雷冰芬

Lei Bingfen

（東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，湖北 武漢 430057）

0 引 言

隨著道路條件的改變和人們生活水平的提高，人們對乘坐舒適性的要求越來越高，冷卻風(fēng)扇是汽車冷卻系統(tǒng)重要的組成元件，除保證發(fā)動機的冷卻性能外，冷卻風(fēng)扇以一定的轉(zhuǎn)速高速運轉(zhuǎn)時勢必引起振動和噪聲的問題，嚴重時影響乘員的乘坐舒適性。

以某款車型車內(nèi)出現(xiàn)節(jié)奏性轟鳴聲為例，采用 NVH理論知識與實車測試相結(jié)合的方式對冷卻系統(tǒng)各元件進行分析，在總結(jié)測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對雙風(fēng)扇特性及其減振結(jié)構(gòu)進行詳細研究，重點從拍振和減振的機理著手，通過優(yōu)化風(fēng)扇轉(zhuǎn)速消除拍振、調(diào)整動不平衡量、改變減振元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)解決出現(xiàn)的問題，并降低了車內(nèi)噪聲。

1 故障分析

1.1 主觀評判

該款乘用車搭載排量 2.0 L、怠速 750±50 r/min的汽油發(fā)動機，空調(diào)壓縮機開啟后發(fā)動機怠速提高到900 r/min。冷卻系統(tǒng)在空間布置上采用吹風(fēng)式電子雙風(fēng)扇，風(fēng)扇為兩擋控制，高低速分別設(shè)計為2100 r/min、2850 r/min，轉(zhuǎn)速偏差控制在±10%范圍內(nèi)。在商品性評價中發(fā)現(xiàn)該車怠速時電子風(fēng)扇運轉(zhuǎn)后，車內(nèi)出現(xiàn)大的轟鳴聲并伴有明顯的節(jié)奏感。為進一步確認風(fēng)扇的具體影響因素，按表1所示進行故障主觀排查。

表1 故障排查

由表1可知：在雙電子風(fēng)扇同時開始運轉(zhuǎn)后，出現(xiàn)振動噪聲大，節(jié)奏感強，使人體無法接受的情況，說明該故障與電子風(fēng)扇的運轉(zhuǎn)密切相關(guān)，受發(fā)動機和空調(diào)壓縮機工作影響不大。

1.2 實車測試分析

根據(jù)主觀判斷可知，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在車內(nèi)振動及噪聲中起主導(dǎo)作用，所以在實車上根據(jù)前文所述工況進行振動測試，主要采集風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化和駕駛員座椅導(dǎo)軌的 3向振動加速度信號，進一步確認造成該噪聲問題的主要原因。

1.2.1 兩風(fēng)扇同時運轉(zhuǎn)工況分析

發(fā)動機怠速，開啟空調(diào)壓縮機，采用激光轉(zhuǎn)速儀監(jiān)測雙電子風(fēng)扇實際轉(zhuǎn)速分別為 2197±10 r/min，2154±14 r/min，在此基礎(chǔ)上采集駕駛員座椅導(dǎo)軌上的振動加速度信號，并對測試結(jié)果進行頻譜分析，如圖1所示。

當(dāng)兩風(fēng)扇同時開啟后，在振動信號頻譜圖上出現(xiàn)3個振動峰值，其頻率分別為25 Hz、30 Hz、35～37 Hz。25 Hz為發(fā)動機在怠速750r/min時的二階點火頻率，30 Hz為壓縮機開啟后發(fā)動機怠速900 r/min時的點火頻率，35～37 Hz之間的2個峰值在風(fēng)扇的一階轉(zhuǎn)動頻率35 Hz附近。風(fēng)扇轉(zhuǎn)頻的實測數(shù)據(jù)與理論存在差異，主要是由于實際輸入電壓波動導(dǎo)致雙風(fēng)扇理論設(shè)計轉(zhuǎn)速2100 r/min與實際轉(zhuǎn)速2197±10 r/min，2154±14 r/min之間的偏差引起。由此可知引起車內(nèi)振動的 2個振源為發(fā)動機和電子風(fēng)扇，需要進一步確定帶來節(jié)奏性轟鳴聲的確切振源。

關(guān)閉發(fā)動機及壓縮機，繼續(xù)使兩風(fēng)扇同時運轉(zhuǎn)，監(jiān)測轉(zhuǎn)速分別在2050～2063 r/min、2011～2024 r/min范圍內(nèi)，此時出現(xiàn)有“節(jié)拍”的周期性振動信號，“節(jié)拍”周期約為1.74 s，即頻率約為0.57 Hz，如圖2所示，此節(jié)拍與主觀評價時感受一致。

1.2.2 單一風(fēng)扇運轉(zhuǎn)工況

關(guān)閉發(fā)動機與空調(diào)壓縮機，單獨運轉(zhuǎn)任意一側(cè)電子風(fēng)扇，采集風(fēng)扇轉(zhuǎn)速信號及駕駛員座椅導(dǎo)軌振動信號，從圖3可以看出不存在“節(jié)拍”現(xiàn)象。

