燃油晃动噪声降噪方法研究

石坤，苏卫东，陈学宏

(亚普汽车部件股份有限公司，江苏扬州 225009)

0 引言

随着汽车技术的逐步发展，客户对汽车舒适性要求越来越高，而噪声水平是反映汽车综合质量最直观的因素之一，提高汽车的噪声水平可有效改善汽车整体舒适性。而随着整车动力及传动系统改善，PHEV、HEV等新能源汽车的推广普及，燃油晃动噪声将成为整车噪声的主要影响因素之一[1-2]。汽车在启停状态下，由于汽车速度的大幅度变化，燃油箱晃动噪声问题在一定程度上被放大，成为影响汽车舒适性较为突出的因素之一[3]，而解决燃油晃动噪声成为降低整车噪声的关键。目前，常用的降噪方法主要有在箱体内部增加防浪板或提高燃油箱刚度等手段，但在汽车降本增效、轻量化要求等新背景下，传统单一的降噪方法已不能完全满足客户的需求。

针对上述问题，从噪声产生的机制入手，提出了一种新的汽车燃油箱晃动噪声降噪方法。其用途主要有以下两个方面：(1)以打破箱体内部局部空腔产生的噪声;(2)阻止燃油直接撞击箱体，从而降低噪声。本文作者将该方法进行了噪声试验，并与传统降噪方案进行了对比试验，以验证其降噪效果。从试验结果来看，该燃油箱降噪方法效果明显，在轻量化、低成本、可制造性方面较传统降噪方法有一定的优势。为设计、开发解决噪声问题提供技术支持，达到降低成本、缩短开发周期的目的。

1 燃油晃动噪声问题分析

燃油系统新开发项目在整车路试过程中，燃油晃动产生的噪声较为明显，随后，在噪声实验室对燃油系统进行了独立的晃动试验，试验结果表明：在刹车过程中确实能听到明显的燃油晃动产生的噪声，据试验结果判断出产生噪声的位置主要集中在油箱拐角处，由于燃油在形成的局部密闭空腔晃动产生。

针对这一问题，文中进行了原因分析，并尝试了放置防浪板的传统降噪方法。噪声结果虽有一定程度地降低，但依旧不能满足当前的降噪需求。于是提出了放置新型防浪板与改善箱体结构并行的降噪方案，文中对这一降噪方案进行了试验验证，并与传统的降噪方案进行了对比分析。

解决晃动噪声问题主要从两方面入手，一是尽可能减少噪声的产生，二是从传递路径上削弱噪声的传递，以下从这两方面进行相关影响因素的分析[4]。图1为燃油系统固定模型。

图1 燃油系统固定模型

1.1 噪声影响因素分析

1.1.1 加速度

加速度是产生燃油晃动噪声最主要的因素，在汽车起动、刹车时，由于加速度的改变导致燃油晃动加剧，汽油高速碰撞油箱内壁或箱体内置件，从而产生晃动噪声。图2为加速度随时间变化曲线。

图2 加速度随时间变化曲线

1.1.2 绑带

燃油箱通过绑带固定在汽车底盘，燃油晃动产生的噪声通过绑带传递到汽车车身，进而传递至驾驶室。刚性较好的绑带在一定程度上可以减弱箱体振动，降低噪声的传递，如图3所示。

图3 绑带

1.1.3 减振垫

减振垫处于燃油箱与汽车底盘之间，既起到减小振动的作用，又可对燃油箱体进行一定的限位，如图4所示。燃油晃动噪声一部分在传播时通过减振垫传进驾驶室。减振垫由于其特殊的物理属性及结构，能部分隔绝燃油箱本体与车身之间噪声、振动的传递，在传播途径上可以降低燃油晃动噪声[4]。

图4 减振垫

1.1.4 箱体结构

在结构方面，对晃动噪声影响较大的因素主要有壁厚、材料阻尼、哈夫线、内置立柱(图5)、箱体刚度等。

图5 内置立柱

箱体刚度可以反映箱体的振动性能，改善箱体刚度对提高燃油系统噪声水平有至关重要的作用。目前主要采取的措施主要是在箱体表面增加倒三角结构、加强筋结构，如图6所示。

图6 箱体结构

1.1.5 防浪板

在箱体内放置防浪板是当前解决晃动噪声问题最为常用的方法，它能从源头上抑制噪声的产生。设置防浪板后，流体运动方向和速度发生改变，速度差引起油液内能损失；同时，由于流体运动方向发生改变，导致流场阻滞现象的产生，引起能量损耗[5]。

防浪板主要分为吹塑式防浪板、焊接式防浪板、装配式防浪板等。

吹塑式防浪板在箱体生产过程中一体成型，是箱体本体的一部分，该防浪板既可以减少后期的焊接工艺，又可以降低燃油系统的碳氢排放，但其对吹塑成型工艺、布置位置有一定的技术要求,如图7所示。

图7 吹塑式防浪板

焊接式防浪板是在箱体成型过程中进行焊接的成型工艺，对整个焊接过程中的焊接精度有较高的要求，是用于解决晃动噪声的方法之一，如图8所示。

图8 焊接式防浪板

装配式防浪板，安装方便，不需要后期进行二次焊接，其安装位置与防浪板尺寸容易受到箱体结构的影响，具有一定的局限性，但它却是可供选择的降噪方法,如图9所示。

图9 装配式防浪板

1.2 噪声传递路径分析

通常情况下，汽车燃油晃动噪声的传播途径(图10)主要有两种，即空气途径传播和结构途径传播。

图10 燃油晃动噪声传播途径

1.2.1 空气传播

空气传播主要是燃油晃动噪声引起箱体振动，通过空气振动传播至驾驶室，再传至人耳[6]。

1.2.2 结构传播

结构传播是晃动噪声经由绑带和减振垫传至车身底盘，从而进入驾驶室，传至人耳。该传播途径，绑带的性能、减振垫的性能对噪声的传播效果影响较大，综合性能良好的绑带和减振垫有助于减弱燃油晃动噪声的传播，对燃油晃动噪声降噪具有正相关作用。

