汽車燃油泵工作噪聲研究

王新超，李萬(wàn)龍，丁鵬宇，賈艷伍，李睿哲

(北京汽車研究總院有限公司，北京 101300)

0 引言

某車型匹配A和B兩種油泵，在NVH(Noise Vibration Harshness)評(píng)價(jià)時(shí)，評(píng)價(jià)人員反饋在搭載B油泵的油箱附近可聽見尖銳噪聲，搭載A油泵的油箱則無(wú)此噪聲。尖銳噪聲可能來(lái)源于泵芯或調(diào)壓閥。為排查噪聲來(lái)源，將A油泵和B油泵在臺(tái)架上進(jìn)行噪聲測(cè)試。

1 油泵噪聲產(chǎn)生機(jī)制及降噪措施

測(cè)試方法：油泵在12 V電壓工作，工作介質(zhì)為柴油，使用噪聲計(jì)在油泵法蘭垂直上方1 m處測(cè)量油泵工作噪聲。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 油泵噪聲測(cè)試結(jié)果

通過測(cè)試可以判斷B油泵的尖銳噪聲來(lái)源于泵芯。相關(guān)文獻(xiàn)顯示：尖銳噪聲一般為泵芯流體動(dòng)力噪聲，主要分氣蝕噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲。

氣蝕噪聲是由于流體在部分區(qū)域運(yùn)動(dòng)速度加快后導(dǎo)致壓力降低而引起流體氣化形成氣泡，氣泡進(jìn)入高壓區(qū)后爆破發(fā)聲。針對(duì)氣蝕噪聲，可以在進(jìn)油板流道內(nèi)設(shè)置排氣孔來(lái)降噪，在低壓區(qū)使燃油中空氣排出，油氣分離，避免氣泡進(jìn)入高壓區(qū)后爆裂產(chǎn)生噪聲。排氣孔設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 進(jìn)油板排氣孔示意圖

旋轉(zhuǎn)噪聲是一種壓力脈動(dòng)噪聲，產(chǎn)生機(jī)制有兩種：一種是葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，相同位置處油液周期性地受到葉片擠壓，引起流體壓力場(chǎng)周期性脈動(dòng)而發(fā)出聲音；另一種是由于葉輪工作時(shí)進(jìn)油板側(cè)與出油板側(cè)壓力不同，導(dǎo)致葉輪向進(jìn)油板一側(cè)傾斜，表現(xiàn)為葉輪周期性擠壓進(jìn)油板側(cè)油液，油壓脈動(dòng)而產(chǎn)生噪聲[1]。

旋轉(zhuǎn)噪聲產(chǎn)生機(jī)制不同，降噪措施也有所不同。為減小葉片對(duì)油液擾動(dòng)，可以改變?nèi)~片的形狀，使其旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)液體形成的擾動(dòng)最小，圖2(b)所示葉輪葉片為標(biāo)準(zhǔn)形狀，圖2(a)、(c)、(d)所示葉輪則是異形葉片。葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片對(duì)油液的擾動(dòng)還具有周期性，這是因?yàn)槿~輪每轉(zhuǎn)過一圈，某一點(diǎn)受到的擾動(dòng)次數(shù)為葉片數(shù)，而葉片間距相等，每個(gè)葉片對(duì)該點(diǎn)擾動(dòng)周期是相同的，會(huì)產(chǎn)生節(jié)奏性壓力脈動(dòng)，如果調(diào)整葉片間距為不等距，該振動(dòng)將變得無(wú)規(guī)律，也就不會(huì)形成單一頻率高強(qiáng)度噪聲，圖2中(a)、(c)和(d)所示葉片均不等距。葉輪工作時(shí)，由于進(jìn)出油板兩側(cè)壓力差導(dǎo)致葉輪向進(jìn)油板側(cè)傾斜而產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，通過在葉輪上開設(shè)多個(gè)平衡通孔，使葉輪兩側(cè)工作面所受壓力盡量平衡，但平衡孔位置所處半徑必須位于葉輪與油板密封面以里，避免流量產(chǎn)生較大泄漏，降低燃油泵效率，圖2(a)所示葉輪具有6個(gè)壓力平衡孔。

圖2 4種葉輪結(jié)構(gòu)示意圖

2 葉輪結(jié)構(gòu)調(diào)整的降噪效果驗(yàn)證

圖2為4種泵芯的葉輪結(jié)構(gòu)圖，其中(a)和(b)分別為拆解的A油泵和B油泵葉輪，A油泵葉輪具有多種降噪設(shè)計(jì)，B油泵則為無(wú)降噪設(shè)計(jì)。為降低B油泵的噪聲，供應(yīng)商提供了兩種葉輪降噪方案。

