车用电子水泵噪声和振动特性试验分析

摘 要: 设计试验方案对不同的电子水泵进行NVH试验，在不同工况下通过数据采集系统对电子水泵的噪声和振动信号进行记录和分析。试验结果表明:电子水泵径向噪声明显大于轴向噪声;试验泵的噪声明显大于对标泵;在电子水泵的加速过程中，转速波动是电子水泵产生噪声和振动突变的主要原因。通过分析电子水泵噪声阶次图，发现电子水泵在4500Hz频带处产生结构共振噪声;在高转速工况下，流体动力噪声对电子水泵的噪声贡献量较大;在中低速工况下，电磁噪声对于电子水泵的噪声贡献量较大，脉冲宽度调制是电子水泵产生电磁噪声的主要原因。研究结论对电子水泵的设计和控制方法提出改进意见，为电子水泵减振降噪提供试验数据和研究方向。

关键词:电子水泵;噪声;振动;试验分析

0 前言

随着汽车零部件电子化的发展，为满足发动机在变转速工况下的热需求和提升发动机性能及燃料经济性，电子水泵得到了越来越广泛的应用。目前，国内研发和生产的电子水泵已经基本满足发动机在不同运行工况下准确和及时工作的要求，但是当汽车处于自动启停或后冷却状态时，发动机停止工作，电子水泵工作产生的噪声显得格外明显。目前，国内在汽车电子水泵水力设计、测试系统设计和控制器研发等方面已经取得一定的进展，但在噪声试验方法和噪声特性分析等方面研究较少，电子水泵的噪声和振动产生机制尚不明确。

本文作者在匀速工况和加速工况下对电子水泵的进行NVH(Noise Vibration Harshness)试验，基于电子水泵在实际工作过程中噪声和振动的试验结果，对噪声和振动产生机制进行分析，为后续减振降噪的方法研究和产品设计奠定基础。

1 噪声和振动试验

1.1 试验对象

汽车电子水泵属于离心泵的一种，泵轴直接与电机相连，通过电子控制器或驱动电路控制定子绕组的励磁来控制电机的运行。如图1所示，该泵有一个密封的外壳，将定子绕组和电路进行塑封，以免发生浸漏导致电子控制器短路无法正常工作。如图2所示，电子水泵主要由过流单元、电机单元和电子控制单元三部分组成。电子控制单元是控制水泵的核心，与车载ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)建立通信，当车载ECU接收到油温、油压、扭矩和转速等信号时，采用预先设定的策略给电子水泵发送一个PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号，通过PWM信号的占空比变化实现电子水泵的转速调节。

图1 电子水泵实物

图2 电子水泵结构

试验选取3种不同功率的电子水泵，不同功率的试验泵和对标泵各选取一个，样品1和样品2为60W，样品3和样品4为90W，样品5和样品6为110W。其中，样品1、4和6为对标泵，样品2、3和5为试验泵。

1.2 测试台架

为了测量电子水泵的主要参数，参考行业标准设计一款车用电子水泵性能测试台架。台架主要由以下部分组成:平台本体、储水箱、测试管路、压力传感器和流量传感器。台架参数如表1所示，台架运行流程如图3所示，电子水泵安装如图4所示。

表1 车用电子水泵测试台架参数

图3 电子水泵测试台架示意

图4 电子水泵安装布置简图

1.3 传感器布置

试验一共布置2个声学传感器，分别位于到电机壳中间的径向距离20cm处和到电子水泵轴承座顶盖的轴向距离20cm处，振动传感器固定在电子水泵轴承座顶盖中心位置。图5(a)为声学传感器布置情况，图5(b)为振动传感器布置情况，电子水泵与测试台架的进、出水管对应连接，X方向为泵的垂向方向，Y方向为泵的径向方向，Z方向为泵的轴向方向。

图5 测点布置示意

1.4 试验工况设置

试验在半消音室内进行，测试台架放置在半消声室内的中心位置，测试装置必须允许最大程度上的水力循环。参考汽车水泵半消声室噪声测试方法，对电子水泵的振动和噪声进行测试。由于电子水泵为高度集成式水泵，水泵控制电机和水泵叶轮、内部腔室集成安装在同一壳体内，无法直接测量水泵转速。

根据控制器的占空比和设定转速的线性关系，确定电子水泵的转速。工况主要根据电子水泵的流量和转速进行划分，试验运行工况通过节流阀和电机输入信号的占空比来调节。试验工况分为匀速工况和加速工况，匀速工况根据电子水泵的转速和流量细分成7个工况，如表2所示，匀速工况测量时间为10s。加速工况试验过程中，固定节流阀位置不变，电子水泵的转速从1200r/min提升至4800r/min，加速工况测试时间为90s。

表2 试验工况

采用加窗Hanning函数的短时傅里叶变换对时域数据进行频谱分析，以样品4的工况5为例，噪声和振动信号的频谱图分别如图9和图10所示。

图6 各泵在匀速工况下径向噪声

图7 各泵在匀速工况下轴向噪声

图8 各泵在匀速工况下的振动

图9 电子水泵噪声频谱

图10 电子水泵振动频谱

2 试验数据分析

离心泵系统中噪声的来源很多，运行过程中泵的各个部件和内部流动介质无论是在正常工况下或故障工况下都会产生不同程度的噪声。与传统的冷却水泵相比，电子水泵增加了电机单元，噪声主要可分为流体动力噪声、电磁噪声和机械噪声。由于我国电子水泵产业在产品设计、生产组装和产品调校等方面还不是十分成熟，目前对于电子水泵的噪声产生机制尚不明确，通过试验为噪声和振动产生机制分析提供有力依据。

