基于半消聲室系統(tǒng)臺架的發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇噪聲問題研究

姜 娟，江迎春，楊 晉，楊二衛(wèi)

（奇瑞汽車股份有限公司 試驗(yàn)與整車技術(shù)工程院 NVH 性能開發(fā)部，安徽 蕪湖 241009）

0 引言

冷卻風(fēng)扇的運(yùn)行噪聲，對車輛怠速開空調(diào)工況下噪聲有較大的貢獻(xiàn)量。本文針對此問題，通過開展臺架和整車狀態(tài)下風(fēng)扇噪聲測試，將整車問題分解至部件（冷卻風(fēng)扇），再通過對部件（冷卻風(fēng)扇）相關(guān)設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化和驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)提升整車NVH 性能的目的。

1 存在問題及測試分析

某開發(fā)階段樣車存在怠速開空調(diào)工況噪聲過大問題，主觀評價該問題可能與冷卻風(fēng)扇有關(guān)，經(jīng)以下方法排查后確定了該問題。

1.1 測試方法設(shè)計

為準(zhǔn)確評價風(fēng)扇運(yùn)行噪聲，分別進(jìn)行風(fēng)扇實(shí)車安裝狀態(tài)測試和臺架噪聲測試。

（1）風(fēng)扇在整車安裝狀態(tài)試驗(yàn)設(shè)計：分別采取整車怠速開空調(diào)（工況1）與發(fā)動機(jī)關(guān)閉、由外接電源驅(qū)動風(fēng)扇（工況2）兩種工況進(jìn)行測試，圖1 為測試噪聲對比圖，可見工況2 有較多諧波峰值頻率與1 相對應(yīng)。風(fēng)扇葉片數(shù)量、轉(zhuǎn)速及貢獻(xiàn)分析詳見表1、表2，由此可確定風(fēng)扇運(yùn)行噪聲為引起樣車怠速開空調(diào)工況下車內(nèi)噪聲大的主要原因，因此考慮對風(fēng)扇噪聲進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 工況1 與2 駕駛員位置噪聲頻譜對比Fig.1 Driver position noise APS comparison of condition 1 and 2

（2）針對風(fēng)扇本體的臺架試驗(yàn)設(shè)計：風(fēng)扇噪聲測試臺架如圖2 所示，臺架系統(tǒng)安放在消聲室有效聲場范圍（消聲室符合ISO3475-2003 要求，聲學(xué)參數(shù)符合NR-20），以出風(fēng)側(cè)傳聲器1 為參考，進(jìn)風(fēng)側(cè)傳聲器2 測得結(jié)果為依據(jù)，測試結(jié)果見圖4，總聲壓級偏高，達(dá)到75.5dB（A）且自功率譜20～2000Hz 頻率范圍內(nèi)存在多個窄帶較大噪聲峰值，噪聲表現(xiàn)較差。

表2 右風(fēng)扇與測試工況的噪聲峰值頻率對應(yīng)Tab.2 Comparisonofnoisepeakinfrequencybetween rightfanandcondition

圖2 風(fēng)扇噪聲測試臺架Fig.2 Cooling fan noise bench test in the semi-anechoic chamber

2 優(yōu)化改進(jìn)

2.1 風(fēng)扇噪聲產(chǎn)生的機(jī)理

風(fēng)扇噪聲的主要成分是空氣動力噪聲，主要由渦流噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲組成：

（1）渦流噪聲：由于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)擾動周圍空氣形成渦流，這些渦流又因粘滯力的作用分裂成一系列獨(dú)立的小渦流，這些渦流和渦流的分裂會使空氣發(fā)生擾動[1]，形成壓力波動，從而激發(fā)出噪聲。一般有進(jìn)氣紊流噪聲、紊流邊界層噪聲、紊流旋渦分離噪聲幾種類型。當(dāng)該渦流引起的振動頻率與葉片的固有頻率接近時，會產(chǎn)生共振使噪聲增加。渦流噪聲是寬頻帶噪聲，主要峰值頻率為：

其中：k=0.15～0.22 為常數(shù)；V—風(fēng)扇圓周速度；d—葉片在氣流入射方向上的厚度。渦流噪聲主要與葉片形狀和風(fēng)扇的工作條件（即轉(zhuǎn)速、風(fēng)量和氣流阻礙等）有關(guān)，其聲功率可估算為：

