張 聰

（華晨汽車工程研究院 路試處，遼寧 沈陽 110141）

汽車發(fā)電機(jī)噪聲測試分析

張 聰

（華晨汽車工程研究院 路試處，遼寧 沈陽 110141）

噪聲問題已經(jīng)成為汽車交流發(fā)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展的瓶頸，借助國內(nèi)某知名企業(yè)的先進(jìn)噪聲實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行發(fā)電機(jī)噪聲測試分析。對噪聲測試影響因素、測試要求、測試設(shè)備進(jìn)行分析，測出發(fā)電機(jī)A聲級主要階次成分噪聲。對噪聲測試結(jié)果分析表明，發(fā)電機(jī)整體噪聲在低轉(zhuǎn)速區(qū)間問題較大，找出噪聲主要階次成分隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律，確定引起噪聲的主要階次成分。為發(fā)動機(jī)降噪方案設(shè)計提供依據(jù)。

交流發(fā)電機(jī)；噪聲；測試；階次

CLC NO.:U467.3Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-60-04

前言

電機(jī)噪聲控制是環(huán)境保護(hù)所面臨的最重要課題，噪聲和振動又是電機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo)之一[1]。隨著人們生活水平的提高，對汽車乘坐舒適性的要求也不斷提高，發(fā)電機(jī)的振動噪聲問題也引起了大家的廣泛關(guān)注，成為汽車NVH研究的一個方向[2]。國內(nèi)外對電機(jī)噪聲的研究主要偏向于理論和仿真研究，1928年，DenHartog研究了一種計算單環(huán)形定子的固有頻率的方法。1987年浙江大學(xué)陳永校等人指出電機(jī)應(yīng)該控制電機(jī)氣隙磁波的大小，使其遠(yuǎn)離定子的固有頻率以防止產(chǎn)生共振。

理論和仿真研究與真實(shí)情況存在一定的差距，仿真過程中涉及到對某些條件的假設(shè)，在一定程度上影響到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前基于實(shí)際電機(jī)噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究并不多見，本文基于真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對采集到的聲壓級-轉(zhuǎn)速曲線圖進(jìn)行研究。

1、發(fā)電機(jī)噪聲測試

1.1 測試影響因素

發(fā)電機(jī)噪聲測試水平受許多因素影響。為了準(zhǔn)確反映發(fā)電機(jī)的噪聲水平，必須對測試影響因素分析。測試時，根據(jù)客戶要求設(shè)定試驗(yàn)條件，以達(dá)到客戶要求指標(biāo)。下面對影響噪聲測試水平的幾個主要因素進(jìn)行分析。

（1）溫度：噪聲實(shí)驗(yàn)室的溫度對發(fā)電機(jī)的工作特性有很

大影響，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)的噪聲。

（2）狀態(tài)：在同一變速率下，發(fā)電機(jī)冷態(tài)工況與熱態(tài)工況測得的噪聲聲壓級-轉(zhuǎn)速曲線差別很明顯，出現(xiàn)峰值的共振轉(zhuǎn)速也不同[3]。這可能是因?yàn)槔鋺B(tài)與熱態(tài)時發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)振動固有頻率不同所致，振動固有頻率的變化使激起發(fā)電機(jī)共振的轉(zhuǎn)頻改變，自然發(fā)電機(jī)由結(jié)構(gòu)振動引起的噪聲聲壓級出現(xiàn)峰值的共振轉(zhuǎn)速也發(fā)生相應(yīng)的變化。

（3）測試點(diǎn)：采集數(shù)據(jù)時，傳聲器的放置位置需要根據(jù)客戶要求而定。

1.2 測試要求

發(fā)電機(jī)通風(fēng)噪聲和電磁噪聲測試試驗(yàn)條件要滿足以下相應(yīng)要求。相比于生產(chǎn)廠家預(yù)先制定的標(biāo)準(zhǔn)，其他噪聲（電刷噪聲、軸承噪聲）在相應(yīng)的新標(biāo)準(zhǔn)下測試也達(dá)到了很好的效果[4]。

