朱金華，王泓，楊曉榮，聶曉龍，徐高新

(江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330000)

0 引言

隨著國(guó)六排放法規(guī)的正式實(shí)施，目前很多發(fā)動(dòng)機(jī)廠為降低原排采用了EGR(Exhaust Gas Recirculation)系統(tǒng)，并且采用液冷的冷卻方式，這樣就會(huì)直接增加冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷，因此針對(duì)國(guó)六車型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇風(fēng)量會(huì)在國(guó)五的基礎(chǔ)上進(jìn)行提升。如何開(kāi)發(fā)一款高風(fēng)量、低噪聲的風(fēng)扇是目前各大主機(jī)廠攻克的方向。

目前大部分輕卡柴油車型發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，根據(jù)風(fēng)扇的控制方式可以分為：直連(直驅(qū))風(fēng)扇、硅油離合器風(fēng)扇、電磁離合器風(fēng)扇、電控硅油離合器風(fēng)扇。輕卡車型主要采用硅油離合器風(fēng)扇，因此類風(fēng)扇價(jià)格相對(duì)便宜，且具有一定油耗節(jié)約及噪聲水平較低。隨著人們對(duì)車輛的NVH要求越來(lái)越高，對(duì)車輛行駛過(guò)程各零部件產(chǎn)生的噪聲也越來(lái)越敏感。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇在整車的噪聲水平研究，目前行業(yè)主要采用CFD有限元分析的方法分析不同風(fēng)扇葉形、不同輪轂比風(fēng)扇整體噪聲水平[1-2]；同時(shí)葉片安裝角，葉片數(shù)量等對(duì)風(fēng)扇性能及噪聲也具有重大影響[3-7]；文獻(xiàn)[8]中對(duì)風(fēng)扇的噪聲測(cè)試方法及評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究。

本文作者主要研究了某3.0 L排量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)硅油離合器風(fēng)扇外徑、風(fēng)扇葉片數(shù)量、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇與前障礙物(散熱器)的距離對(duì)整車駕駛室內(nèi)噪聲的影響。

1 風(fēng)扇噪聲傳遞到駕駛室路徑

風(fēng)扇產(chǎn)生的噪聲主要可以分為兩類：一類是離散頻率的風(fēng)扇噪聲，一類是寬頻噪聲，均是由于壓力波動(dòng)產(chǎn)生的。

駕駛室內(nèi)的風(fēng)扇噪聲主要發(fā)生在當(dāng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)本體噪聲時(shí)，風(fēng)扇產(chǎn)生的噪聲通過(guò)噪聲輻射以及風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致流場(chǎng)及壓力變化產(chǎn)生渦流風(fēng)噪傳遞到駕駛室內(nèi)。

2 風(fēng)扇噪聲與風(fēng)扇外徑及轉(zhuǎn)速的關(guān)系

根據(jù)聲壓級(jí)公式

(1)

(2)

式中：ΔSPL為聲壓級(jí)差；ΔPWL為聲功率；d1為風(fēng)扇1的外徑；d2為風(fēng)扇2的外徑；n1為風(fēng)扇1轉(zhuǎn)速；n2為風(fēng)扇2轉(zhuǎn)速。從上式可看出，風(fēng)扇聲壓級(jí)與風(fēng)扇外徑3.5次方指數(shù)呈正比，與轉(zhuǎn)速2.5次方指數(shù)呈正比。以上關(guān)系式成立是基于風(fēng)扇護(hù)風(fēng)圈及其他參數(shù)不變的情況下，降低風(fēng)扇噪聲一個(gè)可行的方法是減小風(fēng)扇外徑或者降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，但是無(wú)論采用哪種方案都會(huì)對(duì)風(fēng)扇的風(fēng)量產(chǎn)生影響，從而降低冷卻系統(tǒng)的性能。風(fēng)量與轉(zhuǎn)速及外徑的關(guān)系如下

Q=k×n×d3

(3)

