汽車雙冷卻風(fēng)扇NVH特性分析

李靜波 王暉

（華晨汽車工程研究院）

在汽車的各種噪聲中，冷卻風(fēng)扇噪聲是主要噪聲源之一。它主要由階次噪聲和葉寬脈動噪聲引起，可以從噪聲源和傳遞路徑上進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[1-4]對風(fēng)扇噪聲進(jìn)行了相關(guān)測試和研究。文章以某車型的冷卻雙風(fēng)扇為研究對象，針對雙風(fēng)扇工作特點(diǎn)，制定了分析測試計劃。測試完成后，在詳細(xì)分析每個風(fēng)扇對車內(nèi)噪聲影響的基礎(chǔ)上，分析了2 個風(fēng)扇同時工作對車內(nèi)噪聲的影響，為雙風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)的車內(nèi)噪聲識別與控制，提供了一定的參考。

1 冷卻風(fēng)扇噪聲產(chǎn)生機(jī)理及控制方法

1.1 產(chǎn)生機(jī)理

風(fēng)扇噪聲包含由風(fēng)扇葉片切割空氣產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)階次噪聲和由風(fēng)扇葉片與護(hù)風(fēng)罩產(chǎn)生的渦流噪聲。旋轉(zhuǎn)階次噪聲是窄帶噪聲，渦流噪聲是寬帶噪聲。旋轉(zhuǎn)階次噪聲是由風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的葉片周期性打擊空氣質(zhì)點(diǎn)，引起的壓力脈動面激發(fā)的噪聲，這種周期性的壓力脈動是由一個穩(wěn)態(tài)的基頻和一系列諧波分量疊加而成。風(fēng)扇的護(hù)風(fēng)圈等結(jié)構(gòu)由于共振也會產(chǎn)生機(jī)械噪聲，一般來說，機(jī)械噪聲不是風(fēng)扇主要噪聲。

風(fēng)扇風(fēng)量和風(fēng)扇噪聲的聲壓級與風(fēng)扇直徑和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速之間存在如下關(guān)系[5]：

式中：Q——風(fēng)扇風(fēng)量，mm3/s；

k，k1——比例系數(shù)；

n——風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，r/s；

d——風(fēng)扇直徑，mm；

LpA——聲壓級，dB。

通過式（1）和式（2）可得：

根據(jù)式（3）可知，當(dāng)風(fēng)量固定，為了降低風(fēng)扇噪聲，應(yīng)該增大風(fēng)扇直徑，降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

1.2 控制方法

冷卻風(fēng)扇的噪聲控制主要從3 個方面考慮。

1）選擇合理的設(shè)計參數(shù)。根據(jù)式（3），合理地設(shè)計風(fēng)扇的直徑和轉(zhuǎn)速，可以起到降噪的目的。在葉片數(shù)小于5 時，風(fēng)扇風(fēng)量隨葉片數(shù)的增多而急劇增大；當(dāng)葉片數(shù)大于5 時，風(fēng)量隨葉片數(shù)增大不明顯，而噪聲隨葉片數(shù)增加幾乎成線性增大。在優(yōu)化設(shè)計時，一般取奇數(shù)個葉片，與發(fā)動機(jī)階次避開。風(fēng)扇葉片的分布要盡量做到不對稱，不等距，避免共振而加大噪聲。

2）選擇合理的風(fēng)扇葉形。根據(jù)是否有彈性變形，風(fēng)扇葉片分為剛性葉片和撓性葉片，其中，剛性葉片風(fēng)扇又分為直葉片風(fēng)扇、鏟形葉片風(fēng)扇、前彎葉片風(fēng)扇、機(jī)翼型風(fēng)扇、導(dǎo)流型風(fēng)扇和環(huán)形風(fēng)扇等。每種剛性葉片風(fēng)扇都各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)在常用的風(fēng)扇為環(huán)形風(fēng)扇。在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，撓性風(fēng)扇葉片的投影寬度隨轉(zhuǎn)速提高而變窄，可充分利用轎車高速迎面風(fēng)效應(yīng)，在降低了風(fēng)扇噪聲的基礎(chǔ)上，可以提高風(fēng)扇的效率[3]。