1.2.1 通風(fēng)噪聲

（1）條件。a) 外界溫度：室溫；b) 測試轉(zhuǎn)速區(qū)間：1 500～最大轉(zhuǎn)速（100 rpm/s）；c) 測試點(diǎn)：發(fā)電機(jī)前、后、左、右方30 cm2范圍內(nèi)；d) 空載；e) 測試階次：全階次、6th、12th、18th等。

（2）要求。無其他噪聲影響，必須符合HMC/KMC說明書中規(guī)定。

1.2.2 電磁噪聲

（1）條件。a) 外界溫度：室溫；b) 端電壓：13.5 V；c) 狀態(tài)：冷態(tài)；d) 測試轉(zhuǎn)速區(qū)間：1 500～最大轉(zhuǎn)速（100 rpm/s）；e) 測試點(diǎn)：發(fā)電機(jī)前、后、左、右方30 cm2范圍內(nèi)；f) 負(fù)載：100%；g) 測試階次：全階次、30th、36th等。

（2）要求。無其他噪聲影響，必須符合HMC/KMC說明書中規(guī)定。

1.3 測試設(shè)備

該噪聲實(shí)驗(yàn)室具有很高的聲吸收性能，在測試頻率范圍內(nèi)所有頻帶和選定的測試表面有合適的自由聲場。

試驗(yàn)臺上發(fā)電機(jī)的安裝支座用于固定待測的發(fā)電機(jī)中，傳聲器升降設(shè)備的安裝要求中心在發(fā)電機(jī)中心的縱軸線上，升降設(shè)備底面的四個傳聲器安裝在同一平面上，且均勻分布，符合測試要求中對發(fā)電機(jī)前、后、左、右方采集數(shù)據(jù)，測試時傳聲器距離發(fā)電機(jī)中心的位置需要根據(jù)客戶的要求而定。

本次試驗(yàn)分兩次完成，通風(fēng)噪聲數(shù)據(jù)在空載狀態(tài)下采集，電磁噪聲數(shù)據(jù)在全負(fù)載狀態(tài)下采集，且兩次試驗(yàn)均在發(fā)電機(jī)熱態(tài)下進(jìn)行。根據(jù)客戶要求僅對發(fā)電機(jī)側(cè)（風(fēng)扇端）、前、后三個方位采集數(shù)據(jù)，傳聲器安裝在發(fā)電機(jī)的這三個方位。試驗(yàn)結(jié)束后，數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動輸入計算機(jī)。

2、A聲級主要階次成分噪聲分析

下面對發(fā)電機(jī)樣件XX（以下簡稱“發(fā)電機(jī)XX”）和發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件KD（以下簡稱“發(fā)電機(jī)KD”）的整體噪聲、通風(fēng)噪聲和電磁噪聲的聲壓級-轉(zhuǎn)速曲線圖進(jìn)行對比分析，針對采集到的階次圖特點(diǎn)，選擇全階次噪聲、12階次成分噪聲和36階次成分噪聲的聲壓級-轉(zhuǎn)速曲線圖為主要分析對象。

2.1 發(fā)電機(jī)側(cè)、前、后方整體噪聲對比分析

圖1、2、3為發(fā)電機(jī)XX和發(fā)電機(jī)KD在全負(fù)載狀態(tài)下測得的側(cè)、前、后方整體聲壓級-轉(zhuǎn)速曲線圖。對發(fā)電機(jī)側(cè)、前、后三個位置采集數(shù)據(jù)，反映出發(fā)電機(jī)不同部位輻射噪聲的情況。

圖1中大約在2 000～4 000 rpm發(fā)電機(jī)XX噪聲表現(xiàn)明顯。圖2中大約在1 500～6 000 rpm發(fā)電機(jī)XX噪聲表現(xiàn)明顯。圖3中大約在1 800～4 000 rpm發(fā)電機(jī)XX噪聲表現(xiàn)明顯。

通過對比分析可知，發(fā)電機(jī)XX在低速區(qū)間1 500～4 000 rpm噪聲水平明顯高于發(fā)電機(jī)KD，最多高大約10 dB(A)，且在此區(qū)間內(nèi)，多處有峰值，這可能是結(jié)構(gòu)共振引起的，具體還要根據(jù)該轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)頻和電機(jī)結(jié)構(gòu)固有頻率分析出共振頻率。圖2中大約在10 000 rpm處負(fù)載工況有明顯峰值，這是發(fā)電機(jī)發(fā)出異響，可能是電磁激振力引起的電機(jī)結(jié)構(gòu)共振，同樣是降噪過程中需要解決的問題。