1.3 分析結(jié)果

根據(jù)專業(yè)人員的主觀評價，結(jié)合實車測試結(jié)果可知，無論發(fā)動機和壓縮機是否工作，只要雙電子風(fēng)扇啟動，故障現(xiàn)象即刻出現(xiàn)，且在測試中單獨運行任意一側(cè)風(fēng)扇都不會出現(xiàn)“節(jié)拍”現(xiàn)象，由此可以判斷車內(nèi)節(jié)奏性轟鳴聲與雙風(fēng)扇同時運轉(zhuǎn)直接相關(guān)，而電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)定是造成“節(jié)拍”的主要原因。另外由于白車身在37～40 Hz存在一階扭轉(zhuǎn)和繞 Z向的彎曲模態(tài)，雙風(fēng)扇工作時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)頻易與車身模態(tài)重合，產(chǎn)生共振，進而引起車內(nèi)轟鳴。

2 振動原因解析及優(yōu)化

2.1 拍振定義及原理

結(jié)構(gòu)振動時，有時會產(chǎn)生“節(jié)拍”現(xiàn)象，當(dāng)2個振動幅值近似、頻率相差很少的簡諧波形疊加在一起時，其合成波形的振幅將隨時間作周期性緩慢變化，形成時強時弱的信號，這種現(xiàn)象稱之為“拍振”。

拍振產(chǎn)生的原理[1]：當(dāng)一質(zhì)點同時參與2個同相位ω、不同頻率ω1、ω2，振幅為 A1、A2的簡諧運動，則在t時刻2個振動信號分別為

當(dāng) 2振幅近似相同 A1=A2=A，頻率相差很小ω1≈ω2時，合成波形為

產(chǎn)生的振動信號如圖4所示，這樣時強時弱的信號即為“節(jié)拍”，由此形成的振動稱之為“拍振”。

2.2 風(fēng)扇優(yōu)化

根據(jù)上述大量試驗和理論分析可以確定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的設(shè)計是造成該故障的主要原因，另外，系統(tǒng)的減振元件設(shè)計不良，也會造成振動傳遞，影響舒適性。由于車身的固有模態(tài)無法改變，所以主要從調(diào)整風(fēng)扇及其相關(guān)零件參數(shù)來進行優(yōu)化。

2.2.1 轉(zhuǎn)速調(diào)整

因系統(tǒng)采用葉片形狀、直徑、葉片數(shù)、驅(qū)動電機相同的雙風(fēng)扇，且兩風(fēng)扇轉(zhuǎn)速均為2100 r/min。為了節(jié)省開發(fā)費用和縮短周期，并考慮對冷卻性能的影響，在一側(cè)風(fēng)扇控制線路中增加電阻將轉(zhuǎn)速調(diào)整到 1700 r/min，并將風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速偏差[2]控制在40～60 r/min范圍內(nèi)，此時兩風(fēng)扇的轉(zhuǎn)頻設(shè)計在35 Hz、28.3 Hz，避免了“拍振”的產(chǎn)生。

2.2.2 動平衡控制

根據(jù)電子風(fēng)扇的設(shè)計要求，風(fēng)扇的動不平衡量需控制在35 g·mm以下，通過調(diào)整風(fēng)扇葉片上的平衡塊，雙風(fēng)扇的動不平衡量分別為 13.5 g·mm、28.9 g·mm時，在整車上可以達到最佳的使用狀態(tài)。

2.2.3 減振元件改進

雙風(fēng)扇在原設(shè)計中采用上下 4點固定，上面兩處支架與車身相連，下面柱狀結(jié)構(gòu)通過減震墊落在水箱橫梁上，主要通過實施增加加強筋連接支架、在支架安裝孔處設(shè)計彈性墊、將下減振墊的邵氏硬度從 75（A）降到 55（A）等措施，使車內(nèi)轟鳴聲得到明顯的改善。

3 結(jié)束語

汽車冷卻電子風(fēng)扇是影響整車 NVH性能的重要因素之一，其固有頻率設(shè)計在較低的轉(zhuǎn)速，當(dāng)風(fēng)扇啟動后會迅速達到這一頻率轉(zhuǎn)速，所以高速時出現(xiàn)大的振動，多數(shù)原因是轉(zhuǎn)速設(shè)計不合理、動平衡狀態(tài)欠佳、隔振或減振元件設(shè)計不良等。通過大量的理論和試驗分析，解析風(fēng)扇引起整車振動的原因可從以下方面考慮。

1）檢查風(fēng)扇的激勵頻率是否與車身、轉(zhuǎn)向盤等部件固有頻率相耦合；

2）雙風(fēng)扇驅(qū)動動力源、葉片形狀、結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速盡可能做到差異設(shè)計，應(yīng)避免產(chǎn)生“拍振”現(xiàn)象；

3）檢測風(fēng)扇動平衡，改變平衡塊調(diào)整動平衡到最佳狀態(tài)；

4）減振或隔振元件的剛度、模態(tài)做合理匹配，使其達到應(yīng)有的效果。

[1]師漢民.機械振動系統(tǒng)（上）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004.