風(fēng)駿皮卡風(fēng)機(jī)噪聲的設(shè)計(jì)改進(jìn)

程 華， 祝社強(qiáng)

（保定長(zhǎng)城博翔汽車零部件制造有限公司， 河北保定 071000）

風(fēng)駿皮卡是長(zhǎng)城汽車股份有限公司推出的經(jīng)典車型， 連續(xù)14年全國(guó)銷量第一， 市場(chǎng)保有量70萬(wàn)， 出口100個(gè)國(guó)家和地區(qū)， 連續(xù)10年中國(guó)汽車出口額第一。風(fēng)駿皮卡外形與國(guó)際接軌， 威猛大氣， 做工精細(xì)， 是引領(lǐng)皮卡發(fā)展的時(shí)尚先鋒； 舒適豐富的配置， 更是全面提升了駕乘者的感受， 是皮卡行業(yè)的絕對(duì)標(biāo)桿。

1 問(wèn)題描述

汽車空調(diào)系統(tǒng)可以為乘車人員提供舒適的乘車環(huán)境， 降低駕駛員的疲勞強(qiáng)度， 提高行車安全， 而空調(diào)風(fēng)機(jī)的噪聲是影響舒適性的重要因素之一。

我們?cè)谶M(jìn)行風(fēng)駿HVAC （Heating Ventilation and Air Conditioning， 空調(diào)器總成） 總成測(cè)試的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)有比較尖銳的聲音， 單鼓風(fēng)機(jī)總成的時(shí)候更加明顯， 這樣乘客會(huì)感到明顯的不舒服， 這是我們必須要改進(jìn)的。

2 原因分析

風(fēng)機(jī)及匹配結(jié)構(gòu)功能如圖1所示。

我們首先對(duì)鼓風(fēng)機(jī)單體進(jìn)行測(cè)試， 并沒(méi)有聽(tīng)到明顯的尖銳聲音， 因此確定是風(fēng)機(jī)和蝸殼在匹配上產(chǎn)生了問(wèn)題。 接下來(lái)對(duì)風(fēng)機(jī)的頻譜進(jìn)行了測(cè)試， 結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)機(jī)頻譜測(cè)試結(jié)果 （設(shè)計(jì)改進(jìn)前： 葉輪直徑150 mm）

通過(guò)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出， 風(fēng)機(jī)總成明顯存在30～40倍頻（倍頻： 風(fēng)機(jī)基本頻率的整數(shù)倍頻率?；l=1／周期； 周期為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需要的時(shí)間）的高頻音， 風(fēng)機(jī)端電壓在DC （直流電源） 6 V、 DC 8V時(shí)尤其明顯， 頻域峰值超出其附近聲壓級(jí)在10dB左右， 這樣人耳聽(tīng)起來(lái)會(huì)感覺(jué)有比較尖銳的聲音。

同時(shí)我們進(jìn)行了風(fēng)道流場(chǎng)的CFD （計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)， 用以模擬仿真實(shí)際的流體流動(dòng)情況） 分析，結(jié)果如圖2所示。

通過(guò)分析可以看出， 在蝸殼的出風(fēng)口處靠近蝸舌 （圖1）的地方存在一個(gè)較大的渦流區(qū)， 而蝸舌區(qū)域恰恰是產(chǎn)生高頻音的重災(zāi)區(qū)， 因此可以初步確認(rèn)， 蝸舌和風(fēng)機(jī)的葉輪的匹配是產(chǎn)生問(wèn)題的原因。

3 設(shè)計(jì)改進(jìn)思路

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)理論值， 小型風(fēng)機(jī)蝸舌與葉輪間的間隙t取值為： t／D=0.07～0.15 （前向葉輪）， 其中D為葉輪直徑。 經(jīng)過(guò)測(cè)量， 目前風(fēng)駿風(fēng)機(jī)蝸舌與葉輪間的間隙為9.713 mm， 葉輪直徑D=150 mm， t／D=0.065， 處于合理取值的下限值以下， 即風(fēng)機(jī)葉輪和蝸殼蝸舌處間隙偏小。 由于蝸殼模具比較難改， 因此我們決定采用葉輪直徑小一些 （D=135 mm） 的風(fēng)機(jī)進(jìn)行匹配， 此時(shí)t=17.213， t／D=0.128，處于合理取值中間值附近， 理論上較為理想， 之后進(jìn)行風(fēng)道流場(chǎng)的CFD分析來(lái)驗(yàn)證我們的判斷。 結(jié)果如圖3所示。

通過(guò)分析可以看出， 在蝸殼的出風(fēng)口處靠近蝸舌的渦流區(qū)明顯變小， 因而產(chǎn)生的高頻音也會(huì)變小， 這也初步驗(yàn)證了我們的設(shè)計(jì)改進(jìn)思路。

