某乘用车塑料燃油箱晃荡声的测试分析与改进

摘 要

随着市场法规对汽车排放和安全性要求越来越严格，塑料油箱被广泛地应用于乘用车开发之中，同时市场用户对油液晃动引起的车内振动噪声问题越来越关注，常常会引起市场抱怨。本文以某紧凑型轿车的油液晃荡问题为案例，系统性地进行整车振动噪声测试分析与排查，结合晃动等效动力学模型，阐述了潜在机理，并提出了具体的工程控制措施与解决思路。同时，本文通过传递路径的方案优化，降低了油箱晃动激励到车内的传递，显著改善了车内的晃荡问题，提升了驾驶的舒适性这为指导解决塑料油箱晃动引起的整车振动噪声问题，提升燃油系统NVH性能的集成开发能力，有较重要的工程参考意义。

关键词：塑料燃油箱；油液晃动；传递路径；防浪板NVH

中图分类号：U464 文献标识码：A

作者：张军、尚飞、杨林钢、董海威

（吉利汽车研究院（宁波）有限公司,浙江宁波，315336）

1 引言

由于塑料油箱具备空间设计利用率高，材料可回收率高、轻量化、耐腐蚀、耐冲击、低燃油渗漏量、耐久可靠、高生产效率和低热传导等优点，以及市场法规对汽车排放和安全性要求也越来越严格。因此，塑料油箱被广泛地应用于国内乘用车开发之中。同时，随着动力传动NVH性能水平的整体提高，以及市场用户对汽车舒适性越来越关注，燃油箱油液晃动引起的车内噪声问题就被凸显出来。尤其是对于HEV、PHEV和REEV等新能源车型而言，由于起步与低速行驶工况的电驱动系统输出力矩大、噪声小，整车的油液晃荡问题就更明显。

液体晃动是在自由液面的液体在有限空间内，在外部或内部物理化学等扰动激励下，发生的流固耦合复杂运动形态，具有较强的非线性、不稳定性和非周期性。H.H.Abramsonde等[1]详细描述了对航天器液体晃动动力学的研究、发展和应用情况；GrahamE.W.[2]基于势流理论方法，建立了小幅液体晃动的等效力学模型；QuFang等[3]通过试验测试方法，在燃油箱内填充网状聚氨酯泡沫材料，提高了防火抑爆水平，并降低了油液冲击晃动的影响。在汽车行业内，Agawane等[4]设计了一种实验装置，研究了矩形箱内液体晃动噪声的产生和传播；屠翔宇等[5]基于整车OTPA传递路径模型，分析了结构路径的振动加速度频谱和传递函数频谱特征；Chitkara等[6]通过VOF方法建立了不同内部结构的汽车油箱晃动计算模型，对比研究了不同充液率和加速度下的燃油晃动特性；张允峰[7]提供了几种缺陷汽车油箱结构形式，以及燃油晃动异响的解决方法。

本文针对于某紧凑型轿车的油液晃荡问题，系统性地进行整车振动噪声测试分析与排查，结合有限空间的自由液面等效动力学模型，阐述了油箱晃动导致车内振动噪声问题的潜在机理，提出了具体的工程控制措施与解决思路，并通过传递路径的优化，显著地改善了车内感知的油箱晃荡噪声问题，提升了驾驶舒适性水平。

2 问题描述与分析排查

某紧凑型轿车在起步前进或倒退工况，以及行驶制动过程中，车内驾乘人员能够感知到燃油箱内的“咚咚”油液晃荡声音，尤其在后排更为明显。由于驻车时车内总体噪声量级较低，并且没有路噪和风噪等声音的掩蔽作用，这种不平稳的晃荡声会影响驾乘人员对车型性能质量的感知，容易产生不安全感，可能导致市场用户的抱怨。

2.1►油箱结构设计简介

该车型燃油箱采用高密度多层共挤成型的塑料油箱，容积50升，通过左/右两条绑带固定在地板中部，采用横向布置形式，绑带与车身采用四颗螺栓进行固定连接，油箱上体表面与地板之间有多个EPDM材质的橡胶隔振垫，油箱内部无防浪板和哈夫管等增强结构。燃油箱的安装结构与整车的坐标系设置，如图1所示。

图1燃油箱的安装结构简图与坐标系设置

2.2►整车晃荡声的测试方法

经主观评价与反复排查，发现在燃油箱油量1/2以上时的倒挡起步工况，油液的晃荡声最为明显，后排右侧乘客甚至能察觉到座垫的前后晃动感。所以，为了分析此噪声特征与潜在的传递路径，在燃油箱底部壳体布置加速度振动传感器，以及在油箱底部和车内分别布置麦克风，并通过CAN总线采集车速和制动压力等信息。整车测试的各传感器布置示意图与坐标系的设置，如图2所示。

