呂建中 王軍龍 武聰山 余浪 孫偉

摘 要：文章針對(duì)市場(chǎng)試用車客戶反饋的駕駛員右耳處風(fēng)扇噪聲大問(wèn)題，主要研究了某型輕卡用2.3L發(fā)動(dòng)機(jī)普通硅油風(fēng)扇的滑差率、嚙合形式、嚙合溫度、葉片與護(hù)風(fēng)罩間隙對(duì)整車駕駛室內(nèi)駕駛員右耳旁噪聲的影響，采用理論分析、CFD仿真與整車試驗(yàn)相結(jié)合的方法。

關(guān)鍵詞：風(fēng)扇;噪聲;普通硅油離合器

中圖分類號(hào)：U463 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）06-111-04

Abstract： This article focus on the problem of fan noise in the right ear of drivers fed back by customers of market trail trucks， the method reducing engine drive fan noise of light duty truck was studied through studying the influence of slip， fan clutch sensing temperature， shape of vane， clearance of vane and fan cover on driving cab fan niose of 2.3L engine of light duty truck， adopting the theory analysis CFD analysis and vehicle verificantion method.

Keywords： Fan; Noise; Silicone-oil fan clutches

CLC NO.： U463 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）06-111-04

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速下工作時(shí)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力性噪聲可通過(guò)地板與前圍板傳入輕卡駕駛室內(nèi)，構(gòu)成車內(nèi)噪聲的主要來(lái)源之一，是影響汽車舒適性的重要因素。

輕卡發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的風(fēng)扇主要有：直連風(fēng)扇、普通硅油離合風(fēng)扇、電磁離合風(fēng)扇和電控硅油風(fēng)扇。普通硅油離合風(fēng)扇兼具結(jié)構(gòu)與成本的優(yōu)勢(shì)，在輕卡發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用廣泛。行業(yè)內(nèi)對(duì)于風(fēng)扇噪聲在整車上的匹配研究主要有CFD仿真計(jì)算與試驗(yàn)研究。蔣炎坤等使用CFD有限元分析方法進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力艙冷卻風(fēng)扇的研究[1]，蘇曉芳等在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的降噪研究與優(yōu)化上運(yùn)用了新結(jié)構(gòu)風(fēng)扇[2]。

針對(duì)客戶反饋的市場(chǎng)試用車風(fēng)扇在高轉(zhuǎn)速下噪聲大和頻發(fā)噪聲突變問(wèn)題，本文主要研究了某型輕卡的2.3L發(fā)動(dòng)機(jī)普通硅油風(fēng)扇的滑差率、嚙合形式、嚙合溫度、葉尖與護(hù)風(fēng)罩間隙對(duì)整車駕駛室內(nèi)駕駛員右耳旁噪聲的影響。

1 原理

風(fēng)扇噪聲主要由窄帶旋轉(zhuǎn)噪聲和寬帶渦流噪聲構(gòu)成[3]。高速旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇葉片對(duì)空氣的切割造成空氣壓力脈動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)噪聲。轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片引起周圍空氣產(chǎn)生渦流，小渦流由于黏度力的作用逐漸分裂、脫離，分裂的渦流會(huì)對(duì)空氣產(chǎn)生擾動(dòng)，形成稀流和壓縮過(guò)程而產(chǎn)生渦流噪聲。

1.1 理論基礎(chǔ)

1.1.1 公式

噪聲功率與風(fēng)扇功率的平方成正比關(guān)系，而風(fēng)扇功率與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的三次方成正比關(guān)系，因此，噪聲功率與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的六次方成正比關(guān)系。降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速能有效的降低風(fēng)扇噪聲，但風(fēng)扇風(fēng)量隨之降低，因此風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的降低受到冷卻系統(tǒng)冷卻效果的限制[4]。

1.1.2 風(fēng)扇噪聲影響因素

風(fēng)扇噪聲主要影響因素包括風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、葉片分布形式、葉片材料與散熱器的匹配等。

轉(zhuǎn)速nout對(duì)風(fēng)扇噪聲影響很大，降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速10%，聲壓級(jí)降低（2～3）dB（A）。高轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)扇噪聲往往成為整車主要的甚至最大的噪聲源。此外，風(fēng)扇的流量、靜壓和直徑對(duì)噪聲也有不同程度的影響[5]。

