡量等综合产生机械噪音，此部分噪音产生的原因很多，也更复杂。以上两种噪声主要通过结构传播。而空气动力噪声产生于真空泵内腔和真空助力器腔体之间通过真空管路连接形成的气流压力变化，以及内部气流在管壁、腔体之间形成的涡流运动。为提出有效的噪音改善措施，我们需明确机舱内驾驶员耳畔听到的影响最大的噪音属于哪部分噪声，主要以何种方式传播。通过取消/增加减振垫、调整真空泵电机转速、在真空管外围增加damper、排气口增加消声结构等方法实车验证，结果表明试验车驾驶舱内感知到的真空泵噪声主要为空气动力噪声，真空助力器腔体对此噪声有放大作用，但无明显共振现象，驾驶员右耳旁实测噪音声压级在38dB左右，此噪声主要通过空气介质及真空通道传播至驾驶室内，而电机运转产生的机械噪声已经通过减振垫衰减，加之真空泵布置位置远离驾驶室，已不再是噪音的主要部分。

5 驾驶室内真空泵噪音优化方案讨论

基于上述，我们将噪音优化的方案集中在改善空气动力噪声部分，结合空气动力学理论，最终方案落实在如何更好的组织真空助力系统内部气流上。因为在智能式发电机调节下工作的真空泵工作电压变化是必然的，而电机转速关系着其抽真空速率和使用寿命，可调整范围有限，故通过调整真空泵电机转速来噪音频率的想法被否决，而实际的测试结果也显示，在噪音可接受状态下的电机转速已难以满足抽真空速率要求。从而考虑从噪音大小方面入手，只要声压级降低，驾驶室内可感知的噪音便会减小，即便噪音频率存在变化，驾驶员能感知到的噪音频率变化也会衰弱。

对此，基于车辆机舱内布置以确定，真空助力软管布置形态已无法再变更的前提下，我们做的几个优化方案如下：

（1）调整真空助力软管固定点松紧程度;

（2）调整真空助力软管单向阀布置位置;

（3）在真空助力软管管道内增加内置式單向阀;

（4）在真空助力软管管道内增加小截面限流阀;

（5）在真空泵进气孔内部设计内径变化特征;

各优化方案实车验证测试结果如下：

原车驾驶员右耳旁噪音声压级/频率： 38.08dB/499.6HZ，振动采集点为真空泵端盖，噪声采集点为驾驶员右耳旁。

结合主观评价可接受状态，以及方案实施工作周期与成本情况，最后确定实施方案五：在真空泵进气孔内部设计内径变化特征，具体方案为在真空泵进气口处6.5mm深度的位置内经改为3.6mm。当然，具体参数应结合实车测试结果确定，但不应小于真空通道最小截面内经值。我们在此方案确定前也做了多种不同内经及对应深度的调整验证，最终在踏板感、制动性能符合理论与试验结果均合格的情况下选定具体参数，而对变更后件重新进行DV/PV、道路耐久试验验证，性能与变更前状态相当。

6 真空助力装置气动噪声改善建议

在条件允许的情况下，其实在项目开发初期可做一定的工作来避免后期被动补救。相当一部分的车型基于远离噪音源的考虑，将电动真空泵布置在机舱最前部位置，而这使得真空助力软管较长，且其走向形态设计的出发点基本是基于机舱内动力总成及其它零部件布置之后可利用的空间而定，针对管路内部气流组织所作的考量甚少，甚至没有考虑此方面，管路形态在机舱布置好后，只要折弯角度能实现便锁定方案，对管道内部气流组织是否流畅良好的仿真，以及气流组织所产生的气动噪声分析工作是存在很大不足的。最佳的做法是在现有的设计思路中增加管路内部气流组织的分析，通过流体仿真分析管道内部管壁的脉动压力分布情况，把时域结果导入声学有限元计算，以便观察到声压云图和气动噪声声压级，在设计初期对方案进行优化。

7 总结

随着智能式发电机应用越来越普遍，整车有很多的用电器都可能工作在电压调节过程中，出现其他舒适性感知问题，这将对用电器对电压变化的敏感性等各方面的要求更加苛刻，同时对相关联的零部件设计要求更高，不同领域技术应用的交互更加息息相关。随着科技发展和人们对科技产物的要求提升，汽车作为众多科学分支的集合体，将所包含的所有科学领域技术不断融合提升是必行之路，否则终将在市场需求中日渐沉底。

参考文献：

[1]QC/T 1004-2015.汽车电动真空泵性能要求及台架试验方法.

[2]余志生.汽车理论.清华大学出版社.第6版.

[3][美]利特尔（F.K. Little）等.内流空气动力学手册.国防工业出版社.