摘 要: 設計試驗方案對不同的電子水泵進行NVH試驗，在不同工況下通過數據采集系統對電子水泵的噪聲和振動信號進行記錄和分析。試驗結果表明:電子水泵徑向噪聲明顯大于軸向噪聲;試驗泵的噪聲明顯大于對標泵;在電子水泵的加速過程中，轉速波動是電子水泵產生噪聲和振動突變的主要原因。通過分析電子水泵噪聲階次圖，發現電子水泵在4500Hz頻帶處產生結構共振噪聲;在高轉速工況下，流體動力噪聲對電子水泵的噪聲貢獻量較大;在中低速工況下，電磁噪聲對于電子水泵的噪聲貢獻量較大，脈沖寬度調制是電子水泵產生電磁噪聲的主要原因。研究結論對電子水泵的設計和控制方法提出改進意見，為電子水泵減振降噪提供試驗數據和研究方向。

關鍵詞:電子水泵;噪聲;振動;試驗分析

0 前言

隨著汽車零部件電子化的發展，為滿足發動機在變轉速工況下的熱需求和提升發動機性能及燃料經濟性，電子水泵得到了越來越廣泛的應用。目前，國內研發和生產的電子水泵已經基本滿足發動機在不同運行工況下準確和及時工作的要求，但是當汽車處于自動啟停或后冷卻狀態時，發動機停止工作，電子水泵工作產生的噪聲顯得格外明顯。目前，國內在汽車電子水泵水力設計、測試系統設計和控制器研發等方面已經取得一定的進展，但在噪聲試驗方法和噪聲特性分析等方面研究較少，電子水泵的噪聲和振動產生機制尚不明確。

本文作者在勻速工況和加速工況下對電子水泵的進行NVH(Noise Vibration Harshness)試驗，基于電子水泵在實際工作過程中噪聲和振動的試驗結果，對噪聲和振動產生機制進行分析，為后續減振降噪的方法研究和產品設計奠定基礎。

1 噪聲和振動試驗

1.1 試驗對象

汽車電子水泵屬于離心泵的一種，泵軸直接與電機相連，通過電子控制器或驅動電路控制定子繞組的勵磁來控制電機的運行。如圖1所示，該泵有一個密封的外殼，將定子繞組和電路進行塑封，以免發生浸漏導致電子控制器短路無法正常工作。如圖2所示，電子水泵主要由過流單元、電機單元和電子控制單元三部分組成。電子控制單元是控制水泵的核心，與車載ECU(Electronic Control Unit，電子控制單元)建立通信，當車載ECU接收到油溫、油壓、扭矩和轉速等信號時，采用預先設定的策略給電子水泵發送一個PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制)信號，通過PWM信號的占空比變化實現電子水泵的轉速調節。

圖1 電子水泵實物

圖2 電子水泵結構

試驗選取3種不同功率的電子水泵，不同功率的試驗泵和對標泵各選取一個，樣品1和樣品2為60W，樣品3和樣品4為90W，樣品5和樣品6為110W。其中，樣品1、4和6為對標泵，樣品2、3和5為試驗泵。

1.2 測試臺架

為了測量電子水泵的主要參數，參考行業標準設計一款車用電子水泵性能測試臺架。臺架主要由以下部分組成:平臺本體、儲水箱、測試管路、壓力傳感器和流量傳感器。臺架參數如表1所示，臺架運行流程如圖3所示，電子水泵安裝如圖4所示。

表1 車用電子水泵測試臺架參數

圖3 電子水泵測試臺架示意

圖4 電子水泵安裝布置簡圖

1.3 傳感器布置

試驗一共布置2個聲學傳感器，分別位于到電機殼中間的徑向距離20cm處和到電子水泵軸承座頂蓋的軸向距離20cm處，振動傳感器固定在電子水泵軸承座頂蓋中心位置。圖5(a)為聲學傳感器布置情況，圖5(b)為振動傳感器布置情況，電子水泵與測試臺架的進、出水管對應連接，X方向為泵的垂向方向，Y方向為泵的徑向方向，Z方向為泵的軸向方向。