非均布葉片對(duì)降低風(fēng)扇噪聲有一定影響，葉片非均布風(fēng)扇可降低風(fēng)扇噪聲中突出的峰值頻率成份。

風(fēng)扇葉片的附近渦流的強(qiáng)度與葉片形狀和護(hù)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系[6]，故可改進(jìn)葉片形狀和調(diào)整護(hù)風(fēng)罩與葉片的配合尺寸，從而使之有較好的流線型和合適的彎曲角度[7]，有利于降低渦流的強(qiáng)度。

葉片的材料對(duì)其噪聲有一定影響，葉片為有機(jī)合成材料的比葉片為金屬的噪聲小。適當(dāng)調(diào)整風(fēng)扇與散熱器之間的距離可以使風(fēng)扇噪聲最小，又能較好發(fā)揮風(fēng)扇的冷卻能力。

1.2 普通硅油離合風(fēng)扇結(jié)構(gòu)與特性

普通硅油離合器的工作過(guò)程為低溫怠速—溫度達(dá)到嚙合溫度—閥片打開—離合器嚙合—溫度下降—閥片關(guān)閉—離合器分離。普通硅油離合器的類型分為開關(guān)式與調(diào)制式[8] 。調(diào)制型與開關(guān)型的區(qū)別是開關(guān)型在達(dá)到嚙合溫度前是主動(dòng)盤與從動(dòng)盤全脫離的（冷啟動(dòng)與長(zhǎng)時(shí)間靜置除外），而調(diào)制型是隨著溫度的上升而逐漸嚙合，嚙合的過(guò)程快慢取決于風(fēng)扇迎風(fēng)溫度上升的速度。

2 普通硅油離合器風(fēng)扇降噪策略

2.1 原車測(cè)試

針對(duì)市場(chǎng)客戶反饋存在風(fēng)扇在高轉(zhuǎn)速下噪聲大和頻發(fā)噪聲突變問(wèn)題的車型進(jìn)行噪聲測(cè)試。

（1）測(cè)試設(shè)備：LMS噪聲振動(dòng)分析儀;

（2）麥克風(fēng)位置：駕駛室主駕駛員右耳處和車外距右前輪0.5m處各一個(gè);

（3）測(cè)試工況：熱車待風(fēng)扇進(jìn)入全嚙合后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡∷?00r/min升至額定工況3200r/min。

風(fēng)扇噪聲主要以寬頻渦流噪聲為主，風(fēng)扇噪聲階次明顯。原車狀態(tài)風(fēng)扇離合器及風(fēng)扇NVH試驗(yàn)結(jié)果如下：

風(fēng)扇在進(jìn)入全嚙合后的噪聲相較在隨轉(zhuǎn)狀態(tài)的噪聲較大，同時(shí)開關(guān)型硅油離合器嚙合存在噪聲“突變”，產(chǎn)生鮮明的全嚙合前后噪聲對(duì)比，給駕駛員不適感。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)

在成本及開發(fā)周期內(nèi)，在額定點(diǎn)駕駛員右耳的風(fēng)扇噪聲降低2dB（A）以上。

2.3 優(yōu)化策略

通過(guò)采用調(diào)制型硅油離合器、提高硅油離合器的滑差率和全嚙合溫度以及風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩的間隙配合來(lái)驗(yàn)證對(duì)風(fēng)扇噪聲的影響。

調(diào)制型硅油離合器與開關(guān)型硅油離合器在雙金屬感溫片、主動(dòng)板和回油口的結(jié)構(gòu)上是不同的，通過(guò)改變回油口的形狀，回油口的開啟面積是逐漸增大的，硅油的流量逐步加大，調(diào)制型的嚙合的整個(gè)過(guò)程變得更為平緩。開關(guān)型和調(diào)制型的控制原理是相同的，最主要的結(jié)構(gòu)區(qū)別是出油孔的形狀不同，開關(guān)型的出油孔像一個(gè)方孔，當(dāng)感溫圈受熱變形帶動(dòng)閥片旋轉(zhuǎn)時(shí)，出油孔短時(shí)間內(nèi)完全打開，硅油會(huì)完全流出，調(diào)制型的出油口是一個(gè)三角形，隨著溫度上升閥片旋轉(zhuǎn)，出油孔是逐漸擴(kuò)大的，硅油的量逐漸增多，所以轉(zhuǎn)速是逐漸上升的過(guò)程。

