纯电动物流车的真空泵噪音解决方案

作者：尹治国
单位：深圳坪山比亚迪工业有限公司汽车工程研究院

引言

如今，中国已经成为了电动汽车最大的生产国和市场。2017年，全球有45%的电动汽车在中国注册，中国不仅把美国远远甩在身后，还即将占领全球市场的半壁江山。伴随着电动汽车技术的不断发展，对电动汽车性能提出了更多的要求，其中噪声振动性能越来越受关注，成为影响电动汽车品牌的一项重要指标。

电动汽车在制动助力方面，现在比较成熟解决方案为采用传统的真空助力器+电动真空泵，因电动车没有燃油车中的发动机，不能从发动机进气歧管处获取真空，故电动车需要匹配单独的电动真空泵来获取真空；电动真空泵因自身结构以及转速较高的原因，工作时有较大的噪音，加之电动汽车没有发动机，整车噪音较小，真空泵噪音更加凸显。在新的解决方案取代真空助力器+电动真空泵的方案之前，如何最大限度的降低电动真空泵噪音，获得更好的驾驶感受，是每个电动汽车生产企业要面对的问题。

1问题描述

本文所述为一款主机厂由汽油车改款的纯电动物流车，在开发试制过程中，新车质量工程师驾评时主观感受到车内噪声大，是客户不可接受级别。初步确定噪声来源于电子真空泵。零件在整车中的布置位置如图1所示，受电动物流车前机舱的布置空间限制，电子真空泵布置在前托架的支架上，这也是导致噪声和振动大的主要原因。



图1 电子真空泵在整车中的位置

2问题验证

为了验证是否如主观评价感受所描述噪音偏大，将开发样车与某款国产电动车进行车内声音及振动测试对比，分别在如下位置布置测点：

表1 测点位置共8处



得到测试数据如下：
表2 开发样车与某款国产电动车车内声压级对比



图2~图9为对比曲线，红色为开发样车，绿色为国产某电动车。



图2 主驾内耳噪声测试曲线 图3 真空泵近场噪声曲线



图4 真空泵本体噪声曲线 图5 真空泵支架噪声曲线

根据以上测试曲线可知，定置车内噪声，真空泵工作，开发样车与国产某电动车进行对比，车内驾驶员内耳噪声相差12dB(A)左右，噪声值相差过大，真空泵本体噪声比某国产电动车大10dB(A)，本体振动远远大于某国产电动车，该真空泵为活塞泵，特点就是振动大，断开真空泵与车身连接处，车内驾驶员内耳噪声76Hz峰值下降4dB(A)，456Hz下降12dB(A)，真空泵安装支架存在456Hz模态，断开真空罐与车身连接处，车内驾驶员内耳噪声下降1.2dB(A)，主要是90Hz-200Hz峰值整体明显下降，真空罐被动侧振动明显降低，尤其是113Hz、154Hz、189Hz明显下降。



图6 真空泵被动侧噪音曲线 图7 真空罐支架噪声曲线



图8 真空罐被动侧噪音曲线 图9 真空罐本体噪音曲线

由上述可知，此电动物流车的声噪确实偏大。

3问题分析

现今市场上常见的电动真空泵主要有三种：叶片式、膜片式、活塞式，三种电动真空泵互有优劣，应用在不同的车型上。由于历史沿革等原因，现在市场上应用量最大的为叶片式电动真空泵，由于叶片式电动真空泵的结构原因，工作时高速旋转的石墨叶片与金属腔体撞击、摩擦，会发出较大的噪音，噪音水平在三者中最高。

在整车应用中，针对电动真空泵的考量指标，主要包括电动真空泵的抽气效率、尺寸、NVH、耐久性能、重量、成本等；其中活塞式电动真空泵因为耐久性能方面的原因，绝大部分应用在低速电动车等对制动性能及可靠性要求不高的车型上；膜片泵的主要短板，主要体现在：因其膜片直径及工作腔体原因，尺寸较大、因其为双膜片水平对置，推杆往复运动，工作时振动较大、单件成本较高等方面，但其在噪音方面有比较好的表现，相比于同规格叶片式电动真空泵，噪音低8~9分贝，故在整车布置空间方面要求不是太高，对成本不是特别敏感的情况下，可以采用膜片式电动真空泵，以获得更好的噪音表现[1]。

本文中物流车为低速电动车，采用了一种对置摇摆活塞泵，由安装在直流电机上的偏心轮带动一左右对置的摇摆活塞进行往复运动，安装在活塞上的柔性活塞环在降低活塞与气缸的磨擦的同时，起到活塞的密封作用。在端盖和活塞上分别安装有进气阀和排气阀。通过活塞的往复运动，活塞与进气阀间的工作腔的容积在压缩与扩张间周期性变化，从而实现进气阀两侧、排气阀两侧气压差的周期性变化，推动气流单向流动，建立起进气阀前端系统的真空。



图10 活塞式真空泵结构



图11 真空泵在前托架的安装位置

3.2 电动真空泵与车辆匹配常用NVH调整方案
总结以往的开发经验，电动真空泵（EVP）与车辆匹配，受如下主要因素的影响，可能出现整车NVH主观评定不被接受的问题：

