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丰田工程师告诉你如何降低空压机噪声

2019-05-11 00:20:35·  来源：燃料电池干货  
　
导读：丰田自动织机为Mirai燃料电池汽车开发的六叶螺旋罗茨式空压机额定功率为10kW，最大功率20kW，最大转速为12500r/min，在JC08模式下行驶只能使用2kW左右。紧
导读：丰田自动织机为Mirai燃料电池汽车开发的六叶螺旋罗茨式空压机额定功率为10kW，最大功率20kW，最大转速为12500r/min，在JC08模式下行驶只能使用2kW左右。紧邻出风口设有水冷式冷却器，将压缩过程最高温度达200℃的空气冷却至110~120℃。与前一代空压机相比，Mirai燃料电池空压机在小流量下的压缩效率提高了14%，大流量下压缩效率提高了20%，空压机体积降低了33%，噪音降低了44%。下面将以亲身经历Mirai燃料电池汽车六叶螺旋罗茨式空压机开发过程的丰田自动织机五位工程师为主线，了解空压机开发过程中的难点，学习工匠精神，给正在开发空压机的工程师以鼓励和灵感。(本文为丰田工程师告诉你如何开发Mirai空压机一的姊妹篇)
 
丰田自动织机空压机开发团队
 
1. 明确空压机噪声来源
燃料电池空压机一方面要提高燃料利用率、响应速度和瞬时加速性能，另一方面要降低噪声和振动。空压机开发工作面临的难点是在上述两点之间取得最佳平衡。如何降低噪声和振动(NV)呢？在空压机开发工作的后期，这个问题摆在了丰田自动织机开发部门工程师的面前。Fumihiro Suzuki是负责解决Mirai燃料电池汽车六叶螺旋罗茨式空压机NV问题的工程师。
Fumihiro Suzuki(空压机部门111组)
“在空压机开发过程中，噪声和振动问题一直困扰着我们。当客户来视察我们开发的第一个空压机原型的时候，他们说听起来像个割草机。因此，当下我们就决定必须尝试各种方法来降低空压机的噪声。 ”-Suzuki
 
因此，Suzuki先生和他的团队彻底研究了空压机噪声的来源，他们决定从四个方面去解决这个问题，即重新设计外壳形状(reviewing the shape of the housing)、降低转子振动(reducing vibration in the rotor)、降低进排气系统噪声(reducing noise in the intake and exhaust systems)、调音(tuning the sound)。
 
“首先，我们重新设计了空压机外壳形状。毫无疑问，噪声是由振动产生的，振动波传递给了空气。接着被我们的耳膜吸收，于是我们听到了声音。重新设计外壳形状来提高其刚度(incresing its rigidity)对于控制振动非常有效。 ”-Suzuki
 
第一件事就是减少多余和无用的材料来精简空压机外壳(eliminating waste from the housing)，使其变得更加紧凑。以上措施可以减少噪声源面积。此外，消声器(silencer)和中冷器(intercooler)也被集成在一起。如下图所示，将中冷器安装在圆筒(cylinder)内可以吸收进气脉冲(air intake pulsation)，同时有有利于减缓外壳振动。
Mirai六叶螺旋罗茨式空压机剖面
 
Suzuki先生在回忆他们曾经为降噪所做的努力时说到“如何通过连接两个部件(connecting one part to another)来降低圆筒内的振动呢？答案就是通过优化紧固部件位置来降低振动。”
 
