汽车燃油箱降噪

基于汽车燃油箱降噪的分析 摘 要：随着汽车工业的不断发展，汽车上的振动与噪声问题日益受到关注。本文阐述一种鲜为人知的燃油箱低频噪声——燃油晃动噪声。汽车燃油箱是用来储存汽油供发动机燃烧的装置，一般由薄壁金属或塑料制造而成。燃油晃动噪声是在车辆行驶过程中，由于燃油在油箱当中晃动引起箱壁振动并传递到乘客舱内的噪声。本文从噪声和振动的原理出发，详细分析了汽车燃油晃动噪声产生和传递的机理。在此基础上，从零部件设计到整车集成的不同角度提出了多种解决方案，从噪声的源头和传递路径上进行降噪处理。 关键词：汽车燃油箱；晃动噪声；振动

ABSTRACT More and more attention is given to the NVH performance of a vehicle as the result of the growth of Chinese automotive market. This article introduces a noise that few people are aware of, fuel slosh noise. Fuel tank is a device to contain fuel for engine to combust on vehicle in automotive industry. It is often a thin container made of steel or plastic. Due to its special structure, it might create boring noise when vehicle is driving. In this article, analysis has been done regarding the systemic cause of fuel slosh noise according to noise and vibration theory. Different kinds of solutions are also presented to solve different kinds of root cause of the noise both in component level and system integration level. KEYWORDS: Automotive fuel tank；slosh noise；vibrate 1 绪论 1.1 研究背景 汽车有很多指标，如可靠性、安全性、噪声振动、节油性能等等。虽然安全性和可靠性等技术指标非常重要，可是噪声振动性能却越来越备受关注，已经成为影响一部汽车品牌最重要的指标之一。政府法规对汽车噪声与振动的要求越来越高，顾客购买汽车时，噪声与振动是主要考虑的因素之一，政府与顾客这两股力量使得汽车公司、有关政府机构、大学都投入大量人力与财力从事汽车降噪与减震的研究。多数顾客驾驶汽车时，期望得到安静与平稳，能够充分想用车内语音通信和音像娱乐系统，因此在购买汽车时非常在意汽车的振动与噪声性能。统计分析表明，汽车的振动与噪声性能和顾客对汽车总体印象和评价直接相关。除了追求传统的低噪声与振动外，顾客还不断地追求声音品质。如对豪华车要求安静、没有震动，而且声音中尽可能只含有发动机法频率成分；对运动车要求驾驶起来有动感，声音重要多含半阶成分[1]。 本论文课题看似不起眼，被很多人忽略，但对客户满意度有一定影响的一个问题：汽车燃油箱的晃动噪声。其来源是汽车企业的实际问题，汽车燃油箱是用来储存汽油供发动机燃烧的装置，一般由薄壁金属或塑料制造而成，由于其特殊的用途和结构，在车辆行驶过程中，可能会产生令人烦恼的晃动噪声。 由于有液体储存于油箱中，在汽车加速、减速或者是转向的时候，由于液体的惯性，使得液体相对于油箱有一个运动，这个运动产生了振动和噪声。高档轿车由于汽车内部的振动和噪声已经被控制在一个相当低的水平，油箱晃动产生的振动噪声在这类车上尤其明显，如果不加以研究和控制，会对消费者的满意度产生较大影响。 车辆在停止后发动机会在短时间内自动关闭，而一般的燃油箱晃动噪声会持续十秒至十五秒左右，此时由于发动机的背景噪声的消失，来自油箱的噪声将会非常被客户容易察觉到。油电混合动力车辆，包括目前的中等混合动力，如丰田普锐斯（Toyota Prius）,以及插电式混合动力车辆，它们的共同特点是在某些行驶条件下发动机出于不工作状态，车辆动力全部由车载电池以及电动机来提供，特别是在城市拥堵工况下，出于节油的目的，混合动力车辆会自动切换成纯电动模式，而此时，由于频繁的制动和起步，燃油晃动的噪声也是最严重的[2]。 由此可见，客户要求以及动力技术成为了解决燃油晃动噪声的两大驱动力。就目前了解的情况，各大主机厂以及油箱零部件供应商都投入了大量的精力用于解决这一问题。而从燃油晃动噪声的解决，既具有噪声问题的普遍特点，即综合性强、CAE技术有所局限、控制因子相互耦合等特点；同时，也有其自身的特点，比如液气两相问题、特殊的结构形式等。 1.2 国内外研究现状 对于国外已知的研究资料来看，对汽车燃油晃动噪声方面的资料文献非常稀少。这方面主要的研发动力来自于整车厂，但是由于国内外客户在这方面要求的不同，以及国内外车辆在噪声方面的性能不同，国外客户的抱怨要多于国内客户，加之本章开始提到的汽车动力系统的变革也是从国外最先开始，所以国外整车厂更重视燃油晃动噪声。就目前的资料显示，国外主机厂对这方面已经有了较为成熟的技术路线和整车策略，各式各样的解决方案也频频出现在了各类进口的高级轿车上。不过，由于国外对中国的技术封锁，可获得的资料聊聊无几。 国内目前很多自主品牌整车企业对燃油晃动噪声的研究仍然处于起步阶段，但由于国内整车企业目前多集中于中低档轿车的研发，这类轿车本身的噪声水平一般，由于成本低廉，客户往往可以忍受其噪声水平。这些主机厂对燃油晃动噪声的认识也停留在起步阶段，并没有特别引起重视。但是，随着中国汽车市场的逐渐成熟和发展，不久的将来，挑剔的中国客户将很快认识到燃油晃动噪声并且将其作为整车质量的评判依据之一，所以对这方面的研究刻不容缓。 各类科研机构由于没有市场的驱动，很少有人在这方面投入精力去研究。在国内，真正意识到并投入精力研究燃油晃动噪声的，应该是燃油生产企业以及部分合资品牌的主机厂。这些企业由于参与国外品牌的整车设计和零部件开发，对这方面的认识比较早，特别是油箱生产企业，由于要获得业务，不得不投入人力物力去提升技术实力，提高自己全球项目中的竞争力。不过由于燃油晃动噪声的涉及到很多深层次的理论，其研究需要基于对很多专业知识和理论的研究，而目前的国内企业大多数还不具备这种深入的跨学科的科研能力，所以技术发展很缓慢。 总而言之，通过对国外设计水平的分析可以发现，降低噪声有各种方法，在国外都已经有一些运用。而通过对自主品牌车辆的噪声水平的评估以及国内油箱供应商的技术交流发现，国内业界对油箱噪声的研究还处于起步阶段，分析能力以及技术解决方案都不太成熟。

