乘用車發(fā)電機噪聲降低的研究

張建操，劉彤

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

乘用車發(fā)電機噪聲降低的研究

張建操，劉彤

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著乘用車在人們生活中的普及，舒適性已成為衡量整車的重要指標，其中發(fā)動機的噪音是重點研究的對象。其中從每個零部件的噪聲改善入手來改善發(fā)動機整體的噪聲。文章以發(fā)電機的噪聲優(yōu)化為例，首先介紹了汽車用發(fā)電機的結構及噪聲分類，針對發(fā)電機的結構提出可優(yōu)化的方案，通過噪聲試驗結果表明，優(yōu)化設計對噪聲有一定的改善。

發(fā)電機；噪聲測試；優(yōu)化設計

CLC NO.:U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-61-03

前言

隨著乘用車日益的普及，人們對于車輛的舒適性逐年提高，從整車到發(fā)動機都在進行NVH的研究，從汽車噪聲產生的機理考慮，汽車的整車噪聲主要包括：發(fā)動機噪聲、冷卻風扇噪聲、排氣噪聲、傳動及胎噪聲等。據(jù)統(tǒng)計，發(fā)動機噪聲約占55%，占其整車噪聲中很大一部分，在發(fā)動機噪聲中，前端噪聲是主要噪聲，發(fā)電機作為整車的供電設備，本身混合了多種模式的噪聲，使噪聲的優(yōu)化更加困難。

發(fā)電機是為整車提供用電的設備，要降低發(fā)電機的噪音就要先區(qū)分出發(fā)電機的噪音源，有針對性的對發(fā)電機的某種噪音進行設計上的改良，降低發(fā)電機的整體噪音。

1 發(fā)電機噪聲概述

1.1 發(fā)電機

在汽車正常行駛時，交流發(fā)電機皮帶由發(fā)動機帶動旋轉，交流發(fā)電機他勵后開始發(fā)電，并向車內蓄電池充電和供負載用電。它一般位于發(fā)動機前端發(fā)動機倉內，發(fā)動機倉由引擎蓋密封。普通工況下，發(fā)動機汽缸的工作噪聲遠高于發(fā)電機的噪聲，但發(fā)現(xiàn)汽車在怠速、啟動、低速急加速、停機過程瞬間，可能出現(xiàn)一種可辨的異于發(fā)動機噪聲，該噪聲頻率較高，因此對于舒適性要求較高的乘用車，不可忽視。

發(fā)電機一般由定子、轉子、整流橋、調節(jié)器、前后蓋等組成，采用轉子前后雙內風扇型結構，除皮帶輪外，整個發(fā)電機沒有外露部分，定子鐵心完全被前后端蓋所覆蓋，前端蓋通過端蓋止口與后端蓋配合，把發(fā)電機定子、轉子固定在一起成為一個整體。定子鐵心由 0. 35mm 或 0. 5mm 硅鋼板沖片構成，沖片內周均勻分布著 36 槽；轉子由磁場繞組、爪極及轉軸組成，爪極分前爪極和后爪極。通常前后爪極均布 6 個爪組成 12 對 N 、S 極；外腔裝有電刷及三相整流橋，并以塑料端罩保護。當極對數(shù)為 p 的轉子每旋轉一周，定子繞組感應電動勢也相應交換 p 次，因此電機供電頻率為：

式中：p為極對數(shù)；n 為電機轉速

圖1 發(fā)電機結構圖

1.2 發(fā)電機噪聲的組成及機理

發(fā)電機噪音分為機械噪音、風噪和電磁噪音。

機械噪音是滾動軸承及相關旋轉部件所產生的噪音，主要來自轉子軸承、皮帶輪與皮帶間的摩擦和電刷的接觸，直接正比于發(fā)電機的轉速和負載。電磁噪音是指定子轉子之間的磁場脈動引起的，這種噪音產生的途徑在發(fā)電機有負載低轉速時比高轉速時更加明顯。發(fā)電機的風扇是是風噪的主要噪音源，風扇的傾角使風扇工作像一個轉速不高的離心機，同時葉片表面的尖角和尖邊使風噪在高轉速時會更加明顯，另外就是依圓周方向不等的空間使葉片運轉時像一系列單葉片鼓風機產生的噪音。其中機械噪音是主要的噪音（強度比值在一定程度在60%～70%），風噪次之（強度比值在20%～30%），電磁噪音最低（強度比值在10%）。

2 發(fā)電機噪聲測試

發(fā)電機單體噪聲與在發(fā)動機上運轉噪聲是不同的，裝配在發(fā)動機上的運轉，發(fā)電機由于受到了發(fā)動機扭振、皮帶傳動的影響，在發(fā)動機上實測的噪聲更加接近實際。因此，此次發(fā)電機的噪聲測試在發(fā)動機上進行，運用聲源定位、頻率分析判斷發(fā)電機是哪種噪聲。

2.1 噪聲測試布置

1）臺架布置，將發(fā)動機固定在發(fā)動機臺架上，發(fā)電機按照發(fā)動機裝調技術文件固定在發(fā)動機上，皮帶按照設計繞在附件各皮帶輪上，連接好發(fā)電機線束。

2）傳感器布置，聲源定位麥克風陣列布置在發(fā)動機前端，三個麥克風布置在發(fā)電機的近場，分別在發(fā)電機的0度、45度、90度位置。

3）測量工況，分別在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)下測發(fā)電機的噪音，瞬態(tài)是發(fā)動機小負荷，轉速1000rpm～5500rpm，運行時間120s。

