導(dǎo)讀：豐田自動(dòng)織機(jī)為Mirai燃料電池汽車開發(fā)的六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)額定功率為10kW，最大功率20kW，最大轉(zhuǎn)速為12500r/min，在JC08模式下行駛只能使用2kW左右。緊鄰出風(fēng)口設(shè)有水冷式冷卻器，將壓縮過程最高溫度達(dá)200℃的空氣冷卻至110~120℃。與前一代空壓機(jī)相比，Mirai燃料電池空壓機(jī)在小流量下的壓縮效率提高了14%，大流量下壓縮效率提高了20%，空壓機(jī)體積降低了33%，噪音降低了44%。下面將以親身經(jīng)歷Mirai燃料電池汽車六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)開發(fā)過程的豐田自動(dòng)織機(jī)五位工程師為主線，了解空壓機(jī)開發(fā)過程中的難點(diǎn)，學(xué)習(xí)工匠精神，給正在開發(fā)空壓機(jī)的工程師以鼓勵(lì)和靈感。(本文為豐田工程師告訴你如何開發(fā)Mirai空壓機(jī)一的姊妹篇)
豐田自動(dòng)織機(jī)空壓機(jī)開發(fā)團(tuán)隊(duì)
1. 明確空壓機(jī)噪聲來源
燃料電池空壓機(jī)一方面要提高燃料利用率、響應(yīng)速度和瞬時(shí)加速性能，另一方面要降低噪聲和振動(dòng)。空壓機(jī)開發(fā)工作面臨的難點(diǎn)是在上述兩點(diǎn)之間取得最佳平衡。如何降低噪聲和振動(dòng)(NV)呢？在空壓機(jī)開發(fā)工作的后期，這個(gè)問題擺在了豐田自動(dòng)織機(jī)開發(fā)部門工程師的面前。Fumihiro Suzuki是負(fù)責(zé)解決Mirai燃料電池汽車六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)NV問題的工程師。
Fumihiro Suzuki(空壓機(jī)部門111組)
“在空壓機(jī)開發(fā)過程中，噪聲和振動(dòng)問題一直困擾著我們。當(dāng)客戶來視察我們開發(fā)的第一個(gè)空壓機(jī)原型的時(shí)候，他們說聽起來像個(gè)割草機(jī)。因此，當(dāng)下我們就決定必須嘗試各種方法來降低空壓機(jī)的噪聲。 ”-Suzuki
因此，Suzuki先生和他的團(tuán)隊(duì)徹底研究了空壓機(jī)噪聲的來源，他們決定從四個(gè)方面去解決這個(gè)問題，即重新設(shè)計(jì)外殼形狀(reviewing the shape of the housing)、降低轉(zhuǎn)子振動(dòng)(reducing vibration in the rotor)、降低進(jìn)排氣系統(tǒng)噪聲(reducing noise in the intake and exhaust systems)、調(diào)音(tuning the sound)。
“首先，我們重新設(shè)計(jì)了空壓機(jī)外殼形狀。毫無疑問，噪聲是由振動(dòng)產(chǎn)生的，振動(dòng)波傳遞給了空氣。接著被我們的耳膜吸收，于是我們聽到了聲音。重新設(shè)計(jì)外殼形狀來提高其剛度(incresing its rigidity)對(duì)于控制振動(dòng)非常有效。 ”-Suzuki
第一件事就是減少多余和無用的材料來精簡(jiǎn)空壓機(jī)外殼(eliminating waste from the housing)，使其變得更加緊湊。以上措施可以減少噪聲源面積。此外，消聲器(silencer)和中冷器(intercooler)也被集成在一起。如下圖所示，將中冷器安裝在圓筒(cylinder)內(nèi)可以吸收進(jìn)氣脈沖(air intake pulsation)，同時(shí)有有利于減緩?fù)鈿ふ駝?dòng)。
Mirai六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)剖面
Suzuki先生在回憶他們?cè)?jīng)為降噪所做的努力時(shí)說到“如何通過連接兩個(gè)部件(connecting one part to another)來降低圓筒內(nèi)的振動(dòng)呢？答案就是通過優(yōu)化緊固部件位置來降低振動(dòng)。”