2.1 匀速工况

匀速工况为电子水泵在匀速运转时的工况，对各样品泵在不同工况点进行测试，噪声和振动统计结果见图6—图8。

分析电子水泵振动和噪声试验结果可知:电子水泵的轴向噪声、径向噪声和振动总体上随着工况的变化而增大，并且电子水泵的功率越大，噪声和振动普遍也会越大。通过对比不同功率的试验泵与对标泵，发现试验泵噪声和振动相对较大，试验泵与对标泵相比在技术上仍然存在一定差距。试验结果表明，电子水泵径向噪声明显高于轴向噪声。根据测振法来改变振动的测点，基本上可以把电磁噪声和轴承噪声区分开来，基本判断电子水泵的电磁噪声较大。对于采用无刷结构且转子已完成动平衡的电子水泵，机械噪声对于噪声的贡献量较小，电磁噪声的贡献量相对较大。

根据电子水泵噪声和振动的频谱分析结果，在中低频部分1500～2100Hz之间的振动和噪声输出较为显著，在高频部分10000和20000Hz频带处产生的振动和噪声输出比较显著。因此，该工况下电子水泵噪声主要影响的频率范围集中在1500～2100、10000和20000Hz频带处。对于电子水泵而言，低频噪声一般与过流单元和机械因素有关，中频噪声和电机单元的电磁特性有关，而高频噪声大多和电子控制单元相关。

2.2 加速工况

为分析电子水泵在加速过程中的噪声和振动，对各样品泵进行测试。加速工况下采用时间跟踪法，固定节流阀位置不变，电子水泵转速从1200r/min匀加速提升至4800r/min。

以样品4为例，电子水泵噪声和振动的试验结果分别如图11和图12所示。结合噪声和振动在加速过程的试验结果分析，发现噪声和振动的突变具有一致性。轴向噪声和径向噪声大小总体上随着转速的增加而增加，径向噪声明显高于轴向噪声，噪声波动明显并且伴有突变。由振动传感器采集的X、Y、Z轴的振动数据可知，电子水泵垂向振动和径向振动在加速过程中相对较小，轴向振动相对较大，对电子水泵的加速稳定性产生较大影响。一般来说，轴向振动与电机轴向电磁力、转子动平衡以及轴承装配等有关，需要进一步分析。

图11 电子水泵加速工况下声压级曲线

图12 电子水泵加速工况下振动曲线

在加速过程中，轴向噪声和径向噪声产生了3次较大突变，对于电子水泵的噪声波动性影响较大。对采集到的压差数据和噪声信号进行分析，发现第一次和第二次噪声的突变是由于电子水泵在加速过程中，电机转速突然升高导致的振动和噪声突然增加;第三次噪声和振动的突变是由于在加速过程中电子水泵电机单元未能及时响应电子控制单元的信号，转速瞬间降低，振动和噪声变小。在电子水泵的加速过程中，转速波动是电子水泵产生噪声和振动突变的主要原因，并且随着流量的增加，转速波动越来越剧烈。现阶段电子水泵的可控性、稳定性以及加速时的平顺性较差，对于后续电子水泵的转速控制精度和响应速度提出了新的要求。

由于现有条件限制，无法采集到电子水泵的转速信号，在绘制电子水泵阶次图时采用跟踪时间的方式。对图13所示的噪声试验结果进行分析，发现4500Hz频带处存在一条垂直于频率轴的高亮区域且不随转速增加而变化，表明该频率为电子水泵的固有结构噪声。轴承、水封装置、叶轮和泵壳(体)等及其装配关系为主要影响因素，为结构设计提出改进方向和意见，以防止结构共振噪声。在高转速工况下，电子水泵低频段噪声较为明显，表明流体动力噪声对电子水泵噪声贡献量较大;在中低速工况下，10000和20000Hz频带处的噪声对电子水泵噪声的贡献量较大。在10000和20000Hz频带处，阶次线关于这些频率呈明显对称的伞状分布，这是由于电机变频器造成的。10000和20000Hz为PWM的开关频率，在一个PWM输入周期内，控制信号输入则电机转速上升，没有控制信号输入则电机转速下降，从而在一个周期里形成转速的波动并形成了伞状阶次频率，这个频率随着转速的增加从而形成了阶次线。

由于PWM开关频率较高，造成的噪声穿透能力较强，主观感觉特别尖锐和刺耳，对电子水泵的噪声贡献较大，是电子水泵减振降噪急需解决的首要问题。PWM相关的高频电磁噪声，一般通过控制算法来改善，对于电子水泵控制器研发和控制算法的设计提出针对性要求。

图13 电子水泵噪声阶次图

3 结束语

在不同工况下对电子水泵进行了NVH试验，并通过对电子水泵的噪声和振动进行分析，得出以下结论:

(1)电子水泵的径向噪声明显高于轴向噪声，轴向振动大于垂向振动和径向振动，试验泵的噪声和振动明显大于对标泵。

(2)电子水泵的转速波动是电子水泵在加速过程中产生振动和噪声突变的主要原因，提高电子水泵的转速可控性成为降低噪声和振动的重要手段。

(3)根据电子水泵噪声阶次图，电子水泵在4500Hz频带处产生结构共振噪声。该结论为电子水泵的结构设计提供试验参考。

(4)在高转速工况下，流体动力噪声对电子水泵噪声贡献量较大;在中低速工况下，电磁噪声对电子水泵噪声贡献量较大，为电子水泵减振降噪提供研究方向。

(5)脉冲带宽调制引起的电磁噪声是电子水泵产生电磁噪声的主要原因，对于电子水泵控制器设计和控制算法改进提供试验依据。

作者：李亚伟 ，马西沛 ，刘宁宁 ，朱海钟 ，何郑

作者单位：上海工程技术大学机械与汽车工程学院， 华域皮尔博格泵技术有限公司

文章来源：流动的汽车