某純電動(dòng)商用車怠速工況低噪聲設(shè)計(jì)

徐小紅　韋尚軍　郭葵　鄭偉光　施朝坤

【摘 要】針對(duì)某純電動(dòng)商用車怠速工況噪聲大的問(wèn)題，采用分部運(yùn)轉(zhuǎn)法，確定主要噪聲源，并結(jié)合激勵(lì)源特性，分析噪聲源的頻率特性，為低噪聲設(shè)計(jì)提供理論及實(shí)驗(yàn)依據(jù)。針對(duì)空壓機(jī)低頻窄帶噪聲，分別設(shè)計(jì)諧振腔、擴(kuò)張室消聲器，降低進(jìn)風(fēng)口噪聲;并通過(guò)增加進(jìn)氣引管，使聲源遠(yuǎn)離駕駛室，進(jìn)一步降低室內(nèi)外噪聲;設(shè)計(jì)冷卻風(fēng)扇四級(jí)調(diào)速，減少風(fēng)扇啟動(dòng)的占空比，降低怠速噪聲。測(cè)試結(jié)果顯示，采用噪聲優(yōu)化方法及裝置后，噪聲明顯降低，效果明顯。

【關(guān)鍵詞】純電動(dòng)商用車;怠速工況;空壓機(jī)噪聲;風(fēng)扇噪聲

【中圖分類號(hào)】U463.46 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）07-0058-03

面對(duì)環(huán)境和資源的雙重壓力，具有清潔、能量轉(zhuǎn)換高效等優(yōu)點(diǎn)的電動(dòng)汽車已成為汽車發(fā)展的重要組成部分[1，2]，同時(shí)大力發(fā)展電動(dòng)汽車對(duì)促進(jìn)我國(guó)從汽車大國(guó)轉(zhuǎn)向汽車強(qiáng)國(guó)具有重要意義。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，商用車使用者對(duì)電動(dòng)汽車性能提出了更多要求，其中噪聲與振動(dòng)性能越來(lái)越受到關(guān)注，成為評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車品牌的重要指標(biāo)[3]。電動(dòng)汽車的噪聲問(wèn)題并未隨內(nèi)燃機(jī)消失而消失，沒(méi)有內(nèi)燃機(jī)噪聲的掩蔽效應(yīng)，電動(dòng)汽車各個(gè)噪聲源對(duì)整車噪聲貢獻(xiàn)開(kāi)始凸現(xiàn)，噪聲的覆蓋頻帶變寬，高頻噪聲也需要考慮[4，5]。基于以上現(xiàn)狀，具有良好噪聲性能的純電動(dòng)商用車應(yīng)運(yùn)而生。

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某型純電動(dòng)商用車怠速工況下整車噪聲過(guò)大的問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)分析與CAE仿真相結(jié)合的方法，找到目標(biāo)電動(dòng)商用車怠速工況下噪聲過(guò)大的根本原因，提出并驗(yàn)證優(yōu)化方案。結(jié)果表明仿真分析結(jié)果可靠、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可行，達(dá)到預(yù)期的噪聲優(yōu)化目的。

1 聲源分析

1.1 噪聲測(cè)試方案

針對(duì)目標(biāo)電動(dòng)商用車在怠速工況下的噪聲問(wèn)題，以司機(jī)右耳處作為評(píng)價(jià)參考點(diǎn)，分析使用者最常用的兩種工況：原地怠速關(guān)空調(diào)/開(kāi)窗和原地怠速開(kāi)空調(diào)/關(guān)窗，均為啟動(dòng)高壓狀態(tài)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為駕駛員右耳、空壓機(jī)進(jìn)氣口、空壓機(jī)（空壓機(jī)電機(jī)、空壓機(jī)左側(cè)與空壓機(jī)前部）與風(fēng)扇處（見(jiàn)表1）。為增加噪聲試驗(yàn)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，隨機(jī)選取3輛同類型的電動(dòng)商用車作為測(cè)試對(duì)象，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值。

對(duì)于電動(dòng)車整車噪聲源診斷，可以采用分步運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試方法判斷各個(gè)噪聲源在整車總體噪聲中所占的比重，測(cè)試方案見(jiàn)表1。