他们尝试了大量的方法来降低噪声，包括在圆筒内安置一个肋(rib)，在振动阻尼金属片(vibration-damping steel sheets)中间放置几微米厚度的树脂片(resin sheet)等。
空压机和SD盖的噪声来源
2. 减缓转子晃动(Stop Shaking)
Q:你们团队采取什么方案去降低转子晃动呢？
“当转子晃动时，转子紧邻圆筒(cylinder)，且距离在一定范围内，于是就产生了噪声(转子频繁冲击圆筒)。减缓转子的晃动是降低空压机NV的一个有效方法。 ”-Suzuki
转轴由三个轴承支撑着。 Suzuki先生认为缩小支撑点之间距离也可以减缓转子的晃动。
空压机放大图
“首先，我们测量了空压机中转子和圆筒之间的相互干涉情况。然后，使用计算机辅助模拟方法，我们分析了转子晃动情况，计算如何排布支撑点可以使得转子晃动最小。接着，根据计算机辅助模拟得到的结果，我们重新设计和制造了空压机，再重新测量转子的晃动情况。我们反复论证了很多次。 ”-Suzuki
丰田Mirai空压机外观
Q:还有其他措施去降低转子晃动吗？
“当然还有，增加转轴半径，或者使用更多刚度高的材料，都可以减缓转子晃动。但是这些措施会使空压机外壳变大，增加了成本。我们需要的是减缓转子晃动的同时，仅仅改变的是空压机内部情况，而不是改变现有的空压机体积、形状或者材料。 ”-Suzuki
到这里，我们可以看出Suzuki先生作为空压机NV方面的一名工程师非常自豪。如果空压机外壳的尺寸或形状改变了，将会影响空压机在燃料电池汽车中的布局。在给定或约束条件下找到一个合适的解决方案才是一次真正的开发，当然也是一个挑战。
3. 消除噪声(Removing Sound with Barriers)
Suzuki团队尝试了另外的方法来降低噪声和振动-进排气系统中阻尼声音(dampening sound in the intake and exhaust systems)。空压机的工作过程为从大气中摄入空气，压缩，并且提供给燃料电池。空气脉冲(pulsation of air)会给管道带来冲击进而振动有噪声，这的确是个问题。
“首先，在进气系统中，我们尝试在进气口法兰处(intake flange)放置一个障碍物，目的是为了将空气流场分为两部分(如上图所示)。被障碍物一分为二的空气在翻越障碍物后再次汇集，此时每部分空气的脉冲(pulsation)就会大大降低甚至消失。 ”-Suzuki
丰田Mirai空压机剖视图
Q:排气系统有哪些措施呢？
“在排气系统中，我们采用了类似的做法。我们在排气管道中放置了一个称为热壁(thermal wall)的障碍物来降低脉冲。之前提到的中冷器和圆筒中的振动阻尼金属片也起到了降低排气噪声的作用。我们也给丰田公司(Toyota Motor Corporation)提出了意见，建议他们安装消音器。他们已经在丰田集团(Toyota Group)的帮助下降低了噪声和振动。”-Suzuki
4. 创造未来音(Create a Futuristic Sound)
另外一种降低噪音的方法就是调音(tuning the sound)。到目前为止，丰田自动织机都致力于降低噪音和振动，但丰田汽车公司(Motor Motor Corporation)不仅仅只是为了开发一辆安静的燃料电池汽车。丰田汽车公司想给驾驶员传达一种加速的蜂鸣信号声(当他们踩下加速踏板时)，同时该声音不能太刺耳(abstract)。
“当然，声音悦耳或刺耳完全由个人主观判断。但‘ZZZ’这样的声音明显缺乏清晰度，绝不是一个好的选择。我们想呈现一个清澈的声音，一个随着车速增加质感增加的声音。因为Mirai意味着未来，我们想创造一个未来之音。 ”-Suzuki
和丰田汽车公司(Toyota Motor Corporation)一道，丰田自动纺织致力于创造一种声音，这种声音既讲究音量和音域元素，又注重感觉和激情。
“减缓转轴晃动就是一个创造未来之音的有效方法。晃动产生了一个中音，消除中音的同时又产生了一个线性的声音(measures taken to reduce this have left a fairly linear sound)。其他降低噪音和振动的方法包括调音，绝非仅仅降低噪声和振动。我们发现很难只留下悦耳的声音。 ”-Suzuki
Mirai空压机转子模型(丰田自动织机官网)
降低空压机的噪声和振动已经非常困难了，同时还要产生一个悦耳的声音，何其困难。
5. 积极开拓(Aggressive Development)
Q:在为降低空压机振动与噪声的所做努力的过程中，Suzuki先生又有哪些感触呢？从中他们又学到了哪些呢？
“降低噪声和振动工作背后有着诸多方面工作。这个过程充满挫折，但是每个失败都给我们带来一个全新的突破。让我们感到沮丧的是，每次失败我们只能对空压机再进行台架测试。因此，我们要求丰田汽车公司进行Mirai车用在线评估，这一点很重要。实际上，每次我们尝试新的东西，我们都想着能够在燃料电池汽车上实际测试，但是在有些时候，我们无法控制某些情况。然而，我们进行了超过20次实际Mirai燃料电池汽车的车用噪声测试，包括在低温工况下测试噪音。 ”-Suzuki
开发产品之路坎坷不断。因一次失败而放弃，则前功尽弃。当然，如果思路不正确，也不会成功。但是,Suzuki先生从不退缩-“我们可以在下一阶段的开发中好好反思和利用我们的失败，只要我们不放弃，我们就会成功。”。正是这种艰难的发展过程才慢慢走向成功。
“ 开发Mirai燃料电池汽车六叶螺旋罗茨式空压机的经历告诉了我从实际车用角度出发开发产品的重要性 。为了避免懈怠和出错，了解客户需求才是最重要的，而不是坐在椅子上等着客户来找你。关于这点，我们做了很多，的确困难重重。但我觉得我们如何完成所做的事情，并开发出能让客户满意的产品更重要 ”-Suzuki

图文来源

本文相关的图片和信息整理自丰田自动织机官网(如有版权问题或不妥，请联系删除)。
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