電動車制動真空泵對車內噪聲影響機制分析

廉晶晶，張 杰，楊柳青，葉常景，代 煒，張晨曦

（國家汽車質量監督檢驗中心(襄陽)，湖北 襄陽441004）

汽車的制動性能關系到駕駛員及乘客的生命安全，是汽車行駛的重要保障。真空助力制動系統通過調節助力器真空腔內的氣壓值，與大氣形成一定的壓力差，輸出制動助力，因此真空腔內必須保證充足的真空度[1]。燃油車的制動系統主要從發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展，新能源汽車發動機不能全時工作，無法隨時保障足夠的真空來源，電子真空泵(簡稱EVP)便取代發動機進氣歧管，為汽車真空助力制動系統提供主要真空源。電子真空泵工作狀態存在對車內噪聲水平影響過大的問題[2–4]。

隨著汽車工業的發展，NVH 性能日益受到制造商和消費者的重視和關注[5–8]。因此,研究電動汽車電子真空泵對車內噪聲的影響機制，降低真空泵導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踩踏制動踏板后真空泵工作引起車內噪聲過大的問題，采用LMS Test. Lab 軟 件 的Signature Testing 模 塊 和Impact Testing 模塊進行試驗分析，并結合模態仿真數據，對真空泵及支架結構提出優化措施，改善車內噪聲的水平。

1 制動真空泵原理

圖1 制動系統工作簡圖

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，從而實現制動功能[2]。

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位置。

2 真空泵對車內噪聲的影響機制

2.1 真空泵對車內噪聲的影響

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，樣車在供電狀態踩下制動踏板后車內噪聲明顯增大。考慮到踩下制動踏板后，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時的噪聲）與供電時踩下制動踏板，真空泵處于工作狀態時駕駛員右耳處的車內噪聲，對比曲線見圖3。

根據圖3 可知，真空泵工作狀態下車內噪聲在63 Hz、125 Hz、191 Hz處存在明顯峰值成份，車內轟鳴聲嚴重。

圖3 真空泵未工作狀態與工作狀態車內噪聲對比

目標車型的電子真空泵工作轉速為3 300 r/min，實測激勵基頻為61 Hz，與問題頻率一致。試驗結果進一步確定電子真空泵對車內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。

2.2 噪聲源及傳遞路徑分析

電子真空泵作為前述車內噪聲問題的噪聲源，本體噪聲來源主要包括電機轉速及其自身噪聲、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、排氣通道的結構設計、電壓電流的不穩定、電磁噪聲等。其中，與泵體相關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：

防火墻技術是通過有機結合各類用于安全管理與篩選的軟件和硬件設備，幫助計算機網絡于其內、外網之間構建一道相對隔絕的保護屏障，以保護用戶資料與信息安全性的一種技術。隨著計算機網絡的廣泛應用，人們越來越重視存儲于計算機當中的信息與資料的安全性，同時也非常重視信息傳輸過程的可靠性，防火墻技術則是為滿足人們的這些計算機安全需求而誕生的。防火墻技術的靈感源于建筑物發生火災時，避免火災蔓延所建立的防護措施[1]。同理，計算機網絡遭受到攻擊時，防火墻技術的作用就在于避免此攻擊蔓延至內網，以干擾內網的運行所采取的防護措施。

（1）空氣輻射

制動真空泵工作時發出的噪音，由空氣輻射，分別經發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。

（2）結構傳聲

制動真空泵工作時所產生的振動及噪音，經由安裝支架等結構傳遞，通過結構傳聲至車內，被車內人員所感知。

根據上述傳遞路徑，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象。進行試驗測試得到與車體分離狀態下的真空泵及支架的頻響函數曲線，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 頻率與車內噪聲峰值對應的63 Hz、125 Hz較為接近。

采用有限元軟件，分析了真空泵L 型支架約束狀態下的固有頻率特性，振型見圖5。

圖4 真空泵及支架與車體斷開狀態頻響函數曲線

圖5 真空泵L型支架模態仿真結果

分析結果表明，約束狀態下真空泵支架的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時的63 Hz、125 Hz附近頻率存在明顯的局部共振，進而在相應頻率附近引發車內明顯的輻射噪聲。

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。

從測試結果發現，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。幅值對比結果表明191 Hz 頻率處車內噪聲以結構傳聲為主。

為診斷車內噪聲的傳遞路徑，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，在真空泵工作狀態測試得到車內噪聲的變化情況，3個峰值對應的駕駛員右耳旁噪聲對比見表2。

表2 真空泵與車體斷開前后駕駛員右耳旁噪聲對比/dB(A)

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

根據分析結果可知，目標車型真空泵的本體噪聲及固定方式對車內噪聲具有重要影響，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 處以結構傳聲為主。

3 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、結構傳聲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，將真空泵外側包裹阻尼片。

通過試驗對比包裹阻尼片前后車內駕駛員右耳旁噪聲的變化情況，分析結果見表3。

表3 包裹阻尼片前后駕駛員右耳處噪聲值對比/dB(A)

測試結果表明：在63 Hz、125 Hz 附近車內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空氣輻射噪聲。

3.2 結構傳聲改進

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。為增大結構約束剛度，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。

為驗證改進方案的可行性，首先，采用有限元軟件，分析了U型支架在約束狀態下的固有頻率特性，模態分析振型見圖7。在質量相當的情況下，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，可以提升整體的結構剛度。

圖7 真空泵U型支架模態仿真結果

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。

4 結語

針對某電動樣車在供電狀態踩踏制動踏板真空泵工作時車內噪聲過大的問題，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噪聲的影響機制。同時，結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、合理更改支架結構增大安裝剛度減小結構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。