圖5 測點布置示意

1.4 試驗工況設置

試驗在半消音室內進行，測試臺架放置在半消聲室內的中心位置，測試裝置必須允許最大程度上的水力循環。參考汽車水泵半消聲室噪聲測試方法，對電子水泵的振動和噪聲進行測試。由于電子水泵為高度集成式水泵，水泵控制電機和水泵葉輪、內部腔室集成安裝在同一殼體內，無法直接測量水泵轉速。

根據控制器的占空比和設定轉速的線性關系，確定電子水泵的轉速。工況主要根據電子水泵的流量和轉速進行劃分，試驗運行工況通過節流閥和電機輸入信號的占空比來調節。試驗工況分為勻速工況和加速工況，勻速工況根據電子水泵的轉速和流量細分成7個工況，如表2所示，勻速工況測量時間為10s。加速工況試驗過程中，固定節流閥位置不變，電子水泵的轉速從1200r/min提升至4800r/min，加速工況測試時間為90s。

表2 試驗工況

采用加窗Hanning函數的短時傅里葉變換對時域數據進行頻譜分析，以樣品4的工況5為例，噪聲和振動信號的頻譜圖分別如圖9和圖10所示。

圖6 各泵在勻速工況下徑向噪聲

圖7 各泵在勻速工況下軸向噪聲

圖8 各泵在勻速工況下的振動

圖9 電子水泵噪聲頻譜

圖10 電子水泵振動頻譜

2 試驗數據分析

離心泵系統中噪聲的來源很多，運行過程中泵的各個部件和內部流動介質無論是在正常工況下或故障工況下都會產生不同程度的噪聲。與傳統的冷卻水泵相比，電子水泵增加了電機單元，噪聲主要可分為流體動力噪聲、電磁噪聲和機械噪聲。由于我國電子水泵產業在產品設計、生產組裝和產品調校等方面還不是十分成熟，目前對于電子水泵的噪聲產生機制尚不明確，通過試驗為噪聲和振動產生機制分析提供有力依據。

2.1 勻速工況

勻速工況為電子水泵在勻速運轉時的工況，對各樣品泵在不同工況點進行測試，噪聲和振動統計結果見圖6—圖8。

分析電子水泵振動和噪聲試驗結果可知:電子水泵的軸向噪聲、徑向噪聲和振動總體上隨著工況的變化而增大，并且電子水泵的功率越大，噪聲和振動普遍也會越大。通過對比不同功率的試驗泵與對標泵，發現試驗泵噪聲和振動相對較大，試驗泵與對標泵相比在技術上仍然存在一定差距。試驗結果表明，電子水泵徑向噪聲明顯高于軸向噪聲。根據測振法來改變振動的測點，基本上可以把電磁噪聲和軸承噪聲區分開來，基本判斷電子水泵的電磁噪聲較大。對于采用無刷結構且轉子已完成動平衡的電子水泵，機械噪聲對于噪聲的貢獻量較小，電磁噪聲的貢獻量相對較大。

根據電子水泵噪聲和振動的頻譜分析結果，在中低頻部分1500～2100Hz之間的振動和噪聲輸出較為顯著，在高頻部分10000和20000Hz頻帶處產生的振動和噪聲輸出比較顯著。因此，該工況下電子水泵噪聲主要影響的頻率范圍集中在1500～2100、10000和20000Hz頻帶處。對于電子水泵而言，低頻噪聲一般與過流單元和機械因素有關，中頻噪聲和電機單元的電磁特性有關，而高頻噪聲大多和電子控制單元相關。

2.2 加速工況

為分析電子水泵在加速過程中的噪聲和振動，對各樣品泵進行測試。加速工況下采用時間跟蹤法，固定節流閥位置不變，電子水泵轉速從1200r/min勻加速提升至4800r/min。

以樣品4為例，電子水泵噪聲和振動的試驗結果分別如圖11和圖12所示。結合噪聲和振動在加速過程的試驗結果分析，發現噪聲和振動的突變具有一致性。軸向噪聲和徑向噪聲大小總體上隨著轉速的增加而增加，徑向噪聲明顯高于軸向噪聲，噪聲波動明顯并且伴有突變。由振動傳感器采集的X、Y、Z軸的振動數據可知，電子水泵垂向振動和徑向振動在加速過程中相對較小，軸向振動相對較大，對電子水泵的加速穩定性產生較大影響。一般來說，軸向振動與電機軸向電磁力、轉子動平衡以及軸承裝配等有關，需要進一步分析。

