摘 要

隨著市場法規(guī)對汽車排放和安全性要求越來越嚴格，塑料油箱被廣泛地應用于乘用車開發(fā)之中，同時市場用戶對油液晃動引起的車內振動噪聲問題越來越關注，常常會引起市場抱怨。本文以某緊湊型轎車的油液晃蕩問題為案例，系統(tǒng)性地進行整車振動噪聲測試分析與排查，結合晃動等效動力學模型，闡述了潛在機理，并提出了具體的工程控制措施與解決思路。同時，本文通過傳遞路徑的方案優(yōu)化，降低了油箱晃動激勵到車內的傳遞，顯著改善了車內的晃蕩問題，提升了駕駛的舒適性這為指導解決塑料油箱晃動引起的整車振動噪聲問題，提升燃油系統(tǒng)NVH性能的集成開發(fā)能力，有較重要的工程參考意義。

關鍵詞：塑料燃油箱；油液晃動；傳遞路徑；防浪板NVH

中圖分類號：U464 文獻標識碼：A

作者：張軍、尚飛、楊林鋼、董海威

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司,浙江寧波，315336）

1 引言

由于塑料油箱具備空間設計利用率高，材料可回收率高、輕量化、耐腐蝕、耐沖擊、低燃油滲漏量、耐久可靠、高生產效率和低熱傳導等優(yōu)點，以及市場法規(guī)對汽車排放和安全性要求也越來越嚴格。因此，塑料油箱被廣泛地應用于國內乘用車開發(fā)之中。同時，隨著動力傳動NVH性能水平的整體提高，以及市場用戶對汽車舒適性越來越關注，燃油箱油液晃動引起的車內噪聲問題就被凸顯出來。尤其是對于HEV、PHEV和REEV等新能源車型而言，由于起步與低速行駛工況的電驅動系統(tǒng)輸出力矩大、噪聲小，整車的油液晃蕩問題就更明顯。

液體晃動是在自由液面的液體在有限空間內，在外部或內部物理化學等擾動激勵下，發(fā)生的流固耦合復雜運動形態(tài)，具有較強的非線性、不穩(wěn)定性和非周期性。H.H.Abramsonde等[1]詳細描述了對航天器液體晃動動力學的研究、發(fā)展和應用情況；GrahamE.W.[2]基于勢流理論方法，建立了小幅液體晃動的等效力學模型；QuFang等[3]通過試驗測試方法，在燃油箱內填充網狀聚氨酯泡沫材料，提高了防火抑爆水平，并降低了油液沖擊晃動的影響。在汽車行業(yè)內，Agawane等[4]設計了一種實驗裝置，研究了矩形箱內液體晃動噪聲的產生和傳播；屠翔宇等[5]基于整車OTPA傳遞路徑模型，分析了結構路徑的振動加速度頻譜和傳遞函數頻譜特征；Chitkara等[6]通過VOF方法建立了不同內部結構的汽車油箱晃動計算模型，對比研究了不同充液率和加速度下的燃油晃動特性；張允峰[7]提供了幾種缺陷汽車油箱結構形式，以及燃油晃動異響的解決方法。

本文針對于某緊湊型轎車的油液晃蕩問題，系統(tǒng)性地進行整車振動噪聲測試分析與排查，結合有限空間的自由液面等效動力學模型，闡述了油箱晃動導致車內振動噪聲問題的潛在機理，提出了具體的工程控制措施與解決思路，并通過傳遞路徑的優(yōu)化，顯著地改善了車內感知的油箱晃蕩噪聲問題，提升了駕駛舒適性水平。

2 問題描述與分析排查

某緊湊型轎車在起步前進或倒退工況，以及行駛制動過程中，車內駕乘人員能夠感知到燃油箱內的“咚咚”油液晃蕩聲音，尤其在后排更為明顯。由于駐車時車內總體噪聲量級較低，并且沒有路噪和風噪等聲音的掩蔽作用，這種不平穩(wěn)的晃蕩聲會影響駕乘人員對車型性能質量的感知，容易產生不安全感，可能導致市場用戶的抱怨。

2.1?油箱結構設計簡介

該車型燃油箱采用高密度多層共擠成型的塑料油箱，容積50升，通過左/右兩條綁帶固定在地板中部，采用橫向布置形式，綁帶與車身采用四顆螺栓進行固定連接，油箱上體表面與地板之間有多個EPDM材質的橡膠隔振墊，油箱內部無防浪板和哈夫管等增強結構。燃油箱的安裝結構與整車的坐標系設置，如圖1所示。

圖1燃油箱的安裝結構簡圖與坐標系設置

2.2?整車晃蕩聲的測試方法

經主觀評價與反復排查，發(fā)現(xiàn)在燃油箱油量1/2以上時的倒擋起步工況，油液的晃蕩聲最為明顯，后排右側乘客甚至能察覺到座墊的前后晃動感。所以，為了分析此噪聲特征與潛在的傳遞路徑，在燃油箱底部殼體布置加速度振動傳感器，以及在油箱底部和車內分別布置麥克風，并通過CAN總線采集車速和制動壓力等信息。整車測試的各傳感器布置示意圖與坐標系的設置，如圖2所示。

