乘用車冷卻風扇拍振問題分析與解決

楊鵬 李允 陳兵 張智 仲崇發

摘 ?要：針對乘用車怠速開空調工況產生的車內噪聲“拍振”現象，本文根據拍振形成原理對問題聲音進行分析，確定問題真因后，又建立了評價拍振問題程度的噪聲指標，最后在不改變動力總成和車身總成的基礎上，通過改善問題源和傳遞路徑等手段，車內噪聲拍振峰值平均降低5.4dB（A），主觀評價結果7分，拍振問題得以解決，有效提升了怠速開空調工況的整車NVH體驗，對由冷卻風扇引起的車內噪聲“拍振”問題的解決起到了關鍵性的作用。

關鍵詞：冷卻風扇;拍振;動平衡;硬度

中圖分類號：U467.3 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2021）03-0041-06

Analysis And Solution of Beat Vibration Of Passenger Car

Cooling Fan

Yang Peng1，2 ， LI Yun1，2 ， Chen Bing1，2 ， Zhang Zhi1，2 ， Zhong Chong-fa1，2

（1.China FAW Group Co.， Ltd， 130013; 2.State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and noise & Safety Control， 130011，China）

Abstract： Aiming at the phenomenon of “beat vibration” in the interior noise of passenger car when the air conditioner is turned on at idle speed. In this paper， the problem sound is analyzed according to the principle of beat formation. After determining the true cause of the problem， a noise index is established to evaluate the degree of the problem. Finally， on the basis of not changing the powertrain and body assembly， by improving the problem source and transmission path， average reduction of interior noise beat peak value by 5.4dB （a）， subjective evaluation results： 7 points. The beat vibration problem was solved. Effectively improve the vehicle NVH experience of idling on air conditioning condition. It plays a key role in solving the problem of interior noise beat caused by cooling fan.

Key Words： ?Cooling Fan; Flapping; Dynamic Balance; Hardness

楊 ? 鵬

畢業于北京理工大學，學士學位，現就職于中國第一汽車股份有限公司研發總院NVH研究所，任動力單元冷卻系統NVH開發員，研究方向為整車冷卻系統NVH。

1 ? ?前言

近年來隨著汽車產業的不斷升級和發展，人均汽車消費額也日益增長，汽車逐漸由代步工具轉變成為居家必備。據資料統計，截至2020年6月底，全國汽車保有量達2.7億輛，同比去年漲幅約為8%;汽車駕駛人4億人，同比去年漲幅約為5%。隨著汽車產品日益豐富，消費者對于汽車性能，特別是NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能要求也越來越高，同時冷卻風扇作為汽車冷卻系統最重要的組成部分之一，其NVH性能的提升工作也逐漸被各大主機廠以及零部件廠商提上日程，因此在產品開發過程中，如何快速而高效地解決由于冷卻風扇引起的車輛NVH性能問題迫在眉睫。

2 ? ?冷卻風扇作用及拍振現象描述

在乘用車冷卻系統中，冷卻風扇是重要的組成零件之一，其主要作用是降低發動機水冷系統中冷卻液的溫度，使動力總成在適宜的溫度范圍內工作。同時，它還能降低空調系統增壓后冷媒的溫度，從而使空調系統正常運行，保證車輛制冷效果。

在車輛原地怠速時，空調開啟，由于冷媒有降溫需求，故冷卻風扇工作。此時車內駕駛員位置會聽到時大時小的“嗯嗯”聲，同時方向盤上也能感受到時大時小且有節奏性的振動，這種現象在專業術語中就叫做“拍振”[7]。

整車怠速開空調工況存在的拍振現象，不但嚴重影響駕駛員在車輛使用過程中的主觀感受，而且長期處于這種節拍低頻的聲音環境中，駕駛員會感到身體不適，特別是炎熱季節，嚴重者還會出現頭暈嘔吐等癥狀。

