雙風扇拍振對車內噪聲的影響分析

雷冰芬

Lei Bingfen

（東風汽車股份有限公司商品研發院，湖北 武漢 430057）

0 引 言

隨著道路條件的改變和人們生活水平的提高，人們對乘坐舒適性的要求越來越高，冷卻風扇是汽車冷卻系統重要的組成元件，除保證發動機的冷卻性能外，冷卻風扇以一定的轉速高速運轉時勢必引起振動和噪聲的問題，嚴重時影響乘員的乘坐舒適性。

以某款車型車內出現節奏性轟鳴聲為例，采用 NVH理論知識與實車測試相結合的方式對冷卻系統各元件進行分析，在總結測試數據的基礎上對雙風扇特性及其減振結構進行詳細研究，重點從拍振和減振的機理著手，通過優化風扇轉速消除拍振、調整動不平衡量、改變減振元件的結構和參數解決出現的問題，并降低了車內噪聲。

1 故障分析

1.1 主觀評判

該款乘用車搭載排量 2.0 L、怠速 750±50 r/min的汽油發動機，空調壓縮機開啟后發動機怠速提高到900 r/min。冷卻系統在空間布置上采用吹風式電子雙風扇，風扇為兩擋控制，高低速分別設計為2100 r/min、2850 r/min，轉速偏差控制在±10%范圍內。在商品性評價中發現該車怠速時電子風扇運轉后，車內出現大的轟鳴聲并伴有明顯的節奏感。為進一步確認風扇的具體影響因素，按表1所示進行故障主觀排查。

表1 故障排查

由表1可知：在雙電子風扇同時開始運轉后，出現振動噪聲大，節奏感強，使人體無法接受的情況，說明該故障與電子風扇的運轉密切相關，受發動機和空調壓縮機工作影響不大。

1.2 實車測試分析

根據主觀判斷可知，風扇轉速在車內振動及噪聲中起主導作用，所以在實車上根據前文所述工況進行振動測試，主要采集風扇轉速變化和駕駛員座椅導軌的 3向振動加速度信號，進一步確認造成該噪聲問題的主要原因。

1.2.1 兩風扇同時運轉工況分析

發動機怠速，開啟空調壓縮機，采用激光轉速儀監測雙電子風扇實際轉速分別為 2197±10 r/min，2154±14 r/min，在此基礎上采集駕駛員座椅導軌上的振動加速度信號，并對測試結果進行頻譜分析，如圖1所示。

當兩風扇同時開啟后，在振動信號頻譜圖上出現3個振動峰值，其頻率分別為25 Hz、30 Hz、35～37 Hz。25 Hz為發動機在怠速750r/min時的二階點火頻率，30 Hz為壓縮機開啟后發動機怠速900 r/min時的點火頻率，35～37 Hz之間的2個峰值在風扇的一階轉動頻率35 Hz附近。風扇轉頻的實測數據與理論存在差異，主要是由于實際輸入電壓波動導致雙風扇理論設計轉速2100 r/min與實際轉速2197±10 r/min，2154±14 r/min之間的偏差引起。由此可知引起車內振動的 2個振源為發動機和電子風扇，需要進一步確定帶來節奏性轟鳴聲的確切振源。

關閉發動機及壓縮機，繼續使兩風扇同時運轉，監測轉速分別在2050～2063 r/min、2011～2024 r/min范圍內，此時出現有“節拍”的周期性振動信號，“節拍”周期約為1.74 s，即頻率約為0.57 Hz，如圖2所示，此節拍與主觀評價時感受一致。

1.2.2 單一風扇運轉工況

關閉發動機與空調壓縮機，單獨運轉任意一側電子風扇，采集風扇轉速信號及駕駛員座椅導軌振動信號，從圖3可以看出不存在“節拍”現象。

1.3 分析結果

根據專業人員的主觀評價，結合實車測試結果可知，無論發動機和壓縮機是否工作，只要雙電子風扇啟動，故障現象即刻出現，且在測試中單獨運行任意一側風扇都不會出現“節拍”現象，由此可以判斷車內節奏性轟鳴聲與雙風扇同時運轉直接相關，而電子風扇轉速設定是造成“節拍”的主要原因。另外由于白車身在37～40 Hz存在一階扭轉和繞 Z向的彎曲模態，雙風扇工作時產生的轉頻易與車身模態重合，產生共振，進而引起車內轟鳴。

2 振動原因解析及優化

2.1 拍振定義及原理

結構振動時，有時會產生“節拍”現象，當2個振動幅值近似、頻率相差很少的簡諧波形疊加在一起時，其合成波形的振幅將隨時間作周期性緩慢變化，形成時強時弱的信號，這種現象稱之為“拍振”。

拍振產生的原理[1]：當一質點同時參與2個同相位ω、不同頻率ω1、ω2，振幅為 A1、A2的簡諧運動，則在t時刻2個振動信號分別為

當 2振幅近似相同 A1=A2=A，頻率相差很小ω1≈ω2時，合成波形為

產生的振動信號如圖4所示，這樣時強時弱的信號即為“節拍”，由此形成的振動稱之為“拍振”。

2.2 風扇優化

根據上述大量試驗和理論分析可以確定風扇轉速的設計是造成該故障的主要原因，另外，系統的減振元件設計不良，也會造成振動傳遞，影響舒適性。由于車身的固有模態無法改變，所以主要從調整風扇及其相關零件參數來進行優化。

2.2.1 轉速調整

因系統采用葉片形狀、直徑、葉片數、驅動電機相同的雙風扇，且兩風扇轉速均為2100 r/min。為了節省開發費用和縮短周期，并考慮對冷卻性能的影響，在一側風扇控制線路中增加電阻將轉速調整到 1700 r/min，并將風扇的轉速偏差[2]控制在40～60 r/min范圍內，此時兩風扇的轉頻設計在35 Hz、28.3 Hz，避免了“拍振”的產生。

2.2.2 動平衡控制

根據電子風扇的設計要求，風扇的動不平衡量需控制在35 g·mm以下，通過調整風扇葉片上的平衡塊，雙風扇的動不平衡量分別為 13.5 g·mm、28.9 g·mm時，在整車上可以達到最佳的使用狀態。

2.2.3 減振元件改進

雙風扇在原設計中采用上下 4點固定，上面兩處支架與車身相連，下面柱狀結構通過減震墊落在水箱橫梁上，主要通過實施增加加強筋連接支架、在支架安裝孔處設計彈性墊、將下減振墊的邵氏硬度從 75（A）降到 55（A）等措施，使車內轟鳴聲得到明顯的改善。

3 結束語

汽車冷卻電子風扇是影響整車 NVH性能的重要因素之一，其固有頻率設計在較低的轉速，當風扇啟動后會迅速達到這一頻率轉速，所以高速時出現大的振動，多數原因是轉速設計不合理、動平衡狀態欠佳、隔振或減振元件設計不良等。通過大量的理論和試驗分析，解析風扇引起整車振動的原因可從以下方面考慮。

1）檢查風扇的激勵頻率是否與車身、轉向盤等部件固有頻率相耦合；

2）雙風扇驅動動力源、葉片形狀、結構、轉速盡可能做到差異設計，應避免產生“拍振”現象；

3）檢測風扇動平衡，改變平衡塊調整動平衡到最佳狀態；

4）減振或隔振元件的剛度、模態做合理匹配，使其達到應有的效果。

[1]師漢民.機械振動系統（上）[M].武漢：華中科技大學出版社，2004.