某氣制動車型空壓機噪聲問題解決

饒文明，林圣鎮，鐘秤平，徐高新，鄧磊，劉劍

某氣制動車型空壓機噪聲問題解決

饒文明1,2，林圣鎮1,2，鐘秤平1,2，徐高新1,2，鄧磊1,2，劉劍1,2

（1.江鈴汽車股份有限公司產品技術開發中心，江西 南昌 330001；2.江西省汽車噪聲與振動重點實驗室，江西 南昌 330001）

汽車車內噪聲和振動，一般是由多個激勵源，經由空氣傳遞和結構傳遞兩條路徑傳遞至車內關鍵部位后相互疊加而成。如何快速識別噪聲產生的來源，利用CAE有限元仿真技術進行傳遞損失優化分析；并尋找可工程化實施的解決方案，使車內噪聲和振動控制在設定的目標值內，提升用戶滿意度和乘坐舒適度，是現代汽車工業重點研究的課題。以國內某氣制動車型空壓機嘟嘟噪聲問題為例，分析氣制動車型空壓機嘟嘟聲解決途徑。

空壓機；怠速；傳遞損失

前言

隨著汽車工業的蓬勃發展，汽車已不僅僅是簡單的載貨和代步工具，普通客戶對乘坐舒適性的要求越來越高，汽車的噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise，Vibration and Harshness，NVH）品質越來越受到各主機廠重視。NVH設計正朝著“正向開發”的方向發展。載貨汽車也如此，既能實現商用車通用的載貨功能，又能運用乘用車開發技術達到良好的舒適靜音效果，顛覆大家對傳統載貨汽車“拖拉機”的印象。

商用車一般都是非承載式車身，車內振動和噪聲往往是由動力總成系統激勵，經由發動機懸置、車架、車身懸置等傳遞路徑傳遞至車內，引起駕駛員和乘客主觀感受。需要準確地判斷出各主要激勵源和傳遞路徑的貢獻量，并針對主要貢獻源進行優化，尋找可工程化實施的方案。

1 車內噪聲解決途徑

1.1 結構噪聲

結構噪聲一般是在發動機或者路面激勵下，通過發動機懸置或懸架、車架、駕駛室懸置傳遞至駕駛室內，激勵起車身鈑金的振動形成的。結構噪聲的激勵主要有路面激勵和發動機激勵，對于乘用車來說，路面激勵通過懸架直接作用在車身上，成為結構噪聲的主要貢獻；但是對于載貨汽車來說，由于采用帶車架的非承載式車身，激勵傳遞到車架時，要經過多個衰減路徑，路面激勵不是主要貢獻，發動機激勵是主要貢激勵源。如圖1所示。

圖1 結構噪聲主要傳遞路徑

1.2 空氣噪聲

空氣噪聲是以外部噪聲為激勵源，受車身隔音密封性能影響，通過空氣傳遞至駕駛室內；對于普通載貨汽車來說，發動機、進排氣等都是噪聲源，他們都會通過空氣傳播進車內，解決空氣噪聲主要途徑是：降低噪聲源；另外就是加強駕駛室密封，提升駕駛室隔音性能。如圖2所示。

圖2 空氣噪聲主要傳遞路徑

2 空壓機噪聲產生原理

為了達到更好的制動性能，大多數貨車都用氣制動來代替液壓制動，如下圖為某氣制動車型氣壓制動系統示意圖，采用雙回路氣壓制動系統，前后鼓式制動器均帶自調臂，駐車制動采用的氣壓彈簧駐車制動。如圖3所示為某氣制動車型制動回路布置圖。

通過空壓機內部活塞不停的往復運動壓縮空氣，為汽車上消耗空氣的裝置提供壓力適合、清潔、干燥的空氣。取氣方式一般是直接從發動機進氣空濾器后輸氣管中取氣。由于空壓機相當于一臺單缸發動機，在活塞不停地壓縮空氣做功的過程中，空壓機的進氣口會產生低頻“嘟嘟”聲，頻率一般在200-400Hz附近，如果進氣系統對該頻率段的噪聲衰減不足，該噪聲會通過空氣傳遞至駕駛室內從而引起抱怨。

圖3 某氣制動車型制動回路布置圖

圖4 不同傳動形式的空壓機

3 案例分析

3.1 問題來源

某輕型載貨氣剎車型在怠速時存在明顯“嘟嘟”打鼓噪聲，導致駕駛室內和室外噪聲均不可接受，超出目標值。空壓機工作時（即打氣過程中）噪聲大；空壓機不工作時（即氣打飽后）聲音消失。“嘟嘟”聲主要貢獻頻率為200-400Hz，噪聲頻譜如圖5所示：

圖5 嘟嘟聲問題頻率

細實線為空壓機工作狀態，帶負載；

粗實線壓機不工作狀態，不帶負載。

3.2 原因分析

噪聲產生機理：空壓機內部活塞不停的往復運動壓縮空氣，在壓縮空氣做功的過程中，產生的泵氣噪聲通過進氣凈管，空濾、臟管傳遞至進氣口，進而傳至駕駛艙中；卡車進氣口一般朝向駕駛室，形成駐波脈沖，放大聲音。需提升進氣系統對該頻率段噪聲的消聲能力。圖6為某空壓機進氣布置圖。

3.3 消音器匹配設計

3.3.1 消聲器消聲原理

進氣系統和排氣系統是由一些管道和消聲元件組成的系統。消聲元件包括擴張消音器，霍姆赫茲消音器和1/4波長管等。擴張消音器同時也是空氣過濾器，這些元件使得一些頻率的聲波通過，同時也阻止了一些頻率的聲波傳遞，這樣就取到了消聲的效果。

