某重卡發動機風扇噪音分析及降噪方法

李云趣 李鵬山 李鵬

摘 要：發動機冷卻風扇在高速運轉時產生的噪音是車輛噪音的主要激勵源，文章研究了發動機冷卻風扇噪音的產生機理以及計算方法，并對現有重型卡車風扇控制方式進行了對比，在處理重卡車輛噪音較大問題時，通過更換發動機風扇控制方案的辦法，有效降低車輛噪音等級。

關鍵詞：重卡;噪音;發動機冷卻風扇;發動機風扇控制

中圖分類號：U464 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-54-03

Abstract： The noise produced by Engine drive Fan in high-speed operation is the main excitation source of vehicle noise， generation principle and calculation method of engine drive Fan noise for heavy truck are studied in this papers， control methods of engine drive Fan for heavy truck are compared， When dealing with the problem of truck noise， method of changing the control scheme of engine drive fan， and solved the clients problems.

Keywords： Heavy duty truck; Noise; Engine cooling fan; Engine drive fan control

CLC NO.： U464 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-54-03

引言

在中國重卡市場潮流的推動下，用戶對重卡發動機馬力需求不斷增大，因此發動機對于冷卻系統的冷卻能力需求也不斷提升，增加發動機冷卻風扇的直徑、提高風扇轉速能夠提升冷卻系統的冷卻能力，也增大了車輛的噪音等級，發動機冷卻風扇在高速運轉的情況下，其產生的風噪是整車噪音主要激勵源，研究并降低發動機冷卻風扇噪音，對于整車NVH噪音控制具有實際意義。

在車輛產品開發過程中，采用整車NVH噪音實驗找到主要噪音激勵源，分析噪音源產生原因，并提出更換發動機冷卻風扇控制系統的方案，最終解決了整車噪音問題。為后續車輛噪音優化設計提供一定的借鑒。

1 發動機風扇噪音產生機理及計算方法

發動機冷卻風扇在工作過程中通常會產生兩種噪音，第一種為風扇旋轉過程中葉片切割、拍擊空氣，使空氣的體積或者密度變化從而產生的噪音;第二種為風扇帶動空氣流動過程中氣流撞擊、摩擦發動機周邊件及空氣湍流之間互相作用產生的噪音。本文發動機冷卻風扇發出的噪音計算公式主要參考Ffowcs-Willianms&Hawkings波動方程式。

風扇作用于空氣的聲功率計算公式如下：

其中k為噪音系數通過實驗結果得出，ρ為氣體密度，c為音速，L為葉片尺度，μ氣流速度;

假設葉片壓力與空氣阻力達到平衡，則風扇帶動氣流速度計算公式如下：

其中A為初始空氣流動速度，k為風扇導流系數，S為葉片在軸向上平均投影尺寸，Z為風扇葉片數量，n為風扇轉速;

空氣氣流作用于剛體的聲功率計算公式如下：

空氣湍流之間作用的聲功率計算公式如下：

通過公式計算，推導出下列方法可以降低發動機冷卻風扇噪音：①減少風扇葉片數量;②圓整風扇葉片尖角;③平緩葉片扭轉角度;④減小風扇直徑;⑤風扇葉片外沿環形封閉;⑥降低風扇轉速。其中控制風扇轉速來降低風扇噪音是本文主要采用的車輛降噪措施。

2 重卡冷卻風扇轉速控制方案對比

現有重卡發動機冷卻風扇選型在綜合散熱能力、功率消耗、噪音等因素后，主要采用下列四種發動機冷卻風扇控制方案：

（1）直連風扇：風扇與發動機通過皮帶輪連接，風扇轉速與發動機轉速保持同步。

優點：風扇轉速提升均勻，散熱能力強，噪音線性提升。

缺點：風扇能耗高，費油。

（2）電磁離合器風扇：風扇與發動機之間通過電磁離合器連接，發動機通過ECU信號控制電磁離合器按三級檔位（見圖1）調節風扇轉速。

優點：減少風扇高轉速時間，能耗低，低檔位下風扇噪音小。

缺點：風扇轉速階躍時，噪音同樣發生階躍，噪音感受刺耳。

（3）普通硅油離合器風扇：風扇與發動機之間通過硅油離合器連接，通過溫度記憶合金控制離合器內硅油量，調節風扇轉速。

優點：冷卻系統溫度調節風扇轉速，冷卻調節合理，油耗低，噪音低。

缺點：溫度傳感靈敏度不足，控制手段不智能，有可能造成冷卻系統過熱。

（4）電控硅油離合器風扇：風扇與發動機之間通過硅油離合器連接，發動機通過ECU信號控制離合器內硅油量，調節風扇轉速。

優點：風扇轉速控制精確，能耗低，噪音低，噪音提升平緩。

缺點：必須匹配電控發動機，冷卻系統、空調系統必須裝備溫度傳感器，系統復雜。

3 車輛噪音產生原因分析

在某車輛產品開發過程中出現駕駛室內噪音刺耳現象，實際表現為車輛在高速行駛（90公里/小時）過程中，當空調系統開啟時，駕駛室內會出現高頻噪音（87dB）。

在模擬車輛實際使用工況，對車輛進行整車噪聲源測試后（見圖3），發現整車主要噪音激勵源為發動機冷卻風扇后空氣湍流噪音，該噪音的產生方式為：空氣通過高速行駛的車輛冷卻風道后又被發動機冷卻風扇帶動再次加速形成高速氣流，高速氣流之間通過相互作用發出高頻噪音（見公式4）。

通過實驗驗證，當車輛高速行駛過程中開啟空調時，受到發動機風扇控制邏輯策略影響，冷卻風扇（b型電磁離合器型風扇）轉速發生階躍情況，風扇轉速由800轉/分鐘提高到2400轉/分鐘，而風扇噪音會由40dB提升至102dB，因此風扇噪音階躍現象是本次問題產生的主要原因。

4 車輛降噪方案

經過計算校核，常溫下（≯45℃）在車速90公里/小時的工況下，車輛依靠車速帶動的通風量已滿足車輛動力系統冷卻及空調制冷需求，此工況下可以采用降低發動機冷卻風扇轉速的方法來降噪。

經計算分析，提出下列三種降噪方案：

（1）更換直連風扇，降低噪音最大值，噪音線性提升;

（2）更換電控硅油風扇，降低噪音最大值，噪音平緩提升;

（3）更改電磁離合器風扇控制邏輯，將空調控制邏輯由開啟空調后風扇由直接進入最高檔改為進入第二檔（800轉/分鐘），最大噪音不變，空調系統開啟后不再產生噪音階躍，但是更改控制邏輯存在隱患，有概率出現空調壓縮機因溫度過高而損壞，不建議采用。

通過討論，最終采用方案（1），經測試，駕駛室內最大噪音為81dB，車內噪音同比下降7%（見表1），且噪音線性提升，達到了降噪目標。

5 結束語

（1）通過調整發動機冷卻風扇控制方案，減少風扇轉速，可以降低高車速下整車噪音等級。

（2）在實際處理車輛噪音問題的過程中，不能只關注于降低噪音，也需要考慮平緩噪音變化，噪音的階躍會使客戶認為車輛出現故障，噪音高低起伏會降低駕駛舒適度。

（3）以整車NVH觀點，除降低發動機冷卻風扇噪音以外，車輛還可以通過優化發動機進、排氣系統的結構，改善駕駛室空氣動力外形，選用更好的噪音吸收材料，增加駕駛室密封性等措施來降低整車噪音，提升駕駛舒適性。

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