若已知兩個(gè)聲源的總聲壓級(jí)為L(zhǎng)p和其中一個(gè)噪聲源單獨(dú)存在時(shí)的聲壓級(jí)為L(zhǎng)p1，則另外一個(gè)噪聲源單獨(dú)存在時(shí)的聲壓級(jí)Lp2可以通過(guò)如下公式算出：

1.2 噪聲測(cè)試結(jié)果

通過(guò)上述分布運(yùn)轉(zhuǎn)法及聲級(jí)疊加原理，可得表1的測(cè)試結(jié)果。由表1可知：關(guān)空調(diào)/開(kāi)窗狀態(tài)下，空壓機(jī)是室內(nèi)噪聲的主要原因;空調(diào)在不同擋位下，駕駛室內(nèi)噪聲主要成分不同，1擋是冷卻風(fēng)扇噪聲;2擋是空調(diào)出風(fēng)口與冷卻風(fēng)扇噪聲;3擋和4擋是空調(diào)出風(fēng)口噪聲。空調(diào)出風(fēng)口的噪聲隨空調(diào)擋位增加。通過(guò)以上分析，確定影響車內(nèi)噪聲的主要聲源是冷卻風(fēng)扇、空壓機(jī)和空調(diào)出風(fēng)口。

空壓機(jī)噪聲多由電機(jī)噪聲與壓縮機(jī)噪聲組成[6]：①電機(jī)噪聲由電磁噪聲、機(jī)械噪聲與空氣動(dòng)力學(xué)噪聲組成;②壓縮機(jī)噪聲由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成。壓縮機(jī)工作時(shí)，葉輪周期性地?cái)D壓周圍空氣，氣體分子相互撞擊引起空氣壓力脈動(dòng)后以聲波形式向外輻射;氣流流經(jīng)風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，在它的表面形成很多氣體渦流，當(dāng)氣體渦流在葉輪界面上分離時(shí)，引起葉片上壓力的脈動(dòng)，形成渦流噪聲。

風(fēng)扇噪聲主要包括旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲[7，8]。旋轉(zhuǎn)噪聲是旋轉(zhuǎn)葉片周期性擾動(dòng)空氣，引起空氣的壓力脈動(dòng)而發(fā)出噪聲;渦流噪聲是風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)使周圍空氣產(chǎn)生渦流，并由黏滯力作用使之分裂成小渦流，渦流間分裂使空氣發(fā)生擾動(dòng)，形成壓力波動(dòng)，從而激發(fā)出噪聲。渦流噪聲通常為寬頻帶噪聲，當(dāng)其振動(dòng)頻率與葉片的固有頻率接近時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，使得噪聲增加。

該型式電動(dòng)車?yán)鋮s風(fēng)扇穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為4 100 r·min-1，對(duì)應(yīng)1階頻率為68.3 Hz;空壓機(jī)穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1，對(duì)應(yīng)1階頻率為50 Hz。由表2風(fēng)扇、空壓機(jī)、室內(nèi)噪聲頻譜圖可得對(duì)應(yīng)的頻率，進(jìn)一步驗(yàn)證了怠速時(shí)主要噪聲源為冷卻風(fēng)扇與空壓機(jī)噪聲。

2 降噪設(shè)計(jì)

空壓機(jī)噪聲源具有激勵(lì)頻率低、呈窄帶線譜特性[9]，基于經(jīng)濟(jì)性和可行性兩個(gè)方面考慮，對(duì)空壓機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)。

2.1 低噪聲設(shè)計(jì)

2.1.1 諧振腔設(shè)計(jì)

諧振腔又稱為赫姆霍茲消音器，廣泛應(yīng)用于進(jìn)排氣系統(tǒng)，對(duì)于低頻噪聲有較好的抑制效果，其原理類似于結(jié)構(gòu)中的動(dòng)力吸震器，當(dāng)激勵(lì)頻率與系統(tǒng)共振頻率重合時(shí)可得到較大的傳遞損失，諧振腔示意圖如圖1（a）所示。

諧振腔的共振頻率如下：

其中，f為消聲頻率;S為連接管截的面積;L為連接管的長(zhǎng)度;V為諧振腔的容積;c為聲速。針對(duì)目標(biāo)頻率f=100 Hz，設(shè)計(jì)諧振腔參數(shù)V=1 000 cm3，L=20.7 cm，S=7 cm2，c=340 m·s-1。