方案一：葉輪結(jié)構(gòu)不變，增大葉輪與出油板的配片間隙，配片間隙一般設(shè)計(jì)范圍為20～40 μm，調(diào)整前間隙為20～23 μm，調(diào)整后間隙為28～30 μm。

方案二：葉輪與出油板配片間隙不變，葉輪葉片調(diào)整為不等距，并增加5個(gè)壓力平衡孔，如圖3所示。

圖3 B油泵降噪葉輪

為驗(yàn)證兩種降噪方案的效果，在臺(tái)架上測(cè)試了B油泵兩種降噪方案樣件的噪聲頻譜，方案一為3號(hào)油泵，方案二為4號(hào)油泵，與此同時(shí)測(cè)試了原B泵已用件和A泵未用件，油泵編號(hào)見表2。

表2 油泵頻譜測(cè)試油泵特征表

測(cè)試設(shè)備：LMS-SCR05頻譜儀。

測(cè)試方法：油泵置于油桶5 L柴油中，柴油淹沒濾網(wǎng)和回油管，油桶敞口，油泵在12 V電壓下工作，出油管與回油管連通，油泵法蘭盤周邊20 cm處放置頻譜儀拾音器，油泵工作穩(wěn)定后頻譜儀采集油泵噪聲5 s，噪聲頻譜測(cè)試臺(tái)架示意如圖4所示。

圖4 油泵噪聲頻譜測(cè)試臺(tái)架布置圖

背景環(huán)境：非消音室，環(huán)境噪聲30 dB(A)。

4個(gè)油泵工作噪聲頻譜如圖5所示。1號(hào)泵為有尖銳噪聲的B油泵，頻譜圖中噪聲峰值在4 477 Hz達(dá)到52 dB(A)，明顯高于其他油泵噪聲峰值，4 477 Hz頻率處于人耳聽覺敏感頻帶內(nèi)，使用頻譜軟件濾波功能，消除此頻率噪聲后，主觀感受尖銳噪聲消失。

圖5 油泵噪聲頻譜曲線

2號(hào)泵葉輪結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，葉片為異形且不等距，并有6個(gè)壓力平衡孔，其噪聲指標(biāo)在4個(gè)油泵中最優(yōu)，4 400 Hz頻段的噪聲強(qiáng)度峰值為26.6 dB(A)，明顯低于3號(hào)泵峰值，主觀感受無(wú)刺耳噪聲。

3號(hào)泵增大了葉輪配片間隙，4 400 Hz頻段噪聲強(qiáng)度明顯降低，最高值只有24.8 dB(A)。這是因?yàn)樵龃笈淦g隙，降低了進(jìn)油板和出油板側(cè)壓力差，減輕了葉輪向進(jìn)油板側(cè)傾斜，但該方案使油泵在400 kPa壓力下流量下降3～5 L/h[2]，對(duì)于流量?jī)?chǔ)備系數(shù)較小的油泵可能達(dá)不到流量設(shè)計(jì)要求。

4號(hào)泵葉片不等距且?guī)毫ζ胶饪祝? 400 Hz頻率段噪聲最大值為26 dB(A)，但其他頻段噪聲較1號(hào)泵有所提升。因?yàn)閺哪芰渴睾惴治觯駝?dòng)并未消失，只是葉片對(duì)油液的擾動(dòng)周期發(fā)生變化，噪聲被分散到多個(gè)頻段，聲音品質(zhì)得到了改善，主觀感受尖銳噪聲消失。同時(shí)，對(duì)比1號(hào)泵，4號(hào)泵在400 kPa壓力下流量基本無(wú)變化，泵油效率沒有降低。

3 總結(jié)

不等距葉輪使葉片對(duì)某一點(diǎn)的擾動(dòng)不再具有周期性，也就不會(huì)出現(xiàn)節(jié)奏性壓力脈動(dòng)；壓力平衡孔減小了葉輪兩側(cè)的壓力差，葉輪受力平衡也就不再擠壓一側(cè)油液形成壓力脈動(dòng)：脈動(dòng)減小或消失都會(huì)減小脈動(dòng)噪聲。葉輪的降噪設(shè)計(jì)對(duì)于降低流體動(dòng)力噪聲效果明顯。

參考文獻(xiàn):

[1]奚興超.低噪聲電動(dòng)燃油泵研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[2]麻洪海.汽油泵葉輪配合間隙CFD模擬研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.