整車測試方法是在油箱加注3/4油量之后，在平直光滑路面上，車輛靜置情況下，松開制動踏板車輛加速到2km/h以內，再急踩制動踏板到停車，多次循環(huán)地進行倒車制動操作，同步地測試與采集各通道的聲音振動等信號。

(a)油箱近場麥克風與振動傳感器（b）車內后排麥克風

圖2整車測試的傳感器布置圖

2.3?基于整車的晃蕩聲測試與評價指標分析

通過對晃蕩聲頻譜特征和音頻回放的分析，以及基于實車主觀評價結果的反復對比研究，采用聲音響度指標能夠較準確地反映出人耳對油液晃蕩聲的主觀感知水平。如圖3所示，根據車內后排麥克風、車速和制動壓力的測試分析結果，可以清晰地識別出晃蕩聲的瞬態(tài)時域特征，包括沖擊次數與量級水平等。

從車輛倒擋起步到制動停止的狀態(tài)，由于慣性載荷的作用，油箱內油液產生復雜的流固耦合運動，從而引起晃蕩噪聲。如圖2(a)所示，因為操作過程的不同，以及車輛速度與制動壓力的偏差，所測試的晃蕩聲次數和幅值大小也有一些差異。但總體而言，每次測試過程中，車內可以感知到3~5次的沖擊噪聲，并且前幾次的晃蕩聲較明顯，而最后一次的響度幅值較小。

圖3車內后排晃蕩聲的時頻測試分析

2.4?車內/外噪聲的測試對比分析

如圖4(a)所示的噪聲時頻測試分析對比，車內/外都存在晃蕩聲的瞬態(tài)沖擊特征，其窄帶頻率范圍大致分布在1200赫茲以內。與車外的噪聲相比，車內的高頻背景噪聲明顯降低，因此，車內晃蕩沖擊特征就更顯著，就更容易被駕乘人員所感知。如圖4(b)所示，在車輛穩(wěn)態(tài)工況下，車內聲壓級比車外約低于30dB(A)左右；而在發(fā)生油液晃蕩時，車內與車外的聲壓級相差不到20dB(A)，尤其是對于第2次或第3次的晃蕩噪聲峰值，車內/外的聲音衰減量約在15dB(A)以內，其原因與整車“結構聲”傳遞路徑有較大關系。

圖4車內/外的噪聲時頻測試分析對比

2.5?油箱振動與車內晃蕩聲的時域相關性分析

如圖5所示，根據車內噪聲與油箱振動的時頻域測試對比分析，可以得出：（1）油箱殼體X向振動波形變化與車內噪聲的一致性較高，這與制動過程中慣性力載荷的作用方向相同，振動和噪聲波形都呈現(xiàn)出低頻特征；（2）油液晃動運動主要是以整車X方向的往復流動，而對油箱殼體Y向和Z向的振動沖擊激勵較小；（3）油箱殼體X向和Z向的振動瞬態(tài)沖擊峰值出現(xiàn)在油液晃動過程的末期，而對車內噪聲的影響比較輕微，這可能與表面自由層的飛濺形態(tài)相關，油箱壁面受到沖擊產生的頻率特征將分布在寬頻范圍。

圖5車內噪聲與油箱振動的時域相關性分析

3 結油液晃蕩機理與傳遞路徑分析論

3.1?油液晃蕩現(xiàn)象的潛在機理

車輛在倒擋起步后的制動過程中，部分充液的燃油箱在整車慣性載荷的作用下，將會發(fā)生流體晃動現(xiàn)象。在特定的邊界條件下，油箱油液晃動能量較大，可能出現(xiàn)復雜的拍擊、擠壓、翻卷和飛濺等流固耦合動力學現(xiàn)象，并具有一定的隨機性和非線性特征。這種油箱內自由液面的復雜運動，通過與車身的安裝方式傳遞到車內，可能引起駕乘人員可感知的晃動和噪聲問題。因此，影響油液晃蕩問題的因素就有很多，不僅僅與油液密度、粘度、可壓縮性和表面張力等流體屬性相關，還與油箱表面形狀拓撲、油箱前/后板傾角、油箱高度與長度的尺寸比例、材料類型、容積大小和充液量，以及內部的結構設計等有直接關系，此外還與制動力控制和懸架動態(tài)特性等慣性載荷激勵相關。根據在運載、衛(wèi)星、船舶和大型罐車等運載工具研制中解決有限空間液體晃動問題的經驗理論，可以建立汽車燃油箱油液晃蕩的等效動力學模型，如圖6所示，這對于油箱油液穩(wěn)定性控制及內部結構設計都具有較重要的指導意義。

圖6車內噪聲與油箱振動的時域相關性分析

上圖中，L和H為油箱前/后長度和高度，