他們嘗試了大量的方法來降低噪聲，包括在圓筒內(nèi)安置一個(gè)肋(rib)，在振動(dòng)阻尼金屬片(vibration-damping steel sheets)中間放置幾微米厚度的樹脂片(resin sheet)等。
空壓機(jī)和SD蓋的噪聲來源
2. 減緩轉(zhuǎn)子晃動(dòng)(Stop Shaking)
Q:你們團(tuán)隊(duì)采取什么方案去降低轉(zhuǎn)子晃動(dòng)呢？
“當(dāng)轉(zhuǎn)子晃動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子緊鄰圓筒(cylinder)，且距離在一定范圍內(nèi)，于是就產(chǎn)生了噪聲(轉(zhuǎn)子頻繁沖擊圓筒)。減緩轉(zhuǎn)子的晃動(dòng)是降低空壓機(jī)NV的一個(gè)有效方法。 ”-Suzuki
轉(zhuǎn)軸由三個(gè)軸承支撐著。 Suzuki先生認(rèn)為縮小支撐點(diǎn)之間距離也可以減緩轉(zhuǎn)子的晃動(dòng)。
空壓機(jī)放大圖
“首先，我們測(cè)量了空壓機(jī)中轉(zhuǎn)子和圓筒之間的相互干涉情況。然后，使用計(jì)算機(jī)輔助模擬方法，我們分析了轉(zhuǎn)子晃動(dòng)情況，計(jì)算如何排布支撐點(diǎn)可以使得轉(zhuǎn)子晃動(dòng)最小。接著，根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助模擬得到的結(jié)果，我們重新設(shè)計(jì)和制造了空壓機(jī)，再重新測(cè)量轉(zhuǎn)子的晃動(dòng)情況。我們反復(fù)論證了很多次。 ”-Suzuki
豐田Mirai空壓機(jī)外觀
Q:還有其他措施去降低轉(zhuǎn)子晃動(dòng)嗎？
“當(dāng)然還有，增加轉(zhuǎn)軸半徑，或者使用更多剛度高的材料，都可以減緩轉(zhuǎn)子晃動(dòng)。但是這些措施會(huì)使空壓機(jī)外殼變大，增加了成本。我們需要的是減緩轉(zhuǎn)子晃動(dòng)的同時(shí)，僅僅改變的是空壓機(jī)內(nèi)部情況，而不是改變現(xiàn)有的空壓機(jī)體積、形狀或者材料。 ”-Suzuki
到這里，我們可以看出Suzuki先生作為空壓機(jī)NV方面的一名工程師非常自豪。如果空壓機(jī)外殼的尺寸或形狀改變了，將會(huì)影響空壓機(jī)在燃料電池汽車中的布局。在給定或約束條件下找到一個(gè)合適的解決方案才是一次真正的開發(fā)，當(dāng)然也是一個(gè)挑戰(zhàn)。
3. 消除噪聲(Removing Sound with Barriers)
Suzuki團(tuán)隊(duì)嘗試了另外的方法來降低噪聲和振動(dòng)-進(jìn)排氣系統(tǒng)中阻尼聲音(dampening sound in the intake and exhaust systems)。空壓機(jī)的工作過程為從大氣中攝入空氣，壓縮，并且提供給燃料電池。空氣脈沖(pulsation of air)會(huì)給管道帶來沖擊進(jìn)而振動(dòng)有噪聲，這的確是個(gè)問題。
“首先，在進(jìn)氣系統(tǒng)中，我們嘗試在進(jìn)氣口法蘭處(intake flange)放置一個(gè)障礙物，目的是為了將空氣流場(chǎng)分為兩部分(如上圖所示)。被障礙物一分為二的空氣在翻越障礙物后再次匯集，此時(shí)每部分空氣的脈沖(pulsation)就會(huì)大大降低甚至消失。 ”-Suzuki
豐田Mirai空壓機(jī)剖視圖
Q:排氣系統(tǒng)有哪些措施呢？
“在排氣系統(tǒng)中，我們采用了類似的做法。我們?cè)谂?a title="中國(guó)氣管網(wǎng)" href="http://www.alatraveler.cn/product/list.php?catid=611" target="_blank">氣管道中放置了一個(gè)稱為熱壁(thermal wall)的障礙物來降低脈沖。之前提到的中冷器和圓筒中的振動(dòng)阻尼金屬片也起到了降低排氣噪聲的作用。我們也給豐田公司(Toyota Motor Corporation)提出了意見，建議他們安裝消音器。他們已經(jīng)在豐田集團(tuán)(Toyota Group)的幫助下降低了噪聲和振動(dòng)。”-Suzuki