4 效果驗(yàn)證

有了充分的依據(jù)， 我們經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的準(zhǔn)備，制作了葉輪直徑為135 mm的風(fēng)機(jī)手工樣件， 隨后進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證， 驗(yàn)證過(guò)程主要分為3個(gè)步驟。

第1步， 首先對(duì)鼓風(fēng)機(jī)總成、 HVAC總成狀態(tài)下的噪聲進(jìn)行評(píng)審， 大家一致認(rèn)定基本上聽(tīng)不到比較尖銳的聲音， 有的只是呼呼的風(fēng)聲， 在此基礎(chǔ)上，開(kāi)始下一步的驗(yàn)證。

第2步， 我們對(duì)風(fēng)機(jī)的頻譜進(jìn)行了測(cè)試， 并對(duì)設(shè)計(jì)改進(jìn)前后進(jìn)行了對(duì)比， 結(jié)果見(jiàn)表2、 圖4和圖5。

通過(guò)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 可以看到30～40倍頻的高頻音消失， 且頻域峰值改進(jìn)在DC 8 V時(shí)有5.1 dB，在DC 6 V時(shí)有將近10 dB， 改進(jìn)幅度符合我們的預(yù)期， 這樣人耳基本上不會(huì)感覺(jué)到有比較尖銳的聲音； 另外總的噪聲值在DC 10 V、 DC 8 V、 DC 6 V分別有1.8 dB、 2.9 dB、 4.1 dB改進(jìn)， 效果明顯。 以上結(jié)果表明， 無(wú)論是從理論上還是從實(shí)踐的效果上， 我們對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲的改進(jìn)， 方向上是正確的， 效果上是明顯的。

表2 風(fēng)機(jī)頻譜測(cè)試結(jié)果 （設(shè)計(jì)改進(jìn)后： 葉輪直徑135 mm）

第3步， 考慮到葉輪直徑小可能對(duì)風(fēng)量產(chǎn)生影響， 因此我們對(duì)改進(jìn)前后的風(fēng)量也進(jìn)行了測(cè)試， 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3、 表4和圖6。 測(cè)試條件： 端電壓13.5 V，在鼓風(fēng)機(jī)總成中（外循環(huán)）。

表3 風(fēng)壓風(fēng)量試驗(yàn)數(shù)據(jù) （設(shè)計(jì)改進(jìn)前樣件）

表4 風(fēng)壓風(fēng)量試驗(yàn)數(shù)據(jù) （設(shè)計(jì)改進(jìn)后樣件）

由以上圖表可以看出， 改進(jìn)后樣件風(fēng)量不僅沒(méi)有降低， 反而有所提升， 在靜壓0 Pa時(shí)風(fēng)量提升8.8 m3／h， 在靜壓250 Pa時(shí)風(fēng)量提升24.5 m3／h； 從效率上看， 在150 Pa以下， 設(shè)計(jì)改進(jìn)后效率不如設(shè)計(jì)改進(jìn)前， 但在150 Pa以上， 設(shè)計(jì)改進(jìn)后效率要高于設(shè)計(jì)改進(jìn)前， 這說(shuō)明風(fēng)機(jī)的抗壓能力得到提升， 而且實(shí)車應(yīng)用的風(fēng)阻基本上都在200 Pa以上， 因此我們可以確認(rèn)改進(jìn)后樣件風(fēng)量和效率均得到了提升。

5 設(shè)計(jì)改進(jìn)總結(jié)

通過(guò)以上分析和試驗(yàn)驗(yàn)證， 我們基本上可以得出結(jié)論， 葉輪直徑減小后對(duì)于噪聲的改進(jìn)效果明顯， 且風(fēng)量和效率均得到了提升。 針對(duì)此次設(shè)計(jì)改進(jìn)， 我們總結(jié)如下。

1） 離心風(fēng)機(jī)葉輪與蝸殼配合十分重要， 不同的配合間隙可能會(huì)產(chǎn)生噪聲， 離心風(fēng)機(jī)葉輪與蝸舌間隙經(jīng)驗(yàn)理論值為葉輪直徑的7%～15%。

2） 離心風(fēng)機(jī)出口處的較大渦流會(huì)造成區(qū)域性氣流脈動(dòng)， 從而產(chǎn)生噪聲。

3） 通過(guò)頻譜測(cè)試和CFD分析， 可以看到頻域峰值以及不同匹配下的各種氣流壓力及速度分布，進(jìn)而為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)改進(jìn)提供幫助。

［1］ 安連鎖. 泵與風(fēng)機(jī)［M］. 北京： 中國(guó)電力出版社， 2008.