制作樣件在進(jìn)風(fēng)口初增加諧振腔如圖1（b）所示，通過(guò)測(cè)試對(duì)比，裝諧振腔后，室內(nèi)外噪聲均降低3 dB左右[如圖1（c）所示]，空濾進(jìn)氣口100 Hz降低22 dB，效果明顯[如圖1（d）所示]。

2.1.2 消聲器設(shè)計(jì)

擴(kuò)張室型消聲器對(duì)低頻寬帶噪聲有較好的抑制效果，依據(jù)如下公式：

其中，m為擴(kuò)張比，L1為擴(kuò)張室長(zhǎng)度，λ為波長(zhǎng)。設(shè)計(jì)消聲器參數(shù)如下：進(jìn)氣口直徑為15 mm，擴(kuò)張室直徑為75 mm，擴(kuò)張室長(zhǎng)度為200 mm。制作樣件如圖2（a）所示，其理論傳遞損失如圖2（b）所示，圖2（c）為進(jìn)氣口加裝消聲器實(shí)物圖，圖2（e）為加裝消聲器前后空濾進(jìn)氣口噪聲對(duì)比。圖2（d）為安裝消音器后室內(nèi)外噪聲測(cè)試結(jié)果，可以看出，加裝消聲器后，室內(nèi)外噪聲均降低3 dB左右，空濾進(jìn)氣口處空壓機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲明顯降低，效果明顯。

2.1.3 進(jìn)氣口設(shè)計(jì)

通過(guò)增加進(jìn)氣引管，使進(jìn)氣口遠(yuǎn)離駕駛室[如圖3（a）所示]，可進(jìn)一步降低車內(nèi)外噪聲[如圖3（b）所示]，可以看出空濾進(jìn)氣口處的噪聲對(duì)室內(nèi)外噪聲影響很大，能降低3～4 dB。圖3（c）為增加進(jìn)氣引管后室內(nèi)噪聲對(duì)比，在100 Hz和150 Hz兩處峰值處，噪聲有明顯的衰減。

2.2 冷卻風(fēng)扇噪聲

針對(duì)冷卻風(fēng)扇，噪聲與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速相關(guān)，轉(zhuǎn)速越高其風(fēng)量、風(fēng)壓越高，噪聲也相應(yīng)越高。通過(guò)測(cè)試不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇的噪聲（見(jiàn)表3）可以看出，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)扇噪聲可以得到很好的控制。因此，可根據(jù)MCU和電機(jī)溫度范圍，設(shè)定相應(yīng)的控制策略（見(jiàn)表3）。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)某型純電動(dòng)商用車怠速工況下室內(nèi)外噪聲過(guò)大的問(wèn)題，對(duì)3輛同類型的電動(dòng)商用車進(jìn)行試驗(yàn)，采集噪聲數(shù)據(jù)，進(jìn)行頻譜分析，進(jìn)行噪聲源定位與頻譜特性分析。根據(jù)噪聲源特性，提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行實(shí)車噪聲試驗(yàn)對(duì)比設(shè)計(jì)效果。得到以下結(jié)論。

（1）對(duì)于室內(nèi)噪聲，關(guān)窗狀態(tài)下，壓縮機(jī)、風(fēng)扇和空調(diào)口噪聲是主要聲源，開(kāi)窗狀態(tài)下，風(fēng)扇噪聲是主要原因;對(duì)于室外噪聲，風(fēng)扇噪聲是主要聲源，其次是空壓機(jī)噪聲。

（2）對(duì)于空壓機(jī)進(jìn)氣噪聲，通過(guò)加裝諧振腔、消聲器及進(jìn)氣引管，對(duì)室內(nèi)外噪聲改善效果明顯，降低3～4 dB。

（3）通過(guò)設(shè)置冷卻風(fēng)扇四級(jí)調(diào)速，減少風(fēng)扇啟動(dòng)的占空比，在怠速工況下，風(fēng)扇運(yùn)行轉(zhuǎn)速為40%時(shí)，噪聲可降低4.5 dB。

參 考 文 獻(xiàn)

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