输油泵总成NVH噪声原理分析及解决方法

翟晓红

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

输油泵总成NVH噪声原理分析及解决方法

翟晓红

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

整车NVH的性能对于产品品质来说尤为重要，其直接影响到顾客的驾驶舒适性。通常情况下，发动机、排气系统、轮胎等引起的噪声关注较多而燃油系统NVH方面关注较少。文章主要针对燃油系统中输油泵总成对整车NVH的性能影响进行分析和试验，提出相关的设计方案及方法提升整车的NVH性能。

NVH；输油泵总成

CLC NO.: U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-225-06

引言

目前，随着汽车的需求量越来越高，国内外汽车市场竞争日趋激烈，同档次车型在驾乘空间、动力匹配、新技术的运用等方面的差距越来越小；与此同时，客户对产品舒适性要求越来越高，对整车噪声的要求也越来越严苛，可以说，汽车噪声水平已经成为衡量汽车产品品质的一个重要因素之一，因此，提高车辆噪声控制水平已成为新的竞争焦点和技术发展方向。

现阶段，各汽车生产厂商已经在针对整车贡献量较大的噪声源如路噪、风噪、排气噪声等方面都应经取得了一定的突破与进展，但对于其他部件，如燃油系统等，由于其噪声相对上述部件而言对整车的贡献量较小，因而受关注程度不高。

本文基于一款SUV车型整车噪声不达标问题，发现燃油系统对噪声的贡献较大，进一步排查发现输油泵总成为主要贡献源。本文通过对输油泵总成的构成、原理、噪声模型分析等方面，找出影响NVH性能的关键因素，在现有输油泵总成的基础上（现有为有刷电机，在此基础上不考虑增加额外的PWM控制器等）结合试验的方法得以解决。

1、设计原理及构成

1.1 输油泵总成的构成及组成部件的作用

输油泵总成由法兰组件、储油桶组件、液位传感器三大部分组成（如图1）：

法兰组件包括：法兰、导杆、线束接插件；

液位传感器：类似于滑动变阻器的原理，其浮子的高度受油箱内液面高度的影响从而输出不同的阻值，通过由仪表显示给驾驶员以指示油箱内的剩余油液的多少。

图1 输油泵总成的组成

储油桶组件包括：油杯、进油过滤网、泵芯、输回油支路（波纹管）、调压阀。储油桶组件的布置位置及油路走向如图2：

图2 储油桶组件的布置位置及油路走向

油杯起储存燃油的作用，其通过法兰组件中的导杆装配成一体后，与燃油箱安装连接，对输油泵总成起支撑作用；

进油过滤网对油液中特定尺寸的颗粒进行过滤，起粗滤的作用，避免大颗粒杂质进入泵芯造成输油泵总成的工作异常；

调压阀：是控制系统压力的部件，此阀为常通阀，用于保证输出到发动机端的压力；

喷射泵：通过虹吸原理，利用回油支路的回油，将油箱中的燃油泵入油杯，保证油杯中始终充满油液。

泵芯：由电驱动，其工作原理与电动水泵的工作原理相同，利用电机驱动相应的油泵装置，从而向燃油系统不断输送燃油；其上包括两个重要的阀，如图3所示：

图3 泵芯阀类示意

单向阀：在一定时间内保持系统压力，以防止刚停车时发动机处油温较高形成汽泡，便于发动机再次起动。

安全阀：泵出压力过高时，安全阀打开进行压力大卸载，避免泵出压力过高时造成相关零部件损坏。

1.2 输油泵总成的工作原理

早期的发动机燃油系统中的输油泵总成多为机械式，现在电动输油泵总成已经将其取代。另外，原来的一些被安装在燃油箱外的电动输油泵总成，考虑到散热、隔音及气阻等问题，也均被内置到了燃油箱内。

输油泵总成的工作原理如图4所示：输油泵总成安装于油箱内，与仪表测量装置、发动机油轨结合为整个供油系统。输油泵总成利用电机驱动，将贮存在燃油箱内的燃油经外接的滤清器进一步过滤之后，清洁的燃油通过燃油管路输送至发动机油轨处，由喷油器喷射至进气歧管中进行可燃气的混合，进一步输送至燃烧室燃烧做功。