1）真空泵与车辆连接系统的减振不足；
2）“真空泵+支架”系统的固有频率与车上某些部件或结构的固有频率过于接近，引起共振；
3）真空泵连接在过于单薄的结构如侧翼板上，振动容易传递；
4）真空泵的固有结构使其噪音大。

基于以上主要因素的影响，汇总了以下NVH调整方案：

1）增加二级减振。真空泵与真空泵支架配合采用了一级减振垫，支架与前托架（或车身）的配合一般为普通螺栓螺母固定，可通过增加橡胶软垫起到二级隔振的效果。
2）减少一级减振垫数量，可以减少振动的传递。
3）更改泵相对于整车的布置方向。泵整体在平面内旋转90°，改变电机朝向。
4）更改泵在整车上的布置位置。推荐安装在强度、刚度高的结构上，不可连接薄壁钣金上；或者安装在驱动电机或变速箱等大质量且具有独立减振体系的零部件上。
5）真空管形式、真空管向车辆上紧固的卡点数量与位置。
将连接真空泵与真空罐的管路由硬质橡胶管改为软质橡胶管。

4提出合理的解决方案

4.1 真空泵噪音解决思路
根据上述对标测试曲线的结果，得出以下整改思路：

1）对真空泵进行优化改进，以降低真空泵本体振动噪声，改善车内NVH水平。
2）对真空泵与车身连接处的隔振件进行优化，以提高隔振性能，降低车内声音76Hz峰值；对真空泵安装支架进行优化加强，有效改善车内噪声456Hz峰值问题。
3）对真空罐进行优化改进，降低真空罐本体振动，对真空罐与车身连接处进行隔振优化，提高隔振性能，以减小真空罐振动向车内的传递，有效改善车内声音90Hz-200Hz峰值。

结合以上思路及主机厂实际开发情况，综合考虑如下：
1）真空罐：因不连接真空罐的情况下噪声下降只有1.2dB，且实车启动时打开前机舱盖旁听真空罐处噪音及振动很小，考虑整改成本高且效果不明显，故先不整改。
2）真空泵支架：因456Hz时与管梁固有频率同步，需增加隔振垫或增大支架规避共振频率。由上述真空泵NVH匹配方案可知，增加二级隔振垫需更改支架结构，并增加隔振垫数量，考虑VAVE，重新开模开发不满足即将SOP的节点。所以改为支架增加配重块的方案。配重块的布置位置需考虑避开螺栓、减振垫、真空泵线束及接插件、真空管等，以免干涉。



图12 在支架侧面适当位置增加配重块

3）真空泵
方案一：现有活塞式电子真空泵整改方案
（1）改进消音棉设计，密度由原来80g/dm3改为200g/dm3；
（2）改进单向阀片硬度，由60邵尔A调整为35邵尔A；
以上两方案实施后，经测试噪音52dB，优化后共降低3dB。



图13 消音棉密度增大，降低排气噪音 图14降低单向阀片硬度,降低振动噪音

方案二：采用成熟的膜片泵，新开发安装支架及真空管
（1）更换膜片泵；
（2）重新设计安装支架。需新开发支架、真空管等。



图15 膜片式真空泵

4.2 方案验证
对真空泵支架添加配重块的方案及膜片泵的方案进行测试验证。

4.2.1 真空泵支架添加配重块
测试曲线如下：



图16 车内声音对比 图17 被动侧振动对比



图18 频响对比曲线

经验证，真空泵支架添加配重块120g后，车内声音456Hz峰值明显下降，被动侧振动也有所下降，对比真空泵支架频响对比曲线可知，456Hz峰值下降明显。

4.2.2 更换膜片式真空泵

测试曲线如下：



图19 车内声音对比 图20 真空泵近场对比



图21 真空助力泵被动侧振动对比

更换膜片式真空泵后，车内声音总声压级下降1.36dB (A)，其中456Hz峰值明显下降，但是225Hz出现一个较大的新峰值，真空泵近场总声压级下降2dB(A)，尤其是高频噪声约下降3dB(A)，车内振动也有所下降，真空泵被动侧振动明显下降。

4.2.3 方案确定
综上所述，总结NVH改善方案讨论如下：

表3 方案描述及改进效果



方案一，降噪效果较好，且可立即执行 ，满足SOP节点。方案二，无法满足SOP节点，真空泵支架、真空管需重新开模，由于无路试搭载，只能进行让步认可，以满足生产需求。方案一和方案二样件装车后，主观感受改进后两台车噪音相当，比改进前均有改善，高频刺耳噪音降低，车内近场噪音以方案一更优，降低2.63dB。建议采用方案一。

5总结

由于电动车没有了发动机，发动机以外的噪音开始凸显了出来，整车NVH更加成为电动车辆设计和开发的重要部分，如何降低整车噪音，是每个主机厂都要重视的问题。本文站在主机厂实际开发电动物流车的角度，针对噪音主要来源--电动真空泵，通过分析其结构、振动噪声的传递路径，考虑整车开发周期及成本的条件下，制定了相关措施，并得到了验证可行的解决方案。由于开发阶段的不同，噪音整改所考虑的重点会有所不同，但都可以通过以上分析思路而选择出合适的整改方案，因而本文所述真空泵噪音整改思路有一定的通用性，为电动汽车噪音的解决有一定的参考价值。