圖6 某空壓機進氣布置圖

3.3.2 消聲器分類

消音器分為被動消音器和主動消音器和半主動消音器，聲能會被反射或吸收，在汽車進排氣系統中，大多數是被動消聲器。

被動消聲器又可分為抗性消聲器和阻性消聲器。抗性消聲器主要包括擴張消聲器和旁支消聲器，如霍姆赫茲消聲器和1/4波長管。抗性消聲器對降低單頻低頻噪聲效果很好，傳遞損失很大。汽車大多數用抗性消聲器，

3.3.3 擴張消聲器

擴張消音器由一個主要腔室和兩邊與之連接的管路組成，如圖所示，進氣管道的截面積S1和出氣管道的截面積S3比擴張腔截面積S2要小，由于截面積變化，聲阻抗也隨之變化，因此擴張器是一種抗性消聲器，入射波到擴張腔后，一部分能量被反射到進氣管，從而消耗聲能，而在消聲器里面并沒有消耗能量。聲波在進氣管中前進，當到達與擴張室的交界處時，一部分被反射回來，形成反射波；一部分進入擴張室。

圖7 擴張消音器

進入管中入射聲波和反射聲波的升壓和速度分別如下：

入射波聲壓：p=Pej(ωt-kx)

入射波速度：u=P/ρc

反射波聲壓：p=Pe(j(ωt-kx)

反射波速度：u=P/ρc

擴張室內的入射波和反射波的聲壓和速度分別為：

入射波聲壓：p2i=Pej(ωt-kx)

入射波速度：u2i=P2i/ρc

反射波聲壓：p2r=P2rej(ωt-kx)

反射波速度：u2r=P2r/ρc

透射波在出氣管中的聲壓和速度分別為：

透射波聲壓：pt=Piej(ωt-kx)

入射波速度：ut=Pt/ρc

3.3.4 消聲器的設計要求

消聲元件的首要目的是消除噪聲，因此需要滿足聲學性能要求，氣體在進排氣系統中運動，又必須滿足空氣流動性要求，另外還有材料，布置空間等方面的要求。以下是詳細要求：

1）聲學要求

2）空氣流動要求

3）機械和材料方面的要求

4）成本要求

5）布置空間和裝配要求

圖8 常見的空壓機進氣擴張消聲器

3.4 傳遞損失分析

擴張消聲器的傳遞損失公式為：

式m=S2/S1稱為擴張比，對圓形管道來說，m=D2/d2，D和d為擴張腔和管道的直徑，由公式可知，擴張消聲器的傳遞損失取決于擴張比和擴張室的長度，同時也與波長相關。

——擴張比越大，傳遞損失越大。

圖10 擴張室長度對傳遞損失的影響

——擴張腔長度越大，中心頻率越小頻率帶寬越窄。

圖11為該車型進氣擴張消音器傳損分析結果，在對應的問題頻率200-400Hz附近，傳遞損失大于20dB，可以滿足目標。其中黑粗線為目標線：

圖11 傳遞損失分析結果

4 樣件實車驗證

圖12 優化前后的效果

圖13 擴張消音器

其中，細實線為優化前，粗實線為優化，空壓機進氣管加擴張腔后，主觀評駕車內及車外“嘟嘟”噪聲改善非常明顯，200-400Hz頻率段對應的聲壓級降低約10dB（A）。圖13為滿足布置裝配要求的消音器。

5 總結

對于載貨汽車，尤其是氣制動車型來說，空壓機在壓縮空氣做功的過程中，進氣口一定會產生這種伴隨打氣頻率相關的“嘟嘟”噪聲。相對液制動車型來說，對氣制動進氣系統的消聲能力提了更高的要求。在產品前期設計的時候，在空壓機進氣管路上一定要預留擴張消聲器的空間，避免后續車輛出來后需要臨時匹配消聲器，往往因布置空間不滿足或者工藝裝配等因素無法實施消聲器方案。

[1] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動——理論與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2005.

[2] 劉顯臣.汽車NVH綜合技術[M].北京:機械工業出版社2014.

[3] 翁建生.汽車產品研發過程中整車NVH性能的設計與控制[C]. LMS第二屆中國用戶大會論文,2007.

[4] Lee C R, Kim H J. LMS.劉馥清編譯.振動/噪聲測試與分析系統理論基礎《Thory and Background》LMS [M].

Research on Accelerating Roar of a Light Truck

Rao Wenming1,2, Lin Shengzhen1,2, Zhong Chengping1,2, Xu Gaoxin1,2, Deng Lei1,2, Liu Jian1,2

（1.Jiangling Motors Co.Ltd Product Development Center, Jiangxi Nanchang 330001; 2.Key laboratory of Automobile Noise and Vibration in Jiangxi Province, Jiangxi Nanchang 330001）

Vehicle interior noise and vibration are generally composed of multiple excitation sources, which are transmitted to the key parts of the vehicle through two paths of air transmission and structure transmission, and then superimposed on each other. How to quickly identify the source of noise, optimize the transmission loss analysis by using CAE finite element simulation technology, and find a solution that can be implemented in engineering, so as to control the noise and vibration within the set target value, and improve the customer satisfaction and riding comfort, is the key research topic of modern automobile industry. Taking the problem of air compressor beep of a domestic air brake vehicle as an example, this paper analyzes the solution to the problem.

Air compressor; Idle speed; Transmission loss

A

1671-7988(2020)24-126-04

TB533

A

1671-7988(2020)24-126-04

饒文明（1985-），男，江西省南昌市人，本科，NVH工程師，主要研究方向：輕型載貨汽車噪聲與振動控制。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.042

CLC NO.: TB533