图4 输油泵总成的工作原理

1.3 输油泵总成的噪声模型

声音是由振动产生的，因而噪声和振动是同一物理现象的两个方面。由于供油系统中输油泵总成各组成部件较多，虽然输油泵输出的油量一定，但是由于车辆启动后发动机所需油量工况复杂，因而回油量的多少难以控制，泵油及回油其相互作用形成共同的声学结果，因此很难有一理想的数学模型进行油泵噪声级的计算。

本文借鉴日本油空压协会提出的数学模型进行讨论．该模型的油泵声压级Lp用下式表示：

1）由①可得：输油泵的噪声随功率P的增加而增大；

2）由②可得：功率P受输出压力及流量的影响，压力及流量越高，噪声越大；

3）由③可得：流量受排量及转速的影响；同时若存在燃油流量脉动，会进一步影响噪声指标；

由上述数学模型④可得：

油泵噪声随输出压力p、排量q、转速n的增加而增加。进一步的研究表明，q和P对噪声的影响大致相当，而n对噪声的影响比q和P的影响大得多。

2、输油泵总成各组成部件对噪声的影响

根据输油泵总成噪声模型分析，噪声受压力、排量、转速三方面的影响；因而对比输油泵总成的组成部件，影响其产生噪声的几个关键部件为：调压阀，叶轮、输油及回油支路，转子（电刷）。

2.1 调压阀结构设计对噪声的影响

2.1.1 调压阀的组成

调压阀的组成部分如图5所示，其开启压力的大小主要受下阀体中宝塔弹簧力的影响。

图5 调压阀的组成

调压阀的工作原理如图6所示：

图6 调压阀的工作原理

当输油泵不工作时，调压阀处于关闭状态。随着输油泵开始工作，持续的流量输出，滤清器后端外接的燃油管路至压力阀前端储油桶上所连接的回油支路（见图2）中，由于回油流量的增加而导致压力逐步上升，当回油聚积产生的压力能够克服调压阀下部的宝塔弹簧的弹力时，带有钢球的阀芯组件往下移动，与阀门形成一个通路，此时压力阀处于开启状态，将多余的燃油回送到油箱，使燃油系统保持恒定的压力。

随着流量的减少（发动机消耗或油泵输出降低等），回油产生的压力不足以克服宝塔弹簧的弹力时，此时密封面不能开启，也就无泄压存在。此时压力阀处于关闭状态。

2.1.2 调压阀压力设计

假定燃油系统中系统压力为P0，调压阀压力为Pt，一般情况下Pt低于系统压力P0的要求。Pt设定的压力的范围一般为。

由于噪声声压级Lp随着输出压力的降低而降低，因而降低调压阀的压力，其对噪声的贡献量将降低。

现有的验证方法为：一般情况下，整车启动后，维持怠速一段时间，拔除接插件，根据现有设计标准，车辆应维持15s左右。但是调压阀的压力不能过低（如超出下公差范围），若调压阀的压力过低（验证方法同上，拔除接插件，车辆维持时间≤5s时），其会导致发动机怠速转速偏低，导致油压不足，发动机运转无力等不良影响。

2.1.3 调压阀出油口设计

调压阀出油后，由于变径的作用，流体流速被放大，根据经验值，当流速大于2.35m/s后，则会产生明显的流体噪声。

图7 调压阀出油口

对策：通过调压阀出油口尺寸的适当调整，以将流速降低至2.35m/s以下，流体噪声便会得到很大的改善。

2.2 输油及回油支路对噪声的影响

现有输油泵总成，其储油桶组件上的输回油支路多采用波纹管结构，适当增加波纹管的内径，通过缓冲以降低泵芯输出油和调压阀出口口的流速，从而降低流体噪声。

2.3 叶轮结构设计对噪声的影响

目前叶轮的设计考虑到工艺、成本等因素，多为等距叶片。在输油泵总成工作时，在电驱动的作用下，叶轮会高速旋转，同时会产生叶片数×基频频率段的噪音问题。

图8 等距叶轮

如：某款输油泵总成叶轮的叶片数量为47，输油泵的基频为126HZ，则其会产生47×126HZ的频率段的噪声问题。

图9 非等距叶轮

对策：利用快速傅里叶分析仪（FFT）进行固有频率分布规律的测量，将叶轮的等距叶片改为非等距叶片的设计，以避开固有频率，同时保证叶轮的振动能量分布频率较宽，以降低其对噪声的贡献量。但是由于制造工艺复杂、成本压力较高的影响，目前绝大多数输油泵总成制造公司仍然为等距叶片的叶轮。