式中：Q為風(fēng)扇風(fēng)量；k為比例常數(shù)；n為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；d為風(fēng)扇外徑。根據(jù)以上公式，風(fēng)扇風(fēng)量與轉(zhuǎn)速一次方呈正比，與外徑3次方呈正比，由此可見(jiàn)，通過(guò)降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來(lái)降低風(fēng)扇本體噪聲比減少風(fēng)扇外徑對(duì)冷卻系統(tǒng)風(fēng)量影響更小。

3 風(fēng)扇噪聲與風(fēng)扇葉片數(shù)量的關(guān)系

在噪聲輸出方面，增加葉片數(shù)目聲級(jí)并不會(huì)減小[7]，甚至?xí)S著葉片數(shù)量的增加噪聲值線性遞增，每增加一個(gè)葉片噪聲約增加0.7 dB[5]，但是可以通過(guò)降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)恒定流量。另外，增加風(fēng)扇葉片數(shù)量會(huì)使系統(tǒng)風(fēng)壓上升，這樣會(huì)降低系統(tǒng)產(chǎn)生的寬頻噪聲[7]，因此增加風(fēng)扇葉片數(shù)量對(duì)整車噪聲是有利的。可以通過(guò)以下等式預(yù)測(cè)由于風(fēng)扇葉片數(shù)量改變而導(dǎo)致的流量變化。

葉片數(shù)量為2～8葉時(shí)：

(4)

葉片數(shù)量為9～30葉時(shí)：

(5)

式中：α為流量變化率；N1為原風(fēng)扇葉片數(shù)量；N2為新風(fēng)扇方案葉片數(shù)量。

通過(guò)以上兩個(gè)公式可知：當(dāng)葉片數(shù)量小于等于8葉時(shí)風(fēng)量增加較多；當(dāng)葉片數(shù)超過(guò)8葉時(shí)，風(fēng)扇增加較小。因此通過(guò)降低轉(zhuǎn)速同時(shí)保證相當(dāng)?shù)蔑L(fēng)量時(shí)，需要考慮合理的風(fēng)扇葉片數(shù)量，因葉片數(shù)量過(guò)多并不會(huì)帶來(lái)風(fēng)量的較大變化，但是會(huì)導(dǎo)致成本及質(zhì)量的上升。

4 風(fēng)扇葉伸入到護(hù)風(fēng)圈深度對(duì)噪聲的影響

軸流風(fēng)扇在護(hù)罩中的位置主要影響風(fēng)扇效率并間接影響風(fēng)扇噪聲。在考慮風(fēng)扇在護(hù)罩中的位置之前，必須確保其他設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變，特別是風(fēng)扇距離前段冷卻模塊的距離及發(fā)動(dòng)機(jī)的距離必須保證在設(shè)計(jì)的最小值和最大值內(nèi)。此外，風(fēng)扇在護(hù)罩中的位置及系統(tǒng)的密封或多或少會(huì)影響風(fēng)扇性能。如圖1[7]所示：風(fēng)扇葉片被護(hù)風(fēng)圈包裹深度為60%～75%時(shí)，風(fēng)扇風(fēng)量最大。

圖1 系統(tǒng)密封及風(fēng)扇包裹對(duì)系統(tǒng)風(fēng)量的影響

5 風(fēng)扇降低噪聲措施實(shí)測(cè)分析

原風(fēng)扇設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 原車風(fēng)扇設(shè)計(jì)參數(shù)

通過(guò)第2節(jié)、第3節(jié)的分析可知，降低風(fēng)扇本體噪聲又保證恒定流量的一個(gè)措施是降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速同時(shí)增加風(fēng)扇葉片數(shù)。從供應(yīng)商現(xiàn)有的產(chǎn)品中選取10葉風(fēng)扇，根據(jù)公式(1)及第3節(jié)所述，根據(jù)風(fēng)量實(shí)測(cè)結(jié)果選定額定轉(zhuǎn)速為2 800 r/min。實(shí)測(cè)風(fēng)量對(duì)比如圖2所示。

圖2 新設(shè)計(jì)風(fēng)扇方案與原車風(fēng)