圖2 傳感器布置圖

2.2 噪聲測試結果

圖3 聲源定位圖

由聲源定位的結果來看，異響頻率位于前端冷卻口處，可能是冷卻風扇、轉子等旋轉引起的噪聲。

圖4 發(fā)電機噪聲頻譜圖

分析發(fā)電機頻譜圖，比較明顯的階次為31.5階、63階和94.5階。發(fā)電機/曲軸轉速速比為2.63，發(fā)電機轉子爪極為6 對12個，根據(jù)階次理論爪極工作對應的階次為2.63*12=31.56階，其中63.99階和94.5階為爪極噪聲的2、3諧次，可基本判定是發(fā)電機轉子爪極相關部件存在設計缺陷。

3 發(fā)電機噪聲優(yōu)化方案

通過對發(fā)電機的結構研究，找出可能產生噪音的結構，分別從風噪和電磁噪聲進行改善，得出如下的優(yōu)化方案：

圖5 保持線圈優(yōu)化對比圖

1）去掉保持線圈架上的護邊，發(fā)電機轉子的保持結圈兩頭各有5個翻邊，每個反邊上各有6個小孔，翻邊并沒有固定在轉子線圈上，當風扇旋轉，冷卻風通過轉子，在穿過小孔時可能產生高頻風噪。

2）改變風扇的材料和扇葉的數(shù)量、高度，風扇噪聲的控制策略主要的適當控制風扇轉速，風扇噪聲隨轉速的增長遠比其他噪聲大，在冷卻要求已確定的條件下，為降低轉速，可在結構尺寸允許范圍內，適當加大風扇直徑或者減少葉片數(shù)目；充分運用流體力學理論設計高效率的風扇，可在保證冷卻風量和風壓的前提下降低轉速。采用葉片不均勻分布的風扇。將發(fā)電機前風扇的高度由10.8mm增加到11.2mm，后風扇的扇葉由14片降低到11片。

3）根據(jù)發(fā)電機噪聲的頻譜分析，由于爪極側面的切邊，切割磁感線的不平衡導致定子震動產生的電磁噪聲，因此加大爪極側面的倒角，避免有尖邊出現(xiàn)；

圖6 爪極優(yōu)化對比圖

4）在轉子的裝配工藝上，兩爪極裝配時距離不不均勻性也產生電磁噪音，因此在上下爪極裝配時增加分別的定位裝置，保證爪極裝配后間隙更加均勻，降低電磁噪音；

圖6 爪極裝配優(yōu)化對比圖

4 發(fā)電機噪聲優(yōu)化測試結果

將發(fā)電機按照上4個方面進行優(yōu)化后，再裝配到發(fā)動機上進行噪音測試，運行工況仍按照瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)測試，將原狀態(tài)發(fā)電機與優(yōu)化后新狀態(tài)發(fā)電機在0度、45度、90度、1m處進行噪音比較，有如下結果：

1）前方1m：全負荷加速過程，整改件對應的發(fā)動機在1000～1300rpm，1650～2100rpm，3200～3500rpm 時改善效果明顯，分別降低 0.49～2dB(A)，0～1.5dB(A)，0～1.5dB(A)，在其他轉速較原裝件低1dB(A)以內。整改件對發(fā)動機前方1m噪聲有一定的改善效果。

2）發(fā)電機—0deg，在1000～4000rpm改善明顯，聲壓級降低 0～5dB(A)，4000rpm以上時聲壓級曲線較原裝件平滑。在全負荷加速過程中整改件總體表現(xiàn)優(yōu)于原裝件。

3）發(fā)電機—45deg，全負荷加速整改件聲壓級曲線較原裝件平滑，整體表現(xiàn)優(yōu)于原裝件。在1000～4000rpm改善明顯，聲壓級降低 0～3dB(A)。

4）發(fā)電機—90deg，全負荷加速整改件聲壓級曲線較原裝件平滑，整體表現(xiàn)優(yōu)于原裝件。

5）整改件對發(fā)電機近場噪聲的改善效果明顯，尤其表現(xiàn)在1000～1300rpm，1500～4500rpm。

6）發(fā)動機31.57，63.16，94.76 階次能量突出，分別對應發(fā)電機的12，24，36 階次。其中整改件對發(fā)電機12階次噪聲無改善效果，對24，36 階次噪聲有所改善。

7）對比穩(wěn)態(tài)點，整改件同樣優(yōu)于原裝件。

圖7 優(yōu)化前后聲壓級對比圖

5 結論

通過噪聲測試的聲源定位儀將發(fā)動機中噪聲較大的零部件找到，本文以發(fā)電機為例，由實測的頻譜分析出發(fā)電機主要的幾種噪聲，進一步剖析發(fā)電機結構，找出與噪聲相關的結構，在此基礎上進行優(yōu)化。將優(yōu)化后的發(fā)電機裝配在發(fā)動機上實測，更接近顧客在整車上的噪聲感受，合理確定測試工況，在常用工況進行發(fā)電機噪聲實測，優(yōu)化后發(fā)電機綜合噪聲有2～3dBA的改善。

Study on noise reduction of passenger car generator

Zhang Jiancao, Liu Tong
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

With the popularity of passenger cars in people's life, the comfort has become an important indicator of the whole vehicle, and the noise of the engine is the object of the study. From the noise improvement of each component, the overall noise of the engine is improved. Generator noise optimization, for example, this paper firstly introduces the structure of automobile generator and the classification of noise to the structure of the generator can be optimized solutions, based on noise test results show that the optimization design of noise has certain improvement.

The generator; Noise test; The optimization design

U467

A

1671-7988 (2017)15-61-03

張建操，就職于安徽江淮汽車集團有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.022