程 華， 祝社強(qiáng)

（保定長城博翔汽車零部件制造有限公司， 河北保定 071000）

風(fēng)駿皮卡是長城汽車股份有限公司推出的經(jīng)典車型， 連續(xù)14年全國銷量第一， 市場保有量70萬， 出口100個國家和地區(qū)， 連續(xù)10年中國汽車出口額第一。風(fēng)駿皮卡外形與國際接軌， 威猛大氣， 做工精細(xì)， 是引領(lǐng)皮卡發(fā)展的時尚先鋒； 舒適豐富的配置， 更是全面提升了駕乘者的感受， 是皮卡行業(yè)的絕對標(biāo)桿。

1 問題描述

汽車空調(diào)系統(tǒng)可以為乘車人員提供舒適的乘車環(huán)境， 降低駕駛員的疲勞強(qiáng)度， 提高行車安全， 而空調(diào)風(fēng)機(jī)的噪聲是影響舒適性的重要因素之一。

我們在進(jìn)行風(fēng)駿HVAC （Heating Ventilation and Air Conditioning， 空調(diào)器總成） 總成測試的時候，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)有比較尖銳的聲音， 單鼓風(fēng)機(jī)總成的時候更加明顯， 這樣乘客會感到明顯的不舒服， 這是我們必須要改進(jìn)的。

2 原因分析

風(fēng)機(jī)及匹配結(jié)構(gòu)功能如圖1所示。

我們首先對鼓風(fēng)機(jī)單體進(jìn)行測試， 并沒有聽到明顯的尖銳聲音， 因此確定是風(fēng)機(jī)和蝸殼在匹配上產(chǎn)生了問題。 接下來對風(fēng)機(jī)的頻譜進(jìn)行了測試， 結(jié)果見表1。

表1 風(fēng)機(jī)頻譜測試結(jié)果 （設(shè)計改進(jìn)前： 葉輪直徑150 mm）

通過以上試驗數(shù)據(jù)可以看出， 風(fēng)機(jī)總成明顯存在30～40倍頻（倍頻： 風(fēng)機(jī)基本頻率的整數(shù)倍頻率?；l=1／周期； 周期為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需要的時間）的高頻音， 風(fēng)機(jī)端電壓在DC （直流電源） 6 V、 DC 8V時尤其明顯， 頻域峰值超出其附近聲壓級在10dB左右， 這樣人耳聽起來會感覺有比較尖銳的聲音。

同時我們進(jìn)行了風(fēng)道流場的CFD （計算流體動力學(xué)， 用以模擬仿真實際的流體流動情況） 分析，結(jié)果如圖2所示。

通過分析可以看出， 在蝸殼的出風(fēng)口處靠近蝸舌 （圖1）的地方存在一個較大的渦流區(qū)， 而蝸舌區(qū)域恰恰是產(chǎn)生高頻音的重災(zāi)區(qū)， 因此可以初步確認(rèn)， 蝸舌和風(fēng)機(jī)的葉輪的匹配是產(chǎn)生問題的原因。

3 設(shè)計改進(jìn)思路

根據(jù)經(jīng)驗理論值， 小型風(fēng)機(jī)蝸舌與葉輪間的間隙t取值為： t／D=0.07～0.15 （前向葉輪）， 其中D為葉輪直徑。 經(jīng)過測量， 目前風(fēng)駿風(fēng)機(jī)蝸舌與葉輪間的間隙為9.713 mm， 葉輪直徑D=150 mm， t／D=0.065， 處于合理取值的下限值以下， 即風(fēng)機(jī)葉輪和蝸殼蝸舌處間隙偏小。 由于蝸殼模具比較難改， 因此我們決定采用葉輪直徑小一些 （D=135 mm） 的風(fēng)機(jī)進(jìn)行匹配， 此時t=17.213， t／D=0.128，處于合理取值中間值附近， 理論上較為理想， 之后進(jìn)行風(fēng)道流場的CFD分析來驗證我們的判斷。 結(jié)果如圖3所示。

通過分析可以看出， 在蝸殼的出風(fēng)口處靠近蝸舌的渦流區(qū)明顯變小， 因而產(chǎn)生的高頻音也會變小， 這也初步驗證了我們的設(shè)計改進(jìn)思路。

