新型燃料电池汽车的振动噪声性能开发

摘要：为了增强产品的吸引力，对于燃料电池汽车(FCV)的开发，设计要素也重点聚焦在其环境友好性和舒适性上。与其他类型车辆的性能开发一样，噪声-振动-平顺性(NVH)性能仍然是开发重点之一。描述了在进行FCV的开发过程中，如何基于一些特殊情况下实现舒适性的改进工作。这些工作包括FCV采用的特定辅助装置，包括动力总成悬置系统噪声、空调压缩机噪声、排气气流噪声，以及路噪等NVH现象。

关键词：舒适性 动力总成 悬置系统 燃料电池

前言

2014年12月初上市的燃料电池汽车(FCV)属于零排放的车型，它与内燃机车有着相近的续航里程(全时最大扭矩行驶时具有更好的舒适性)，从而获得市场好评。本文解析了在FCV开发过程中，在不损失舒适性的前提条件下，确保车内加速低噪声并且具备很好的动力响应的技术改进。

1、FCV车内加速噪声开发目标

FCV车与内燃机车最大的不同在于动力源不同，因而FCV车需要重点考虑因其特有的强制力产生的车内加速噪声(图1)。

图1 加速工况下的车内噪声考察点

表1 FCV的组件功能和工作条件

在内燃机车的加速车内噪声开发方面，强制力主要与发动机输出扭矩、功率，以及转速相关，声压随频率变化，这同样适于进、排气噪声。FCV基本上也考虑以上基本要素，可是与内燃机车不同的是，驾驶员加速时通过踩油门踏板来控制进气噪声，同时排气噪声随频率变化也有所不同，随着排气消声器的容量及排气阶次衰减，排气的气流噪声占主要成分(图2～3)。

图2 燃料电池系统布置

图3 进、排气的空气流图及排气噪声频谱

驾驶时的主观感觉对加速时的宽频带气流噪声起决定性作用，但是要改善这种特点的噪声非常困难。基于这种情况，需要检查强制力声源空压机(ACP)的吸气噪声。

FCV车采用的ACP带6个羽片式的容积型叶片，随转速变化的主要噪声阶次成分为6阶和12阶(图4)，对噪声平衡的模拟可以判断出舒适度的阶次比(图5)。

图4 ACP近场噪声特性(开发初期)

图5 ACP声压阶次的平衡

在不损失车内静谧性的情况下，需要确定在加速工况下各种噪声振动现象，比如路噪、风噪等(图6)。在此基础之上，兼顾驾驶过程中的声音随动力响应的随动性能的同时，设定各种强制力声源的目标值(表2)。

图6 设定加速时的车内声压级

图7 设定加速时的ACP声压级

2、进气噪声开发

跟普通的内燃机车一样，在发动机舱内搭载了ACP。下文具体说明ACP与变速箱，轴线单元与悬置系统的配置以及ACP的噪声改善。

2.1 动力总成悬置系统

在比较了刚性连接和柔性连接2种方式之后，FCV车通过适当匹配变速箱与ACP一体的构造方式，实现了降低ACP振动传递至车身的目标。ACP的振动传递主要集中在中、高频范围，一般来讲采用与变速箱刚性连接的方式有利于隔振。而从动力总成悬置系统传递过来的振动主要是低频成分，故采取橡胶隔振的效果较好(图8)。

表2 具有代表性的NVH现象及层级一览表

图8 ACP振动时不同连接方式的悬置振动响应的差别

综合考虑ACP中、高频振动的影响和变速箱及轴线单元，需要合理配置动力系统的位置。具体而言，将变速箱作为1个质量块考虑，在ACP侧并未采用橡胶悬置连接方式，而是采用了3点(前、后、左)悬置的搭接方式，达到了降低振动传递的效果(图9)。

图9 悬置系统的配置

电机噪声传递至车身的效果也取决于悬置特性。为了达到与内燃机车同等的续航里程，FCV在行驶时还需要考虑对能量进行回收等重要因素，不断储存更多的回收能量。随着能量回收增多，电机噪声也会增加，但刹车时反方向的扭矩也增加，这样可以给电机充电，同时悬置可以衰减刹车时的振动。为了进一步改善振动传递，通过解析动力系统中电机的振动，前悬置采用液压悬置可以达到很好的振动衰减效果，实现了动力系统悬置的设计目标。