4. 創(chuàng)造未來音(Create a Futuristic Sound)
另外一種降低噪音的方法就是調(diào)音(tuning the sound)。到目前為止，豐田自動(dòng)織機(jī)都致力于降低噪音和振動(dòng)，但豐田汽車公司(Motor Motor Corporation)不僅僅只是為了開發(fā)一輛安靜的燃料電池汽車。豐田汽車公司想給駕駛員傳達(dá)一種加速的蜂鳴信號(hào)聲(當(dāng)他們踩下加速踏板時(shí))，同時(shí)該聲音不能太刺耳(abstract)。
“當(dāng)然，聲音悅耳或刺耳完全由個(gè)人主觀判斷。但‘ZZZ’這樣的聲音明顯缺乏清晰度，絕不是一個(gè)好的選擇。我們想呈現(xiàn)一個(gè)清澈的聲音，一個(gè)隨著車速增加質(zhì)感增加的聲音。因?yàn)镸irai意味著未來，我們想創(chuàng)造一個(gè)未來之音。 ”-Suzuki
和豐田汽車公司(Toyota Motor Corporation)一道，豐田自動(dòng)紡織致力于創(chuàng)造一種聲音，這種聲音既講究音量和音域元素，又注重感覺和激情。
“減緩轉(zhuǎn)軸晃動(dòng)就是一個(gè)創(chuàng)造未來之音的有效方法。晃動(dòng)產(chǎn)生了一個(gè)中音，消除中音的同時(shí)又產(chǎn)生了一個(gè)線性的聲音(measures taken to reduce this have left a fairly linear sound)。其他降低噪音和振動(dòng)的方法包括調(diào)音，絕非僅僅降低噪聲和振動(dòng)。我們發(fā)現(xiàn)很難只留下悅耳的聲音。 ”-Suzuki
Mirai空壓機(jī)轉(zhuǎn)子模型(豐田自動(dòng)織機(jī)官網(wǎng))
降低空壓機(jī)的噪聲和振動(dòng)已經(jīng)非常困難了，同時(shí)還要產(chǎn)生一個(gè)悅耳的聲音，何其困難。
5. 積極開拓(Aggressive Development)
Q:在為降低空壓機(jī)振動(dòng)與噪聲的所做努力的過程中，Suzuki先生又有哪些感觸呢？從中他們又學(xué)到了哪些呢？
“降低噪聲和振動(dòng)工作背后有著諸多方面工作。這個(gè)過程充滿挫折，但是每個(gè)失敗都給我們帶來一個(gè)全新的突破。讓我們感到沮喪的是，每次失敗我們只能對(duì)空壓機(jī)再進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試。因此，我們要求豐田汽車公司進(jìn)行Mirai車用在線評(píng)估，這一點(diǎn)很重要。實(shí)際上，每次我們嘗試新的東西，我們都想著能夠在燃料電池汽車上實(shí)際測(cè)試，但是在有些時(shí)候，我們無法控制某些情況。然而，我們進(jìn)行了超過20次實(shí)際Mirai燃料電池汽車的車用噪聲測(cè)試，包括在低溫工況下測(cè)試噪音。 ”-Suzuki
開發(fā)產(chǎn)品之路坎坷不斷。因一次失敗而放棄，則前功盡棄。當(dāng)然，如果思路不正確，也不會(huì)成功。但是,Suzuki先生從不退縮-“我們可以在下一階段的開發(fā)中好好反思和利用我們的失敗，只要我們不放棄，我們就會(huì)成功。”。正是這種艱難的發(fā)展過程才慢慢走向成功。
“ 開發(fā)Mirai燃料電池汽車六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)的經(jīng)歷告訴了我從實(shí)際車用角度出發(fā)開發(fā)產(chǎn)品的重要性 。為了避免懈怠和出錯(cuò)，了解客戶需求才是最重要的，而不是坐在椅子上等著客戶來找你。關(guān)于這點(diǎn)，我們做了很多，的確困難重重。但我覺得我們?nèi)绾瓮瓿伤龅氖虑椋㈤_發(fā)出能讓客戶滿意的產(chǎn)品更重要 ”-Suzuki
圖文來源
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