2 解决方案

以上分别从噪声的产生因素及传播途径进行了分析，其中防浪板虽然能够在源头上预防噪声的产生，但该方法却不能抑制密闭空腔产生的噪声。

文中提出了一种晃动噪声降噪方案，可以降低燃油对油箱的碰撞，也可以抑制密闭空腔晃动噪声的方案，并对该方案进行了试验验证。

2.1 试验设备

为了降低背景噪声对试验结果影响，故此在半消声实验室进行试验。

2.1.1 台架

试验台架通过重力提供加速度，通过调整台架滑台垂直高度调节刹车前的油箱速度，油箱始终保持水平状态；台架在油箱前、左、右和油箱中心上方各有一个麦克风，麦克风与油箱距离均为500 mm，且与油箱时刻保持相对静止。

2.1.2 箱体

为了尽可能与整车工况保持一致，用尼龙绑带将箱体固定在台架上，对燃油箱的水平度也做了相应的要求。油箱的前进方向与整车状态保持一致。

2.1.3 麦克风

试验采用了四通道采集的方法，分别在箱体前、左、右和几何中心正上方放置了麦克风，麦克风的频率均为48 000 Hz，同时要保证通道间不相互影响。

2.2 噪声试验

2.2.1 试验方法

如图11所示黑色标记处在晃动噪声试验过程中噪声较为明显，初步分析是由于晃动过程中形成局部密闭空间引起的噪声，故将该结构改为箭头所指结构后进行试验。

图11 箱体结构示意

为了验证该方法的有效性，特增加了空箱晃动试验、带防浪板的晃动试验进行对比。

新的降噪方法主要是将防浪板与改善箱体局部结构综合运用，避免在箱体拐角处密闭空腔的形成，同时也抑制燃油在晃动时直接打在箱体内壁上，从而降低噪声的产生。

2.2.2 试验方案

为了验证该降噪方案的完整性，分别进行了轻刹试验和中刹试验，模拟的两种不同速度下的运动状态。

试验涵盖从低液位到高液位的噪声水平，从整车反映的噪声问题主要在高液位，因此，试验的液位主要包括25%、50%、70%、80%、90%和100%液位。采集的数据主要有箱体晃动压力和声压值两种，可从不同方面对比分析该方案的降噪水平。

2.3 试验结果分析

在试验时分别采集了油液晃动过程中麦克风的压力和分贝值，对比两种参数的差异水平，在试验过程中发现，噪声较大的时刻主要发生在6 s之前，因此，试验结果时只展示前6 s的试验数据。

2.3.1 晃动压力

通过图12可以看出，轻刹状态下，新的降噪方案在大部分液位时降噪效果较好，尤其是100%液位，降噪效果表现最好，但在90%液位时降噪效果最差。综合各液位试验结果，新的降噪方案在轻刹状态下有效果。

图12 轻刹试验压力结果

由图13试验结果可以验证，新的降噪方案在中刹状态下的降噪效果要优于防浪板方案。其中，在低液位时，油液的晃动空间较大，油液在晃动时先接触到防浪板，防浪板在一定程度上增大了晃动的阻力，吸收的部分晃动能量，减少了噪声的产生。在高液位时，防浪板对油液晃动的阻力有一定的减弱，降噪效果也变弱，且易形成密闭空腔，避免密闭空腔的形成能明显降低晃动噪声。

图13 中刹试验压力结果

2.3.2 晃动声压级

为了尽可能与整车工况保持一致，选取油箱正中心上方的麦克风采集的数据作为试验对比数据。考虑到晃动噪声最大值出现的时刻，选取前6 s的试验数据作为对比。

如图14所示，轻刹状态下，新的方案降噪效果优异，70%液位时效果最为明显，90%、100%液位时，降噪效果与防浪板方案较为相似，仍具有一定的降噪效果。

图14 轻刹试验分贝结果

如图15所示，中刹状态下低液位时，新降噪方案效果明显，具有优势；90%、100%时，降噪效果虽表现得与防浪板降噪方案相近，但对噪声最大值的削弱作用较大，整体的降噪效果要优于传统防浪板方案。

从试验结果可以看出，无论从压力还是从分贝方面对比新的降噪方案与防浪板降噪方案，前者都明显优于后者。从整个液位范围，无论轻刹、中刹，新的降噪方案在低液位的降噪效果比防浪板降噪方案明显。

高液位降噪效果减弱，有可能是因为油液较多，防浪板接触油液的面积达到饱和状态，对燃油晃动的阻尼作用减小。

3 结束语

文中针对整车试验反映的燃油晃动噪声问题，对油箱晃动产生噪声的原因做了分析，找出产生噪声的位置，探索出新的降噪方法。

对于晃动时密闭空腔噪声及油液碰撞箱体上表面产生的噪声，文中尝试的新的降噪方法有助于避免密闭空腔的产生，减弱油液对箱体上表面的撞击，从而降低燃油系统的晃动噪声。

根据试验结果分析，该降噪方案对燃油晃动噪声有显著的降噪作用，适用于有密闭空腔噪声产生的情况，与其他降噪方案相比，该方案在低成本、轻量化和工艺等方面有一定的优势。就防浪板和箱体结构本身而言，还有一定的改善空间，如果改善防浪板上孔的结构，降噪效果估计会得到一定的提高，在后续的研究中将会进行进一步的验证。