圖11 電子水泵加速工況下聲壓級曲線

圖12 電子水泵加速工況下振動曲線

在加速過程中，軸向噪聲和徑向噪聲產生了3次較大突變，對于電子水泵的噪聲波動性影響較大。對采集到的壓差數據和噪聲信號進行分析，發現第一次和第二次噪聲的突變是由于電子水泵在加速過程中，電機轉速突然升高導致的振動和噪聲突然增加;第三次噪聲和振動的突變是由于在加速過程中電子水泵電機單元未能及時響應電子控制單元的信號，轉速瞬間降低，振動和噪聲變小。在電子水泵的加速過程中，轉速波動是電子水泵產生噪聲和振動突變的主要原因，并且隨著流量的增加，轉速波動越來越劇烈。現階段電子水泵的可控性、穩定性以及加速時的平順性較差，對于后續電子水泵的轉速控制精度和響應速度提出了新的要求。

由于現有條件限制，無法采集到電子水泵的轉速信號，在繪制電子水泵階次圖時采用跟蹤時間的方式。對圖13所示的噪聲試驗結果進行分析，發現4500Hz頻帶處存在一條垂直于頻率軸的高亮區域且不隨轉速增加而變化，表明該頻率為電子水泵的固有結構噪聲。軸承、水封裝置、葉輪和泵殼(體)等及其裝配關系為主要影響因素，為結構設計提出改進方向和意見，以防止結構共振噪聲。在高轉速工況下，電子水泵低頻段噪聲較為明顯，表明流體動力噪聲對電子水泵噪聲貢獻量較大;在中低速工況下，10000和20000Hz頻帶處的噪聲對電子水泵噪聲的貢獻量較大。在10000和20000Hz頻帶處，階次線關于這些頻率呈明顯對稱的傘狀分布，這是由于電機變頻器造成的。10000和20000Hz為PWM的開關頻率，在一個PWM輸入周期內，控制信號輸入則電機轉速上升，沒有控制信號輸入則電機轉速下降，從而在一個周期里形成轉速的波動并形成了傘狀階次頻率，這個頻率隨著轉速的增加從而形成了階次線。

由于PWM開關頻率較高，造成的噪聲穿透能力較強，主觀感覺特別尖銳和刺耳，對電子水泵的噪聲貢獻較大，是電子水泵減振降噪急需解決的首要問題。PWM相關的高頻電磁噪聲，一般通過控制算法來改善，對于電子水泵控制器研發和控制算法的設計提出針對性要求。

圖13 電子水泵噪聲階次圖

3 結束語

在不同工況下對電子水泵進行了NVH試驗，并通過對電子水泵的噪聲和振動進行分析，得出以下結論:

(1)電子水泵的徑向噪聲明顯高于軸向噪聲，軸向振動大于垂向振動和徑向振動，試驗泵的噪聲和振動明顯大于對標泵。

(2)電子水泵的轉速波動是電子水泵在加速過程中產生振動和噪聲突變的主要原因，提高電子水泵的轉速可控性成為降低噪聲和振動的重要手段。

(3)根據電子水泵噪聲階次圖，電子水泵在4500Hz頻帶處產生結構共振噪聲。該結論為電子水泵的結構設計提供試驗參考。

(4)在高轉速工況下，流體動力噪聲對電子水泵噪聲貢獻量較大;在中低速工況下，電磁噪聲對電子水泵噪聲貢獻量較大，為電子水泵減振降噪提供研究方向。

(5)脈沖帶寬調制引起的電磁噪聲是電子水泵產生電磁噪聲的主要原因，對于電子水泵控制器設計和控制算法改進提供試驗依據。

作者：李亞偉 ，馬西沛 ，劉寧寧 ，朱海鐘 ，何鄭

作者單位：上海工程技術大學機械與汽車工程學院， 華域皮爾博格泵技術有限公司

文章來源：流動的汽車