某輕型客車開啟空調后車內異常振動噪聲現象研究

王曉宏　于友明　楊超起等

中圖分類號：U469.1 文獻標識碼：A 文章編號：1004-0226（2021）12-0044-03

1前言

隨著消費水平的不斷提高，人們對于汽車的乘坐舒適性要求越來越高。一般通過三方面的表現衡量車輛的舒適程度，即噪聲、振動及舒適性（簡稱NVH）。由于怠速狀態的NvH表現是消費者對車輛的最直接感受，因此空調噪聲作為一項重要的決定性指標而備受關注。其中的冷卻風扇噪聲是空調噪聲的一個重要部分。

發動機冷卻風扇是水冷內燃機冷卻系統的重要部件，它的作用在于保證發動機的冷卻，冷卻風扇是發動機冷卻系統中最關鍵的部件之一，不但直接影響發動機的工作狀態，而且對保證發動機的壽命和經濟性具有重要意義，為了滿足發動機散熱要求，冷卻風扇經常高速運轉，不可避免地引起振動和噪聲，嚴重時影響車輛的舒適性。

2問題現象描述

某款輕型客車原地怠速工況下，打開空調開關，空調壓縮機啟動，兩個冷卻風扇同時啟動，此時在駕駛員座椅和方向盤出現“忽大忽小”的有節奏的振動，同時伴有“忽大忽小”有節奏的噪聲，讓人感覺很不舒服，同時車外這種有節奏的振動噪聲更明顯。待到冷卻風扇停止工作后，這種異常振動噪聲消失。由此推斷此異常振動是由冷卻風扇工作時引起的。

3拍振理論

當兩個振動幅值近似相同、頻率相差很少的簡諧波疊加時，其合成波形的振幅將隨時間作周期性緩慢變化，這種現象稱之為“拍”或“拍振”。

一質點同時參與兩個同方向、不同頻率簡諧運動，假設時刻位移分別為：

如圖1所示，拍振時域信號是兩個信號的疊加。這樣時強時弱的信號即是拍。這樣的信號可以是任何形式的信號，如結構的振動信號、地磁波的震蕩信號、聲音等。

4振動響應測試和分析

針對以上現象，在車輛怠速工況下，打開空調開關，在冷卻風扇工作狀態下，測試主駕滑軌和風扇框架上的振動響應，并進行頻譜分析。

如圖2所示，在怠速開空調、兩個冷卻風扇同時工作的時候，風扇框架表現出“忽大忽小”的振動特征，振動具有明顯的“節拍”特性。進一步分析拍振的周期T=1.1 s，頻率為f=1/T=0.9 Hz，此頻率正是人體比較敏感的頻率。

如圖3所示，風扇框架振動頻譜分析可以看出存在幾個振動峰值，其中30 Hz為怠速開空調狀態下發動機的二階激勵。兩個冷卻風扇理論設計轉速均為n=2200r/min，其一階旋轉激勵頻率計算值為產n/60，所以風扇一階激勵頻率理論值為36.6 Hz，由于風扇轉速實際與理論存在差異，所以認為圖3中的37.75 Hz和38.65 Hz為兩個風扇工作時的一階激勵頻率。圖3中的22.5 Hz的振動峰值遠遠小于兩個風扇的激勵峰值，暫時不做分析。

由以上測試和理論分析可以得到，兩個冷卻風扇工作的時候由于激勵頻率很接近，分別為37.75 Hz和38.65 Hz，其合成波形的振幅將隨時間作周期性緩慢變化，即發生了“拍振”，表現為出現“忽大忽小”的振動現象，此振動傳遞到車內就出現了駕駛員座椅和方向盤“忽大忽小”的有節奏的振動，而此拍振的頻率為f=0.9 Hz，正是人體比較敏感的頻率，所以人感覺特別不舒服。

5問題現象物理驗證

保持兩個冷卻風扇正常安裝在車上，其中冷卻風扇A由外接電源控制，冷卻風扇B由車輛自身控制，即保持轉速為正常工作狀態，如圖4所示。

當外接電源電壓由12V逐漸降低，人體感受車內“忽大忽小”的振動現象逐漸減弱，直至消失，但是此時車內還是能很明顯地感受到較大的振動。此試驗進一步證明車內出現的“拍振”現象是由于兩個冷卻風扇的激勵頻率相差太近所導致。但是風扇自身的激勵太大，還是會傳遞到車內，導致人的振動感受明顯。

6動不平衡理論

具有一定轉速的轉動件，由于材料組織不均勻、零件外形的誤差、裝配誤差以及結構形狀局部不對稱等原因，使通過轉子重心的主慣性軸與旋轉軸線不相重合，因而旋轉時，轉子產生不平衡離心力，其值由下式計算：

式中，G為轉子的重量，N;e為轉子重心對旋轉軸線的偏移，即偏心距，mm;n為轉子的轉速，r/min;ω為轉子的角速度，rad/s;g為重力加速度，mm/s。

由式（3）可知，當重型或高轉速的轉子，即使具有很小的偏心距。也會引起非常大的不平衡的離心力，成為軸或軸承的磨損、機器或基礎振動的主要原因之一。所以機器在裝配時，轉子必須進行平衡。

評價轉子不平衡大小在圖紙上可以用許用不平衡力矩表示，即轉子重量與許用偏心距的乘積，單位為g·mm。

7風扇動不平衡改進

為了確定風扇的動不平衡量，挑選以上兩個風扇送到第三方檢測機構進行動平衡試驗，見圖5。測試發現風扇A的動不平衡量為129.2g·mm，風扇B的動不平衡量為494.9g·mm，而圖紙設計風扇的動不平衡量為小于40g·mm，所以可見兩個風扇的動不平衡量已經遠遠超過設計標準。

針對以上風扇動不平衡嚴重超標問題，反饋風扇廠家進行整改，廠家通過調查原因為原平衡機設備固定在流水線的工作臺上，形成一定程度的軟支撐，產生共振，所以通過改進平衡機設備的固定方式，消除了因臺架共振產生的平衡機設備讀數不穩定。

8改進驗證

以上原因調查完成后，廠家重新試制一套合格的風扇，安裝在實車上進行驗證，通過客觀試驗和主觀感受進行評價。

客觀測試數據如圖6所示，原始狀態和優化后風扇框架上振動頻譜對比，其中30 Hz為怠速開空調發動機二階激勵頻率，優化后風扇的激勵頻率為36.75Hz和37.25Hz，比原始狀態37.75Hz和38.65Hz有所下降，可能是由于風扇供電電壓的波動導致風扇轉速的變化。但是可以明顯看到，優化后風扇的最大激勵幅值由原始狀態1.8m/s下降到0.1m/s，改善效果顯著。主觀感覺車內“忽大忽小”的振動消失，而且車內振動明顯減弱。

9結語

樣車怠速開空調工況下，車內表現“忽大忽小”的振動現象是由于兩個冷卻風扇工作時發生了“拍振”現象，而根本原因是由于風扇的動不平衡量過大導致風扇工作時輸出的激勵力過大，從而把“拍振”現象傳遞到了車內，使人感覺不舒服。

為了避免“拍振”現象的發生，設計風扇轉速時盡量使其錯開一定范圍，如果實在無法做到應該想辦法把風扇的振動隔離，避免傳遞到車內。

動不平衡量是風扇設計的一個重要參數，動不平衡量不達標風扇工作時輸出的激振力就會加大，傳遞到車內就會影響乘坐舒適性。