2.2 發(fā)電機(jī)側(cè)、前、后方12階次噪聲對比分析

圖4、5、6為發(fā)電機(jī)XX和發(fā)電機(jī)KD在空載狀態(tài)下測得的側(cè)、前、后方12階次聲壓級-轉(zhuǎn)速曲線圖。

圖4、5中大約在3 000 rpm以后發(fā)電機(jī)XX噪聲表現(xiàn)明顯，且隨著轉(zhuǎn)速的增加，噪聲也隨之增大；側(cè)方測量位置為風(fēng)扇端，圖4中發(fā)電機(jī)XX噪聲水平隨著轉(zhuǎn)速的增大明顯高于標(biāo)準(zhǔn)件KD，最多大約高20 dB(A)，該組數(shù)據(jù)能更加確切的反映發(fā)電機(jī)XX的通風(fēng)噪聲水平。

圖6中大約在3 800～6 000 rpm發(fā)電機(jī)XX噪聲比發(fā)電機(jī)KD表現(xiàn)明顯，最多高大約10 dB(A)左右，在11 000 rpm以后出現(xiàn)多處峰值，通風(fēng)噪聲比較嚴(yán)重。通過對圖4、5、6進(jìn)行對比分析，得出發(fā)電機(jī)XX通風(fēng)噪聲問題較為嚴(yán)重，降噪方案設(shè)計過程中需要對風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和風(fēng)路重新優(yōu)化設(shè)計。

2.3 發(fā)電機(jī)側(cè)、前、后方36階次噪聲對比分析

電磁噪聲是由于發(fā)電機(jī)氣隙中磁通相互作用，產(chǎn)生隨時間和空間變化的徑向力波，使定子鐵芯和機(jī)座振動，引起周圍空氣脈動而發(fā)出的氣隙噪聲。電磁噪聲會隨著外加電壓及

負(fù)載的升高而增大。圖7、8、9為發(fā)電機(jī)XX和發(fā)電機(jī)KD在全負(fù)載狀態(tài)下測得的側(cè)、前、后方36階次聲壓級-轉(zhuǎn)速曲線圖。

圖8中在6 000 rpm以下發(fā)電機(jī)XX噪聲水平比較明顯。圖8、9中發(fā)電機(jī)XX噪聲水平在整個轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)均表現(xiàn)明顯，圖8中大約在10 000 rpm左右，發(fā)電機(jī)XX噪聲水平要高于發(fā)電機(jī)KD25 dB(A)以上。

通過分析發(fā)電機(jī)XX內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各零部件相互作用關(guān)系可知，36階次激振力是由發(fā)電機(jī)XX內(nèi)部電磁場產(chǎn)生的電磁激振力。如果將發(fā)電機(jī)XX內(nèi)部各零部件看作一個系統(tǒng)，那么36階次電磁激振力則能夠引起該系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振，進(jìn)而輻射出噪聲。因此，要有效控制電磁激振力引起的噪聲，就要從改進(jìn)發(fā)電機(jī)XX內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，綜合考慮各項(xiàng)影響因素，以減小電磁激振力對發(fā)電機(jī)XX噪聲的貢獻(xiàn)。通過和試驗(yàn)采集的其他階次成分噪聲對比分析可知，36階次成分明顯高于其他階次成分10 dB(A)以上，并基本決定了該轉(zhuǎn)速聲級的大小。因此從噪聲控制角度，確定發(fā)電機(jī)XX電磁噪聲主要簡諧成分為36階次，這是其噪聲特性中一致性好的方面。