根據(jù)公式(1)可知，額定轉(zhuǎn)速由3 400 r/min降為2 800 r/min時(shí)，噪聲可降低4.2 dB；根據(jù)第3節(jié)所述，因增加葉片數(shù)量會(huì)導(dǎo)致噪聲增加2.1 dB，綜合噪聲可降低約2.1 dB，即該風(fēng)扇優(yōu)化噪聲的一個(gè)方法是將風(fēng)扇額定轉(zhuǎn)速由3 400 r/min降低為2 800 r/min，理論上本體噪聲可由94.5 dB降低2.1 dB至92.4 dB。通過(guò)臺(tái)架實(shí)測(cè)，10葉風(fēng)扇在2 800 r/min下的噪聲值為92.2 dB，與理論計(jì)算值基本吻合。

6 優(yōu)化方案實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

(1)測(cè)試設(shè)備：朗德專業(yè)NVH測(cè)試。

(2) 麥克風(fēng)布置位置：主駕駛員左耳及右耳各一個(gè)。

(3) 測(cè)試工況：將整車熱車，硅油離合器風(fēng)扇嚙合后，5擋全油門加速，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?50 r/min到3 200 r/min。

(4)測(cè)試方案：原車風(fēng)扇20%葉片伸入護(hù)風(fēng)圈(方案一)；10葉風(fēng)扇20%葉片寬度伸入護(hù)風(fēng)圈(方案二)；10葉風(fēng)扇50%葉片寬度伸入護(hù)風(fēng)圈(方案三)；10葉風(fēng)扇60%葉片寬度伸入護(hù)風(fēng)圈(方案四)；10葉風(fēng)扇75%葉片寬度伸入護(hù)風(fēng)圈(方案五)。

圖3 朗德NVH測(cè)試設(shè)備

(5) 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)風(fēng)扇葉片頻率公式：

(6)

式中：Z為風(fēng)扇葉片數(shù)量；R為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，r/min。

結(jié)合實(shí)際測(cè)得風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在噪聲頻譜圖上找出對(duì)應(yīng)階次的頻率即為風(fēng)扇葉片產(chǎn)生的噪聲水平，風(fēng)量對(duì)應(yīng)的頻譜圖如圖4—圖8所示。

圖4 方案一噪聲頻譜

圖5 方案二噪聲頻譜

圖6 方案三噪聲頻譜

圖7 方案四噪聲頻譜

圖8 方案五噪聲頻譜

對(duì)5種方案噪聲進(jìn)行數(shù)據(jù)切片截取結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 駕駛室風(fēng)扇噪聲測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)比方案一和方案二可知：通過(guò)降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速(增加葉片數(shù)量保證恒定流量)來(lái)降低風(fēng)扇本體噪聲，可同等降低駕駛室的風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲。通過(guò)對(duì)方案二、方案三、方案四、方案五同款風(fēng)扇在不同的風(fēng)扇葉片寬度伸入到護(hù)風(fēng)圈的百分比可得到如圖9所示的趨勢(shì)。

圖9 駕駛室風(fēng)扇噪聲與風(fēng)扇葉片寬

從圖9可看出：風(fēng)扇在駕駛室噪聲表現(xiàn)與風(fēng)扇葉片寬度深入到護(hù)風(fēng)圈百分比為類似三次曲線關(guān)系，其值在50%～75%的時(shí)候，對(duì)風(fēng)扇在駕駛室產(chǎn)生的噪聲優(yōu)化最明顯，接近3 dB。

7 結(jié)論

(1)總結(jié)輕卡車型降低駕駛室內(nèi)風(fēng)扇產(chǎn)生噪聲的措施：降低風(fēng)量轉(zhuǎn)速，并且通過(guò)增加風(fēng)扇葉片數(shù)量來(lái)保證恒定風(fēng)量。

(2)通過(guò)降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來(lái)降低風(fēng)扇本體噪聲，可直接降低風(fēng)扇在駕駛室內(nèi)的噪聲值。

(3)風(fēng)扇葉片寬度伸入到護(hù)風(fēng)圈的深度也對(duì)風(fēng)扇傳遞到駕駛室的噪聲有較大影響，這個(gè)值為50%～75%對(duì)駕駛室側(cè)的噪聲貢獻(xiàn)最明顯。