3）合理布置風(fēng)扇位置。設(shè)計時，應(yīng)盡量減少護(hù)風(fēng)罩與葉片間的徑向間隙，進(jìn)而減少回流，提高風(fēng)扇的有效風(fēng)量，降低噪聲[6]。隨著風(fēng)扇與散熱器之間距離的增加，風(fēng)扇風(fēng)量增加，噪聲減小，而且在某一點(diǎn)達(dá)到最大值。文獻(xiàn)[5]指出，當(dāng)風(fēng)扇前端與散熱器之間距離由25 mm增大至178 mm 時，風(fēng)扇風(fēng)量上升85%，而且在散熱器芯部的氣流分布也明顯改善。

2 冷卻風(fēng)扇噪聲測試

文章對某車型的冷卻風(fēng)扇進(jìn)行了NVH 測試與分析。

2.1 測試工況

考慮到被測對象為雙風(fēng)扇，兩風(fēng)扇同時參與工作，同時停止，為了避免相互影響，定義測試工況，如表1所示。

表1 冷卻風(fēng)扇噪聲測試工況

2.2 測點(diǎn)位置

試驗時，需要關(guān)注車內(nèi)噪聲、方向盤振動及風(fēng)扇近場噪聲，具體測點(diǎn)位置，如圖1所示。

2.3 風(fēng)扇參數(shù)

左側(cè)風(fēng)扇的葉片數(shù)為7 片，高/低擋轉(zhuǎn)速分別為2 250，3 005 r/min；右側(cè)風(fēng)扇的葉片數(shù)為 6，高/低擋轉(zhuǎn)速分別為1 950，2 670 r/min。

3 冷卻風(fēng)扇NVH測試結(jié)果

3.1 左側(cè)風(fēng)扇試驗結(jié)果分析

3.1.1 左側(cè)風(fēng)扇低擋運(yùn)行NVH 測試結(jié)果分析

圖2 示出左側(cè)風(fēng)扇低擋運(yùn)行車內(nèi)噪聲曲線圖。分析圖2 可發(fā)現(xiàn)，左側(cè)風(fēng)扇低擋運(yùn)行時，車內(nèi)總噪聲為41.8dB（A），偏大（一般要求小于40 dB（A）），對該問題貢獻(xiàn)最大的為262.5Hz的峰值，風(fēng)扇1 階頻率為2250r/min/60s=37.5Hz，貢獻(xiàn)最大峰值對應(yīng)階次為262.5Hz/37.5Hz=7，而該風(fēng)扇葉片數(shù)為7，兩者吻合，即該風(fēng)扇的主要問題為7 階噪聲問題。

3.1.2 左側(cè)風(fēng)扇高擋運(yùn)行NVH 測試結(jié)果分析

左側(cè)風(fēng)扇高擋運(yùn)行車內(nèi)噪聲曲線圖，如圖3所示。分析圖3 可知，左側(cè)風(fēng)扇高擋運(yùn)行時，車內(nèi)總噪聲為47.9 dB（A），偏大（一般要求＜40 dB（A）），對其貢獻(xiàn)最大的為350 Hz 的峰值，左側(cè)風(fēng)扇高檔運(yùn)行時1 階頻率為3 000 r/min/60 s=50 Hz，貢獻(xiàn)最大峰值對應(yīng)階次為350 Hz/50 Hz=7，進(jìn)一步證明，該風(fēng)扇的主要問題為葉片數(shù)對應(yīng)的階次噪聲問題。

3.1.3 左側(cè)風(fēng)扇加速運(yùn)行NVH 測試結(jié)果分析

左側(cè)風(fēng)扇加速的噪聲問題同3.1.1 和3.1.2 節(jié)部分分析結(jié)論，在此將不進(jìn)行累述。

3.1.4 左側(cè)風(fēng)扇減速運(yùn)行NVH 測試結(jié)果分析

圖4 示出左側(cè)風(fēng)扇減速運(yùn)行車內(nèi)噪聲彩圖。分析圖4 可發(fā)現(xiàn)，左側(cè)風(fēng)扇減速時，主要的噪聲階次為7 階和20 階（初步分析為電機(jī)導(dǎo)致的，需要進(jìn)一步排查）。主觀評價發(fā)現(xiàn)，減速時，風(fēng)扇存在明顯顫音，回放測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，濾除20 階后，顫音明顯消失。

3.2 右側(cè)風(fēng)扇試驗結(jié)果分析

3.2.1 右側(cè)風(fēng)扇低擋運(yùn)行NVH 測試結(jié)果分析

圖5 示出右側(cè)風(fēng)扇低擋運(yùn)行車內(nèi)噪聲曲線圖。分析圖5 發(fā)現(xiàn)，右側(cè)風(fēng)扇低擋運(yùn)行時，車內(nèi)總噪聲為38.9 dB（A），主要貢獻(xiàn)為 390 Hz（12 階）、150 Hz、195 Hz（6 階）、780 Hz（24 階）及 32.5 Hz（1 階）的峰值，風(fēng)扇 1 階頻率為1 950 r/min/60 s=32.5 Hz。該風(fēng)扇葉片數(shù)為6，可以發(fā)現(xiàn)，階次噪聲問題是該風(fēng)扇的主要問題。