整车测试方法是在油箱加注3/4油量之后，在平直光滑路面上，车辆静置情况下，松开制动踏板车辆加速到2km/h以内，再急踩制动踏板到停车，多次循环地进行倒车制动操作，同步地测试与采集各通道的声音振动等信号。

(a)油箱近场麦克风与振动传感器（b）车内后排麦克风

图2整车测试的传感器布置图

2.3►基于整车的晃荡声测试与评价指标分析

通过对晃荡声频谱特征和音频回放的分析，以及基于实车主观评价结果的反复对比研究，采用声音响度指标能够较准确地反映出人耳对油液晃荡声的主观感知水平。如图3所示，根据车内后排麦克风、车速和制动压力的测试分析结果，可以清晰地识别出晃荡声的瞬态时域特征，包括冲击次数与量级水平等。

从车辆倒挡起步到制动停止的状态，由于惯性载荷的作用，油箱内油液产生复杂的流固耦合运动，从而引起晃荡噪声。如图2(a)所示，因为操作过程的不同，以及车辆速度与制动压力的偏差，所测试的晃荡声次数和幅值大小也有一些差异。但总体而言，每次测试过程中，车内可以感知到3~5次的冲击噪声，并且前几次的晃荡声较明显，而最后一次的响度幅值较小。

图3车内后排晃荡声的时频测试分析

2.4►车内/外噪声的测试对比分析

如图4(a)所示的噪声时频测试分析对比，车内/外都存在晃荡声的瞬态冲击特征，其窄带频率范围大致分布在1200赫兹以内。与车外的噪声相比，车内的高频背景噪声明显降低，因此，车内晃荡冲击特征就更显著，就更容易被驾乘人员所感知。如图4(b)所示，在车辆稳态工况下，车内声压级比车外约低于30dB(A)左右；而在发生油液晃荡时，车内与车外的声压级相差不到20dB(A)，尤其是对于第2次或第3次的晃荡噪声峰值，车内/外的声音衰减量约在15dB(A)以内，其原因与整车“结构声”传递路径有较大关系。

图4车内/外的噪声时频测试分析对比

2.5►油箱振动与车内晃荡声的时域相关性分析

如图5所示，根据车内噪声与油箱振动的时频域测试对比分析，可以得出：（1）油箱壳体X向振动波形变化与车内噪声的一致性较高，这与制动过程中惯性力载荷的作用方向相同，振动和噪声波形都呈现出低频特征；（2）油液晃动运动主要是以整车X方向的往复流动，而对油箱壳体Y向和Z向的振动冲击激励较小；（3）油箱壳体X向和Z向的振动瞬态冲击峰值出现在油液晃动过程的末期，而对车内噪声的影响比较轻微，这可能与表面自由层的飞溅形态相关，油箱壁面受到冲击产生的频率特征将分布在宽频范围。

图5车内噪声与油箱振动的时域相关性分析

3 结油液晃荡机理与传递路径分析论

3.1►油液晃荡现象的潜在机理

车辆在倒挡起步后的制动过程中，部分充液的燃油箱在整车惯性载荷的作用下，将会发生流体晃动现象。在特定的边界条件下，油箱油液晃动能量较大，可能出现复杂的拍击、挤压、翻卷和飞溅等流固耦合动力学现象，并具有一定的随机性和非线性特征。这种油箱内自由液面的复杂运动，通过与车身的安装方式传递到车内，可能引起驾乘人员可感知的晃动和噪声问题。因此，影响油液晃荡问题的因素就有很多，不仅仅与油液密度、粘度、可压缩性和表面张力等流体属性相关，还与油箱表面形状拓扑、油箱前/后板倾角、油箱高度与长度的尺寸比例、材料类型、容积大小和充液量，以及内部的结构设计等有直接关系，此外还与制动力控制和悬架动态特性等惯性载荷激励相关。根据在运载、卫星、船舶和大型罐车等运载工具研制中解决有限空间液体晃动问题的经验理论，可以建立汽车燃油箱油液晃荡的等效动力学模型，如图6所示，这对于油箱油液稳定性控制及内部结构设计都具有较重要的指导意义。

图6车内噪声与油箱振动的时域相关性分析

上图中，L和H为油箱前/后长度和高度，