2.2 ACP 噪声

开发中的FCV的ACP随转速变化的回流脉动是1个重要课题。如前所述，结构传递的噪声振动可以通过悬置系统的隔振方法衰减，而FCV特有的加速噪声主要是空气噪声传播成分。后流配管的辐射噪声是空气传播的主要传播路径(图10)。

因此，还必须通过合理设计扩张腔的管路，才能控制好辐射噪声水平。但是，所要控制的噪声频带范围很宽。单扩张腔构造设计对宽频带消声量的频率特性改进效果不够完善。本课题通过设计出1种多个扩张腔合成的扩张腔，达到了对宽频带噪声的改善效果(图11～12)。从而实现了FCV车特有的加速噪声开发目标。

图10 后流配管的配置

图11 多个扩张腔的设定效果

图12 回流脉动降低效果

车内噪声的开发设计表明，需要明确加速噪声中所包含ACP辐射噪声的改善目标。

3、排气气流噪声

ACP通过排气管排出的是空气和水。内燃机车的排气噪声必须考虑排气律动。FCV车的进气管容积很大，故排气脉动成分较小。但是，不能忽视排气气流对噪声的影响，必须尽可能降低气流噪声。以下分别介绍对车内噪声包括对空气传播和结构传播分别进行的改善和实施的方法。

3.1 空气传播成分

排气管表面的辐射噪声，气流噪声随着管内流体的速度变化而变化(图13)。

图13 管内流体速度与声压级的关系

种豆事件的第三天，又发生了一件让呼伦几乎疯掉的事情。如果说这之前的事情是老年人的通病的话，那么这件事，呼伦心想，完全是丈母娘的不晓事理了。

3.2 结构传播成分

排气管弯曲部位的紊流振动是产生振动的起因。所以从排气管的自由度考虑，尽量采取直线式的设计，但因为受到车身总布置的空间限制，直线式设计方案很难实施。因此，要避免排气管急剧弯曲变化，从而在构造上达到衰减振动的目的，实现传递到车身的振动减少的最终目标。通过以上设计能够大幅改善结构传播噪声成分(图14)。

图14 排气气流噪声改善结果

4、车辆静谧性改善

FCV在匀速行驶工况下，相对于发动机噪声，路噪和风噪等噪声振动现象比较突出。如前所述，在不损失车厢内高静谧性的同时，改善FCV特有的车内加速噪声性能(图15)。

图15 匀速行驶时的车内噪声特性

4.1 路噪

在确保续航里程，还有车内空间布置条件的前提下，后轮悬架采用了扭力梁。使得扭力梁的固有模态频率避开车内噪声频率的峰值(图16)。

图16 车内噪声峰值降低的效果

为了达成匀速行驶工况下的静谧性，需要确定不产生频率峰值。因此，如何错开对扭力梁的固有振动频率与车身骨架的固有振动频率，进行了动态减振器的设计。具体的做法是考虑各个方向的固有模态及动力吸振，实现衰减多个频率成分振动的目标。所以，在实施了改善辐射噪声的对策之后，路面噪声大幅衰减(图17)。

图17 后排阶次噪声的频率特性

4.2 风噪

车辆外造型设计是控制风噪的重要课题。车身翼子板及外饰板等车身外部造型特征对风噪具有重要影响。

一般来讲A柱与翼子板饰条附近角度可能产生气动涡流，从而引起声压变化，这种影响是风噪必须解决的1个重要课题。控制风噪就需要解决好翼子板及外饰条的设计问题(图18)。

图18 翼子板部位的气流模拟图

外部造型设计的初期阶段就要着重强调翼子板和机舱外饰条附近气流的控制，同时还要设计出最合适的外后视镜。在开发阶段的FCV就确保了风噪改善的目标。

5、结语

新型FCV车的NVH性能开发在兼顾车身空间构造的条件下，实现了车辆从低速到高速工况下的车辆舒适性等所有的性能目标。另外，实现了不同于内燃机车的加速车内噪声的开发，也实现了匀速行驶工况下的高静谧性，不仅确保了FCV的概念性能，同时还保证了全时输出扭矩和高静谧性。