2.4 转子（电刷）对噪声的影响

本文所讨论的输油泵基于现有有刷电机的基础上进行噪声的优化考虑。有刷电机包括定子及转子两部分。定子为两片充磁磁铁，转子为线圈。

有刷电机的工作原理是：将直流电源接在两电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流的方向为：N极下的有效边中的电流总是一个方向，S极下的有效边中的电流总是另一个方向。这样两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从N(S) 极下转到S(N) 极下时，其中电流的方向必须同时改变，以使电磁力的方向不变，这是通过换向器的作用得以实现。

在输油泵工作过程中，由于扫掠过磁极的线圈电流方向总是相同的，在换向的过程中，碳刷很容易磨损；同时在电刷换向时，由于转子的动不平衡及部件之间的配合和精度的影响，会产生异常的“毛刺”，在高峰时可达正常值的三倍，这是导致高频噪声的主要原因。

图10 电刷结构

图9 泵芯各部分示意图

对策：

（1）在电刷间并联电容，吸收高频波，可以有效的消除高频噪声；

图11 并联电容示意图

（2）在泵芯外增加屏蔽罩，反射高频波，以降低高频噪音。

3、某款SUV车辆输油泵总成NVH噪声的解决方法

3.1 问题反馈

某款SUV车型在怠速时测量整车NVH性能，发现车内出现125Hz左右的峰值，车内怠速噪声声压级为45 dB(A)，超出了标准43 dB(A)的限值。同时车外出现高频噪声，影响主观评价，从而影响整车驾乘的舒适性。

3.2 问题排查

3.2.1 噪声来源的确认

主管评价认为噪声来源于燃油系统，通过消去试验法，即在输油泵检修口盖处增加铅皮覆盖，进行测试，测得结果如下：

图12 某款SUV车内噪声声压级过高排查对比（增加铅皮）

表1 某款SUV噪声增加铅皮前后声压级对比

分析：

由图12可以看出，绿色的曲线为增加铅皮后，其波峰处明显较红色曲线低，说明噪声从油泵检修口盖下方传来；进行声压级测试（如表1），明显降低约2 dB(A)。

3.2.2 拆除油箱后进一步验证

图13 某款SUV车内噪声声压级过高排查对比（拆除油箱）

表2 某款SUV噪声拆除油箱前后声压级对比

分析：

拆除油箱后，车内所有测点处的125Hz对应的声压级都大幅降低，说明燃油系统是车内125Hz噪声的主要贡献源。

3.2.3 油泵零部件频谱测试

测试地点：半消音室

图14 样品1#原输油泵总成噪声频谱测试

测试方法：油泵安装在油箱中，油箱内加油20L。麦克风在油泵正上方100cm。分别测量#1和#2样品在13.5V下噪音水平。

1#：13.5V 基频126.4HZ 一阶29.8 二阶40.4 三阶38.5 八阶31.7

图15 样品2#原输油泵总成噪声频谱测试

2#：13.5V 基频127.0HZ 一阶39.8 二阶43.2 三阶39.1 八阶34.0

分析：

根据油泵零部件频谱测试结果：1#及2#输油泵总成频谱上出现高峰毛刺现象，基频为125HZ左右，证实车内125HZ左右的噪声是由于油泵本体的基频引起的，非与油箱的共振引发。