3 ? ?拍振現象測試及評價

拍振現象發生時，對車內噪聲及方向盤振動進行了測試，車內噪聲測點位置為駕駛員內耳側，傳聲器安裝位置參考GB/T18697，如圖1所示：

方向盤振動測點位置為方向盤12點位置處，坐標系定義：方向盤12點到6點方向為X方向，方向盤平面從左到右方向為Y方向，垂直于方向盤向上為Z方向，如圖2所示。

車內噪聲和振動傳感器測試信號如圖3和圖4所示：

從圖3和圖4中可以明顯看出，拍振現象發生時，駕駛員內耳聲壓和方向盤振動加速度隨時間忽大忽小且有規律，此種現象即為拍振。

主觀評價方面，聲音有節奏忽大忽小，且伴隨有明顯的低頻聲成分，所以主觀評價分為5分，不可接受。主觀評價分數表見表1：

4 ? ?拍振形成原理分析

根據拍振現象“時大時小”的特性和乘用車實際結構分析，推斷出其產生原因主要有兩種：

1）頻率接近的兩個聲音信號疊加。

2）聲音信號振幅雙邊調制。

4.1 ? 頻率接近信號疊加

根據聲學信號公式可得：

式中Signal1為信號1;Signal2為信號2;Signal3為疊加后信號;A1、f1為信號1的幅值和頻率;A2、f2為信號2的幅值和頻率。且f1=35Hz，f2=40Hz。疊加過程圖5所示：

從圖5可以看出，兩頻率接近信號疊加，其合成信號具有拍振特征，合成信號經過傅里葉變換后，圖像有兩個峰值，分別對應信號1和信號2的頻率f1和f2，合成信號經過包絡檢波處理，其包絡圖像存在周期性的不可導點。

與此同時，只改變信號2幅值，再次進行合成，結果如圖6所示：

從圖6可以看出，在兩疊加信號頻率不變的情況下，降低其中一個信號的幅值，合成信號的包絡會趨于平緩，拍振現象也會明顯減弱。

4.2 ? 信號振幅雙邊調制

同樣，根據聲學信號公式可得：

式中fm為調制頻率;fc為載波頻率;Am為調制振幅，Ac為載波振幅。且fc=100Hz，fm=5Hz。疊加過程如圖7：

從圖7可以看出，信號振幅經過雙邊調制，調制后的信號也同樣具有拍振特征，合成信號經過傅里葉變換后，圖像會呈現出三個峰值，峰值頻率分別對應原疊加信號的fc、fc+fm和fc-fm，合成信號經過包絡檢波后，其包絡圖像連續且可導，不存在周期性不可導點。

綜上，由于疊加的原理不同，即使合成信號都具有拍振特征，但經過處理之后，其表現出的特性是不同的。

5 ? ?心理聲學參數—抖動度

在人類聽覺頻率20Hz-20000Hz的范圍內，人耳對于不同頻率聲音的識別是具有選擇性的。在心理聲學中，采用特征頻帶和Bark尺度來表征人耳的這種頻率選擇特性。

特征頻帶又叫臨界頻帶，其詳細的定義為：當某一頻率的純音被噪聲掩蔽時，以該頻率為中心，噪聲總功率起掩蔽作用的頻帶寬度稱為臨界頻帶，詳見表2：

為了能夠有效的描述聲音拍振現象的嚴重程度，我們引入了一個可用于表征拍振程度的心理聲學參數——抖動度。

抖動度的計算公式如下：

式中：f mod為調制信號頻率，DL為聲信號的變化量，Bark為心理聲學頻率帶，F為抖動度，vacil為抖動度單位。對于頻率為1kHz 的純音，如果其聲壓級為60dB，通過4Hz的頻率調制、幅值調制率為100% 后，那么其抖動度為1vacil。

由抖動度公式計算和單一變量原則可得，相互作用的兩個信號的頻率差f1-f2和幅值差A1-A2分別與合成信號抖動度的關系如圖8、9所示：

從圖8和圖9可得：1）兩個信號頻率相差4Hz時合成信號抖動度最大，波動感覺最強烈。2）兩個信號的幅值相差越近，即兩個信號能量越接近，合成信號抖動度也越大，波動感覺越強烈。