3、結(jié)論

針對企業(yè)某型發(fā)電機(jī)XX存在的實(shí)際噪聲問題進(jìn)行研究，對噪聲測試影響因素、測試要求、測試設(shè)備進(jìn)行分析，采集數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：發(fā)電機(jī)XX在低轉(zhuǎn)速區(qū)間1 500～4 000 rpm噪聲水平突出；通風(fēng)噪聲主要是由12階次成分貢獻(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的增加通風(fēng)噪聲增大較明顯，表明發(fā)電機(jī)XX通風(fēng)噪聲嚴(yán)重；36階次電磁激振力對發(fā)電機(jī)XX整體噪聲水平貢獻(xiàn)較大，尤其在低轉(zhuǎn)速區(qū)間，主要是引起發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)共振，輻射出較大的電磁噪聲。

[1] 陳永校, 諸自強(qiáng), 應(yīng)善成. 電機(jī)噪聲分析和控制[M]. 杭州: 浙江大學(xué)出版社, 1987: 1-2.

[2] 劉敏, 董大偉, 閆兵. 車用交流發(fā)電機(jī)噪聲特性及噪聲源測試分析[J]. 2010, 24(6): 14-17.

[3] 惠穎男. 車用交流發(fā)電機(jī)噪聲測試及降噪方法研究[D]. 成都:西南交通大學(xué), 2011.

[4] ALTERNATOR ASSY(WITHOUT VACUUM PUMP)[S]. ES 37300-09, 2009: 6-8.

優(yōu)化后的支架安裝在發(fā)動機(jī)上，經(jīng)800h交變及全速全負(fù)荷等發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)后，支架依然完好，未再發(fā)生過斷裂，也未在零件表面找到任何細(xì)小裂紋，由此得出結(jié)論，本文對支架的分析、改進(jìn)措施是成功的，技術(shù)路線是正確的。

5、結(jié)束語

（1）在零件的設(shè)計階段，除了采取提高零件強(qiáng)度的一般措施（如選用更好的材料、適當(dāng)增大危險結(jié)構(gòu)的尺寸等）外，還可以通過另外一些設(shè)計措施來提高零件的疲勞強(qiáng)度，如盡可能降低零件上的應(yīng)力集中，盡量減少零件結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的突變，或者使其變化盡可能平滑和均勻[6]。

（2）Pro/mechanica軟件具有簡單、實(shí)用、快捷等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計人員只要懂材料屬性和應(yīng)力應(yīng)變知識，就可以進(jìn)行復(fù)雜模型的分析工作。設(shè)計人員可以輕松的運(yùn)用Pro/mechanica對模型進(jìn)行有限元分析，找到零件的結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域及應(yīng)力集中部位，進(jìn)行改善。從設(shè)計階段就避免了零件結(jié)構(gòu)不妥之處，避免因簡單經(jīng)驗(yàn)設(shè)計而造成的成本浪費(fèi)以及開發(fā)周期延長。

參考文獻(xiàn)

[1] 王章忠，機(jī)械工程材料[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.5。

[2] 王國軍，MSC.Fatigue疲勞分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009。

[3] 曹啟章，劉朝暉，基于Pro/mechanica的扶梯梳齒支撐板的強(qiáng)度設(shè)計 [J]，機(jī)電工程技術(shù)2013,42（8）：54-56。

[4] 劉鴻文，材料力學(xué)[M]，北京：高等教育出版社，2004.1。

[5] 胡城立、朱敏，材料成型基礎(chǔ)[M]，武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001.7。

[6] 濮良貴，紀(jì)名剛，機(jī)械設(shè)計[M]，北京：高等教育出版社，2006.5。

Noise Testing and Analysis of Vehicle Alternator

Zhang Cong

（Brilliance Automotive Engineering Research Institute Product, Verification Section, Liaoning Shenyang 110141）

Noise problem has become the bottleneck in the development of automotive alternator manufactures. With the aid of advanced noise laboratory, alternator noise test results were researched. Noise test and its influential factors, test requirements and test equipment were analysed, then, noise of the main order components in alternator together with its A sound level were tested. Analysis of the noise test results expatiate that the generator’s overall noise in the low speed range has a heavy problem. The law of the noise main order components with the rotating speed change was found out, then the main order components which cause the noise were identified. Finally, the basis for the design of the engine noise reduction program is provided.

alternator; noise; testing; order

U467.3

A

1671-7988(2014)07-60-04

張聰，就職于華晨汽車工程研究院。