3.2.2 右側(cè)風(fēng)扇高擋運(yùn)行NVH 測試結(jié)果分析

圖6 示出右側(cè)風(fēng)扇高擋運(yùn)行車內(nèi)噪聲曲線圖。從圖6可知，右側(cè)風(fēng)扇高擋運(yùn)行時，車內(nèi)總噪聲為42dB（A），偏大（一般要求＜40 dB（A）），主要貢獻(xiàn)為 534 Hz（12階）、396.5 Hz（9 階）、200 Hz（6 階）及 44.5 Hz（1 階）的峰值，風(fēng)扇1 階頻率為2 670 r/min/60 s=44.5 Hz。該風(fēng)扇葉片數(shù)為6，可以發(fā)現(xiàn)，階次噪聲問題是該風(fēng)扇的主要問題。

3.2.3 右側(cè)風(fēng)扇加速運(yùn)行NVH 測試結(jié)果分析

圖7 和圖8 分別示出右側(cè)風(fēng)扇加速運(yùn)行車內(nèi)噪聲曲線圖和噪聲彩圖。

分析圖7 和圖8 發(fā)現(xiàn)，右側(cè)風(fēng)扇加速時，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在2 000 r/min 左右存在明顯峰值，主要的噪聲階次為12，4.5，6，1 階。

3.2.4 右側(cè)風(fēng)扇減速運(yùn)行NVH 測試結(jié)果分析

右側(cè)風(fēng)扇減速問題的主要噪聲階次為12，4.5，6，1 階，表現(xiàn)同加速測試結(jié)果，在此不進(jìn)行累述。

3.3 雙風(fēng)扇試驗結(jié)果分析

3.3.1 雙風(fēng)扇同時低擋運(yùn)行NVH 測試結(jié)果分析

雙側(cè)風(fēng)扇低擋運(yùn)行車內(nèi)噪聲曲線圖，如圖9所示。分析圖9 發(fā)現(xiàn)，2 個風(fēng)扇低擋運(yùn)行時，車內(nèi)總噪聲為42.5 dB（A），偏大，主要峰值頻率分別為 390 Hz（右側(cè)風(fēng)扇 12 階）和 262.5 Hz（左側(cè)風(fēng)扇 7 階）。

3.3.2 雙風(fēng)扇同時高擋運(yùn)行NVH 測試結(jié)果分析

雙側(cè)風(fēng)扇高擋運(yùn)行車內(nèi)噪聲曲線圖，如圖10所示。分析圖10 發(fā)現(xiàn)，2 個風(fēng)扇高擋運(yùn)行時，車內(nèi)總噪聲為47.9 dB（A），偏大，主要峰值頻率分別為350 Hz（左側(cè)風(fēng)扇7 階）和534 Hz（右側(cè)風(fēng)扇 12 階）。

3.4 小結(jié)

綜上，可以得出：1）被分析車型風(fēng)扇噪聲大的問題是由于2 個風(fēng)扇共同作用的結(jié)果；2）左側(cè)風(fēng)扇的主要問題是7 階氣流通過階次噪聲問題；3）右側(cè)風(fēng)扇的問題主要是12 階噪聲問題。

4 結(jié)論

1）風(fēng)扇噪聲包含由風(fēng)扇葉片切割空氣產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)階次噪聲和由風(fēng)扇葉片與護(hù)風(fēng)罩所產(chǎn)生的渦流噪聲。文章研究的雙風(fēng)扇NVH 問題主要是階次噪聲問題。

2）對雙風(fēng)扇汽車?yán)鋮s系統(tǒng)，按照常規(guī)的測試與分析方法，無法確定每個風(fēng)扇對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)。文章先對每個風(fēng)扇進(jìn)行測試與分析，在獲取了每個風(fēng)扇基本NVH 特性的基礎(chǔ)上，再對2 個風(fēng)扇同時工作進(jìn)行測試與分析，有利于更快速地鎖定主要噪聲來源。

3）對研究對象的后續(xù)優(yōu)化需要結(jié)合風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行，建立問題階次與風(fēng)扇結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系后，可以快速制定優(yōu)化方案。