綜上，根據拍振形成原理和抖動度判斷依據，對問題拍振問題聲音數據進行分析，結果如圖10、圖11所示：

由圖10、圖11可得，此次拍振問題噪聲經過傅里葉變換后，存在兩個峰值;經過包絡檢波，發現其圖像存在不可導點，分析結果與原因1合成信號特征吻合。因此確定拍振發生原因系兩個頻率相當的聲音疊加所致。

為了確定疊加信號的頻率，從而確定問題部件。我們又對拍振噪聲進行了頻域分析[2]，分析結果圖12：

由圖12可得，車內噪聲確實存在33.8Hz和35Hz 兩個相接近的頻率[1]。經過問題工況車輛零件工作情況可得：

1）六缸發動機怠速轉速700r/min，主階次3階頻率為700÷60×3=35Hz

2）怠速風扇轉速為2030r/min，風扇1階頻率為2030÷60=33.8Hz

由此可得，拍振噪聲聲源為發動機和冷卻風扇兩個部件，故拍振問題的真因為發動機主階次振動（頻率為35Hz）和風扇一階振動（頻率范圍為30-45Hz）頻率接近，經過車身等傳遞路徑的傳遞到車內形成頻率接近的聲音，經過疊加形成了拍振噪聲，低頻噪聲幅值也相應增大，導致了壓耳聲，令人難以接受。

6 ? ?優化措施制定

明確拍振噪聲問題真因之后，從冷卻風扇本體和傳遞路徑兩個方面，制定出了三個整車優化措施[3][4][5][6]：

1）降低散熱器下懸置硬度，優化傳遞路徑隔振性能;

2）提高冷卻風扇動平衡控制要求，降低風扇本體1階振動幅值;

3）縮短風扇與散熱器框架接觸面積，減少振動傳遞。詳情如下表所示：

7 ? ?優化措施效果驗證

根據以上優化措施，整車車內拍振噪聲的優化驗證結果如下：

7.1 ? 優化措施1試驗結果

如圖13所示，在風扇全轉速范圍內，降低散熱器下懸置硬度對拍振噪聲幅值均有很大改善，其中最大降幅約為4dB（A），說明加強風扇振動在散熱器下懸置處的振動衰減，可以非常有效的改善車內拍振噪聲問題。

7.2 ? 優化措施2試驗結果

如圖14、15所示，提高了風扇扇葉動平衡要求，拍振噪聲有明顯改善，同時噪聲抖動度也有明顯降低。說明優化源頭振動也可以明顯降低車內噪聲拍振現象的嚴重程度。

7.3 ? 優化措施1+2+3試驗結果

由圖16、17可得，三個措施全部體現后，車內噪聲拍振峰值平均降低了5.4dB（A），最大降幅9.2 dB（A），抖動度最大值由之前的0.023vacil下降到0.016vacil。

主觀評價維度，由之前的5分提升至7分，且拍振現象消失。駕駛員外耳噪聲和方向盤接觸振動的節拍抖動的現象消失，聲品質變好，車內轟鳴聲也有所降低。至此，整車怠速開空調工況車內噪聲拍振問題得以最終解決。

8 ? ?結論

本文通過降低風扇本體的1階振動和優化散熱器懸置隔振性能，車內噪聲抖動度降低了50%，同時建立了拍振噪聲評價標準，車內噪聲拍振峰值平均降低5.4dB（A），主觀評價結果7分，從而解決了拍振問題。

對于風扇運行頻率相近問題，在開發前期要充分考慮各零部件工作頻率和工作關系，結合實際工況，提前規避拍振風險，這樣可以在整車開發后期有效避免拍振問題的發生，同時也能節約開發成本，提高整車NVH品質。

參考文獻：

[1]龍祖榮，譚明香，萬濤，et al. 乘用車冷卻風扇流量與噪聲研究[J]. 汽車零部件，2019（5）.

[2]段傳學，王文龍. 模擬和試驗結合降低汽車冷卻風扇的噪聲[C]// 2018中國汽車工程學會年會. 0.

[3]黃繼剛，李琳，李娜. 低噪聲發動機冷卻風扇結構改進設計[J]. 機械設計與制造，2018（9）：205-208.

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