式中：S—聲功率；a—聲速；V—流量；t—葉距；l—葉長；D—葉徑；_p—壓力增量；?—效率。

（2）旋轉(zhuǎn)噪聲：由于旋轉(zhuǎn)的葉片周期性切割空氣，引起空氣周期性壓力脈動而產(chǎn)生。其基頻為：

式中：n—風(fēng)扇每分鐘轉(zhuǎn)速；Z—風(fēng)扇葉片數(shù)。該噪聲主要與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)和夾角等因素相關(guān)，為窄帶噪聲，當(dāng)葉片均勻分布時在葉片通過頻率與其諧波頻率能量疊加時表現(xiàn)為規(guī)律的節(jié)拍聲[2]。

（3）風(fēng)扇的電機(jī)形式、數(shù)量、尺寸等因素也都對噪聲有一定的影響。

2.2 根據(jù)風(fēng)扇噪聲的產(chǎn)生機(jī)理優(yōu)化當(dāng)前冷卻風(fēng)扇

（1）葉片形狀參數(shù)改進(jìn)。由圖3（a）可見，原狀態(tài)風(fēng)扇扇葉弧度、曲率及傾角較小，且鏟形扇葉偏大，導(dǎo)致葉型安裝角小，基于以上原因，其旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生風(fēng)量較小，同風(fēng)量下需要電機(jī)以更高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 風(fēng)扇參數(shù)示意圖Fig.3 Blade parameters

改進(jìn)后（如圖3（b）左所示），葉片適度增大了曲率和前傾角，由于在一定的曲率范圍內(nèi)，相同轉(zhuǎn)速下，葉片曲率越大，氣體動能也就越大，即風(fēng)量越大，因此改進(jìn)后扇葉進(jìn)風(fēng)量明顯增加，除了截面上的曲率外，扇葉在俯視平面內(nèi)的弧度也對風(fēng)扇性能有一定影響，原狀態(tài)風(fēng)扇葉片徑向弧度較小，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)所帶動的氣流在出風(fēng)口一側(cè)呈散射狀，送風(fēng)距離短，且壓力較小，因此改進(jìn)后對葉片弧度也進(jìn)行了調(diào)整，保證吹出氣流集中在出風(fēng)口正前方的柱狀空間內(nèi)，增加送風(fēng)距離與風(fēng)壓。

（2）風(fēng)扇葉片數(shù)及葉型安裝角的改進(jìn)。改進(jìn)后左風(fēng)扇增至11 個葉片，右風(fēng)扇增至9 個葉片，均采用不等間隔分布。改進(jìn)后的風(fēng)扇在一定程度上增大了葉型安裝角，由于風(fēng)扇噪聲在葉型安裝角小于20°時呈下降趨勢，大于20°時急劇上升，基于此，在對風(fēng)扇進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時選取了一個噪聲最低點(diǎn)對安裝角進(jìn)行增大，保證了其噪聲性能。在增大葉型安裝角的同時，葉片上下表面間壓力差也相應(yīng)得到了增加，從而使風(fēng)扇能夠在獲得同等風(fēng)量的前提下降低轉(zhuǎn)速，從而降低噪聲。

（3）扇葉末端加護(hù)風(fēng)圈。原狀態(tài)風(fēng)扇扇葉末端無護(hù)風(fēng)圈，見圖3（a），葉片在旋轉(zhuǎn)時推動空氣過程中會因受力發(fā)生振動，尤其是葉片末端會因此類振動的激勵產(chǎn)生噪聲，因此在末端增加護(hù)風(fēng)圈，增強(qiáng)扇葉末端的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，消除因空氣擾動該位置而產(chǎn)生的噪聲；同時，增加護(hù)風(fēng)圈，能夠減少氣流沿?zé)o阻擋的扇葉末端流出，減少風(fēng)量損失，在風(fēng)扇其他參數(shù)不發(fā)生改變的情況下，能夠提高風(fēng)量。

（4）延伸護(hù)風(fēng)罩。原狀態(tài)風(fēng)扇在整車安裝狀態(tài)下護(hù)風(fēng)罩無延伸，且與車身接觸面無密封材料，造成風(fēng)量損失和回流，從而導(dǎo)致同轉(zhuǎn)速下冷卻能力不足，需要提高轉(zhuǎn)速來彌補(bǔ)，從而使噪聲增大。改進(jìn)后護(hù)風(fēng)罩進(jìn)行了延伸，并加裝了密封材料，減少了風(fēng)量損失。