2 汽车油箱噪声与振动概述 2.1 汽油油箱结构和功能简介 1990年以前，油箱主要以金属冲压片为主，金属油箱由冲压的上下部分通过沿油箱周长方向的凸缘焊接构成。油箱凸缘宽度大约为3/4英寸，在一些部位为了给其他零件提供间隙而折叠。金属油箱常常需要上下片焊接前在油箱内部放置放浪板和塑料储油罐。金属油箱为了确保准确放置油泵到油箱壳体上需要油位传感器现场焊接到油箱上。加油小门和通风管也需要焊接或铆接到油箱壳体上。 1990年以后，大多数新设计的油箱是单层HDPE所料，塑料油箱的优点是：由于塑料可以形成不规则形状并充分利用有效空间因此它们有更大的容积，抗腐蚀能力更强，低成本，开发周期短，油管及卡子预置在油箱壳体模具中。塑料油箱内部在制造过程中不易受影响（像铁油箱），因而防浪板和储油罐的功能可以用其他方式达到。 1996年以后的轿车和1998以后的卡车，新的蒸发排放法规需要车辆制造者及燃油系统满足低碳排放标准。因此，塑料油箱材料有EVOH阻隔层可以降低燃油的穿透性以使产品满足新的排放要求。同时，美国需要实施OBDII确保排放小于0.04英寸孔的当量泄漏量。 1998年以后的轿车，2000 年以后的轻型卡车，以及2004 年以后的全尺寸卡车，车辆制造者需要满足新的法规：LEVII和ORVR。因此，燃油系统需要满足低碳排放水平，ORVR需要燃油系统捕获整个加油过程中的排放。同时，需要满足新的实施新的OBDII，确保排放小于0.020英寸孔的当量泄漏量。 图2-1展现了一般油箱的外形和结构。 油箱上的一些配件的功能描述： (1) 油管夹－塑料管夹 用于保持油管位于油箱顶部。油管夹可以是热焊到油箱上也可以是预置于壳体模具中与油箱壳体一起成型； (2) 进油管－导电尼龙油管 用于连接油泵进油口和位于油箱前部的油管接头； (3) 油泵和油位传感器总成 负责输送油箱中的燃油到发动机。油位传感器决定了油箱中燃油的数量，输出电压信号给PCM，最后显示在仪表板上； (4) 油泵安装法兰－镀层钢板法兰 用于保证油泵和密封圈的安装； (5) 翻车阀 用于保持油箱通风，限制燃油逃到蒸发系统在极端情况下，防止翻车时燃油从油箱中泄漏； (6) 蒸发管 非导电尼龙管用于连接油泵蒸发口或翻车阀到碳罐； 图 2-1 一般油箱结构示意 Fig. 2-1 Fuel tank structure

(7) 把手 把手热板焊到油箱上，可以在装配中提供辅助帮助； (8) 蒸发循环管 非导电尼龙管用于提供联系和加油管，加油盖，以满足OBDII泄漏测试； (9) E-ring 镀层钢圈嵌入油箱壳体中，法兰锁进E-ring中用于确保油泵正确安装； (10)ICV 加油口用于连接油箱总成和加油管总成并防止反喷。ICV是热板焊到油箱总 成上的； (11)油箱壳体 六层 HDPE 燃油储存容器用于储存燃油； (12)油箱隔热罩 铁，塑料或铝构成的保护用于防止油箱总成； (13)螺母