3.3 解决方法

根据本文开始所述的输油泵总成的噪声模型及输油泵总成各组成部件对噪声的影响，针对某款SUV车型输油泵存在的噪声问题，结合实际，进行可实施的改进方法的选择与验证。

3.3.1 调整调压阀的压力

将该款SUV车辆启动后，维持怠速一段时间，拔除接输油泵总成上的线束插件，测量停转时间t。

测量结果：t=7s，低于一般要求的15s，说明调压阀的压力为Pt-10，为下限。

结论：该调压阀压力已经为偏下限设计，若进一步调低后，将导致发动机速转速偏低，油压不足。因而调整调压阀的压力该方法不可行。

3.3.2 加粗输回油支路，外罩屏蔽帽

方案：

改制样件1#：输、回油支路中的波纹管内径增加到φ12，通过加粗以缓冲流体噪声；同时到将泵芯外增加金属屏蔽帽，通过封闭反射高频噪声；

图16 增加屏蔽帽后，粗细波纹管输油泵总成噪声频谱对比

样件2#：输、回油支路中的波纹管内径保持φ8；同时泵芯外增加金属屏蔽帽。

对比测试得到的频谱如下：（绿色曲线为1#样件；红色曲线为2#样件）

分析：

1）图16与图14、15对比可得，增加EKP屏蔽帽后，输油泵总成在高峰处的“毛刺”得以消除，可以消除高频噪声；

2）加粗调压阀所连接的波纹管，可以降低1000以上的频率段，流体噪声可以得到稍许改善，说明该更改方案可行。

3.3.3 调压阀出油口、并联电容处理

方案：

改制样件3#：优化调压阀出油口，通过对尺寸的控制，将流速降低至2.35m/s以下；电刷之间进行并联电容处理；连同改制样件2#、原状态的问题输油泵4#，分别进行装车验证：

表3 样品状态对比

噪音测试（非消音室，测量环境噪音为28dB（A），驾驶室内各个点，单位dB（A））

图17 测试地点说明

表4 样品测试结果

分析说明：

1）4#样件对于整车声压级贡献较高，对比前排，贡献量为1 dB(A)～1.5 dB(A)；

2）2#样件对于整车声压级略有贡献，但是已经低于总声压级要求≤43 dB，效果有效；

3）3#样件对于整车声压级基本无贡献，且流体噪声不明显，总声压级改善较大，效果明显。

3.4.4 方案的实施

经上述几种方法验证，增加屏蔽帽，加粗调压阀外接管路可以一定程度上降低噪声；但是若总声压级的要求进一步降低，将难以满足要求；而优化调压阀出油口尺寸、转子屏蔽优化处理能够从根本上解决输油泵总成噪声的问题。

因而从优化某款SUV车型NVH性能出发，选择4.3.3中的3#方案。

4、结论

通过对输油泵总成的噪声模型分析、结构分解，找出影响NVH的相关部件，结合相关试验优化验证，找出降低输油泵总成对整车的NVH性能影响的解决办法。

输油泵总成NVH性能的提升可以通过加粗调压阀外接管路+泵芯外罩屏蔽帽的方式得以初步解决，但是该方法不能从根本上解决问题。从本质上来说，通过控制调压阀出油口尺寸及转子外接电容屏蔽的方法（设计非等距的叶轮可待工艺普及后）可以从噪声源的控制上根本提升NVH性能。

[1] 汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册:设计篇[M].北京:人民交通出版社.2001.

[2] 熊顺源,宋玉明.油泵噪声的产生及其控制:江汉大学学报，1998.06.

[3 ] 秦曾煌,电工学.上册：电工技术.高等教育出版社.

[4] 汽车构造. 机械工业出版社.2008.01.

Oil transfer pump assembly harshness (NVH) noise principle analysis and solution

Zhai Xiaohong
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

The NVH is very important for the vehicle. It affects driving coziness of customers. Generally speaking, people pay more attention to NVH which is normally related to the engine, exhaust and tire rather than the fuel system. This article focus on the fuel pump and the affect to the NVH of the vehicle by analysis and test, and finally find the solution of fuel pump to upgrade the NVH of the vehicle.

NVH; Fuel pump

U472.4

A

1671-7988 (2017)10-225-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.078

翟晓红，底盘设计主管，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心乘用车研究院。