（5）降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。上述方案均對增大風(fēng)量有明顯的作用，經(jīng)風(fēng)量測試，在保證原有風(fēng)量的前提下，新風(fēng)扇轉(zhuǎn)速明顯低于原狀態(tài)，詳見表3。一般而言，轉(zhuǎn)速降低50%，聲壓級降低11～17dB，因此降低轉(zhuǎn)速對降噪非常有利。

（6）框架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。原狀態(tài)風(fēng)扇與電機(jī)分別僅有四根肋板支撐，固定支腳也比較薄弱，框架整體剛度低，從而使風(fēng)扇易受發(fā)動機(jī)低頻振動影響，并將這些影響傳遞到車身，增大車身振動。改進(jìn)后兩風(fēng)扇的肋板數(shù)量均增至7 條，固定支腳也進(jìn)行了加強(qiáng)處理，與改進(jìn)前相比，風(fēng)扇殼體剛度提升了35%（利于降低風(fēng)扇振動對車身的影響）。

表3 相同風(fēng)量下改進(jìn)前后冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對比Tab.3Thefanspeedcomparisonbetweenoriginaland improvedfanswiththesameairflow

（7）電機(jī)的影響。原狀態(tài)風(fēng)扇電機(jī)為2 擋式有刷電機(jī)，不能按水溫及空調(diào)壓力變化線性調(diào)整轉(zhuǎn)速，NVH 方面的不足表現(xiàn)在：①為保證整車的溫度場及冷卻，設(shè)計要求其冷卻能力處于過剩水平，即高轉(zhuǎn)速出現(xiàn)的時間比偏大，直接造成噪聲偏大；②有刷電機(jī)由于通過電刷及換向器實(shí)現(xiàn)機(jī)械換向，運(yùn)轉(zhuǎn)時存在摩擦力，在中高頻500Hz 及以上會有明顯的噪聲貢獻(xiàn)。

基于整車布置空間和成本考慮，且當(dāng)前改進(jìn)效果已達(dá)到要求，故暫不對電機(jī)進(jìn)行改動。

3 方案驗(yàn)證

方案驗(yàn)證，詳見表4 及圖4。由表4 可見，改進(jìn)后冷卻風(fēng)扇單體及整車狀態(tài)下怠速噪聲均有明顯改善，由于車身及動力總成系統(tǒng)主要模態(tài)均分布在低頻區(qū)域[3]，因此冷卻風(fēng)扇在低頻上的改進(jìn)對整車怠速振動也產(chǎn)生影響，經(jīng)測試，改進(jìn)后整車怠速振動降低0.047g，改善明顯。并且經(jīng)一系列改善后，針對整車的主觀評價也達(dá)到較好的效果。因此，通過對風(fēng)扇單體的優(yōu)化來達(dá)到優(yōu)化整車NVH 性能的方法是有效的。

表4 冷卻風(fēng)扇改進(jìn)前后臺架與整車噪聲對比Tab.4SPLcomparisonincompletevehicleandcomponent betweenoriginalandafterdesignoptimization

圖4 改進(jìn)前后臺架與整車噪聲自功率譜對比Fig.4 Cooling fan noise APS comparison between original and after design optimization (upper-complete vehicle level, lowercomponent level)

本文通過將冷卻風(fēng)扇整車與臺架工況下測試相結(jié)合，將整車問題分解至部件，再依據(jù)風(fēng)扇噪聲產(chǎn)生機(jī)理對風(fēng)扇參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，最終使得整車NVH 得到改進(jìn)（臺架測試在整個車型NVH 開發(fā)中的關(guān)系如圖5 所示）。

圖5 臺架測試在開發(fā)中的作用Fig.5 Bench test support vehicle performance development

4 總結(jié)

綜上所述，可以看出臺架測試作為開發(fā)手段，在整車開發(fā)試驗(yàn)中的作用主要體現(xiàn)在：

（1）利用臺架進(jìn)行系統(tǒng)及部件測試，能夠從測試環(huán)境、樣件約束的邊界及工況實(shí)現(xiàn)的精準(zhǔn)等幾方面保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并利于從窄帶頻譜分析的角度對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致的分析和比對，為發(fā)現(xiàn)問題提供依據(jù)。

（2）消聲室臺架測試系統(tǒng)作為NVH 開發(fā)的中間環(huán)節(jié)，使整車NVH 問題可以在系統(tǒng)上進(jìn)行分解優(yōu)化，加強(qiáng)了性能開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計之間的聯(lián)系，也能夠更直接地為系統(tǒng)供應(yīng)商進(jìn)行設(shè)計制造指出目標(biāo)[4]。降低了使用整車直接測試的頻次，節(jié)約了開發(fā)成本。

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