4 效果驗證

有了充分的依據(jù)， 我們經(jīng)過一段時間的準(zhǔn)備，制作了葉輪直徑為135 mm的風(fēng)機(jī)手工樣件， 隨后進(jìn)行了實物驗證， 驗證過程主要分為3個步驟。

第1步， 首先對鼓風(fēng)機(jī)總成、 HVAC總成狀態(tài)下的噪聲進(jìn)行評審， 大家一致認(rèn)定基本上聽不到比較尖銳的聲音， 有的只是呼呼的風(fēng)聲， 在此基礎(chǔ)上，開始下一步的驗證。

第2步， 我們對風(fēng)機(jī)的頻譜進(jìn)行了測試， 并對設(shè)計改進(jìn)前后進(jìn)行了對比， 結(jié)果見表2、 圖4和圖5。

通過以上試驗數(shù)據(jù)， 可以看到30～40倍頻的高頻音消失， 且頻域峰值改進(jìn)在DC 8 V時有5.1 dB，在DC 6 V時有將近10 dB， 改進(jìn)幅度符合我們的預(yù)期， 這樣人耳基本上不會感覺到有比較尖銳的聲音； 另外總的噪聲值在DC 10 V、 DC 8 V、 DC 6 V分別有1.8 dB、 2.9 dB、 4.1 dB改進(jìn)， 效果明顯。 以上結(jié)果表明， 無論是從理論上還是從實踐的效果上， 我們對風(fēng)機(jī)噪聲的改進(jìn)， 方向上是正確的， 效果上是明顯的。

表2 風(fēng)機(jī)頻譜測試結(jié)果 （設(shè)計改進(jìn)后： 葉輪直徑135 mm）

第3步， 考慮到葉輪直徑小可能對風(fēng)量產(chǎn)生影響， 因此我們對改進(jìn)前后的風(fēng)量也進(jìn)行了測試， 測試結(jié)果見表3、 表4和圖6。 測試條件： 端電壓13.5 V，在鼓風(fēng)機(jī)總成中（外循環(huán)）。

表3 風(fēng)壓風(fēng)量試驗數(shù)據(jù) （設(shè)計改進(jìn)前樣件）

表4 風(fēng)壓風(fēng)量試驗數(shù)據(jù) （設(shè)計改進(jìn)后樣件）

由以上圖表可以看出， 改進(jìn)后樣件風(fēng)量不僅沒有降低， 反而有所提升， 在靜壓0 Pa時風(fēng)量提升8.8 m3／h， 在靜壓250 Pa時風(fēng)量提升24.5 m3／h； 從效率上看， 在150 Pa以下， 設(shè)計改進(jìn)后效率不如設(shè)計改進(jìn)前， 但在150 Pa以上， 設(shè)計改進(jìn)后效率要高于設(shè)計改進(jìn)前， 這說明風(fēng)機(jī)的抗壓能力得到提升， 而且實車應(yīng)用的風(fēng)阻基本上都在200 Pa以上， 因此我們可以確認(rèn)改進(jìn)后樣件風(fēng)量和效率均得到了提升。

5 設(shè)計改進(jìn)總結(jié)

通過以上分析和試驗驗證， 我們基本上可以得出結(jié)論， 葉輪直徑減小后對于噪聲的改進(jìn)效果明顯， 且風(fēng)量和效率均得到了提升。 針對此次設(shè)計改進(jìn)， 我們總結(jié)如下。

1） 離心風(fēng)機(jī)葉輪與蝸殼配合十分重要， 不同的配合間隙可能會產(chǎn)生噪聲， 離心風(fēng)機(jī)葉輪與蝸舌間隙經(jīng)驗理論值為葉輪直徑的7%～15%。

2） 離心風(fēng)機(jī)出口處的較大渦流會造成區(qū)域性氣流脈動， 從而產(chǎn)生噪聲。

3） 通過頻譜測試和CFD分析， 可以看到頻域峰值以及不同匹配下的各種氣流壓力及速度分布，進(jìn)而為產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計改進(jìn)提供幫助。

［1］ 安連鎖. 泵與風(fēng)機(jī)［M］. 北京： 中國電力出版社， 2008.