采用調(diào)制型硅油離合器風(fēng)扇，雖然無(wú)法改變?nèi)珖Ш蠣顟B(tài)下的噪聲水平，但風(fēng)扇全嚙合引起的噪聲的突變有所降低。

對(duì)普通硅油離合器風(fēng)扇來(lái)講，如何設(shè)定嚙合溫度就顯得尤為重要。合適的嚙合溫度能夠降低風(fēng)扇全嚙合的頻次、實(shí)現(xiàn)節(jié)能而且能夠降低風(fēng)扇噪聲。

3 優(yōu)化方案與試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比

3.1 不同滑差率對(duì)噪聲的影響

分別進(jìn)行滑差率為3%、10%、20%的普通硅油離合器風(fēng)扇的NVH對(duì)比試驗(yàn)：

隨著滑差率的提高，風(fēng)扇噪聲降低，滑差差率20%的離合器在駕駛員右耳處的噪聲可較原車降低3 dB（A）。

3.2 不同護(hù)風(fēng)圈結(jié)構(gòu)

對(duì)比不同護(hù)風(fēng)圈：

（1）原狀態(tài)護(hù)風(fēng)圈：風(fēng)扇進(jìn)入護(hù)風(fēng)圈深度2/3，風(fēng)扇葉尖與護(hù)風(fēng)圈徑向間隙22.5mm;

（2）LS01護(hù)風(fēng)圈：風(fēng)扇進(jìn)入護(hù)風(fēng)圈深度2/3，風(fēng)扇葉尖與護(hù)風(fēng)圈徑向間隙15mm;

（3）LS02護(hù)風(fēng)圈：風(fēng)扇完全進(jìn)入護(hù)風(fēng)圈，風(fēng)扇葉尖與護(hù)風(fēng)圈徑向間隙22.5mm;

（4）LS03護(hù)風(fēng)圈：風(fēng)扇完全進(jìn)入護(hù)風(fēng)圈，風(fēng)扇葉尖與護(hù)風(fēng)圈徑向間隙15mm。

LS02與LS03護(hù)風(fēng)圈噪聲較差，在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速（3200r/min）下，駕駛員右耳噪聲分別升至79.03 dB（A）和82.2dB（A），通過(guò)階次提取分析，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)噪聲未見明顯變化，主要由于（250-450）Hz處渦流噪聲明顯升高。

針對(duì)渦流噪聲進(jìn)行葉尖與護(hù)風(fēng)圈附件流場(chǎng)的CFD分析：

通過(guò)流場(chǎng)矢量圖可以看到，從風(fēng)扇葉尖分離出的高速渦流會(huì)擊打在護(hù)風(fēng)圈上，氣流沿護(hù)風(fēng)圈內(nèi)壁面加速，護(hù)風(fēng)圈的固有頻率被高速渦流激勵(lì)起來(lái)導(dǎo)致噪聲加大。護(hù)風(fēng)罩需做成流線型或調(diào)整風(fēng)扇葉形將有利于降低渦流，進(jìn)而降低渦流噪聲。

3.3 不同嚙合溫度對(duì)噪聲的影響

原車普通硅油離合器全嚙合溫度過(guò)低（60°C～66°C），風(fēng)扇會(huì)頻繁進(jìn)入全嚙合、噪聲最大的狀態(tài)，這會(huì)引起駕駛員的極為不適。

相同測(cè)試條件下，隨著嚙合溫度提高到75°C，在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速下，風(fēng)扇進(jìn)入全嚙合的頻次及工作時(shí)間逐漸降低，全嚙合溫度為80°C的風(fēng)扇難以進(jìn)入全嚙合狀態(tài)。

進(jìn)行相同路段試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)風(fēng)扇全嚙合頻次如下：

4 整車?yán)鋮s系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與熱平衡試驗(yàn)

4.1 整車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇硅油離合器的滑差率提高至20%，中冷器換熱量不足，造成風(fēng)量降低，全嚙合溫度為75°C調(diào)制硅油離合器風(fēng)扇的熱平衡試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)2400r/min時(shí)出現(xiàn)渦后排溫超限值的現(xiàn)象。

為滿足整車熱平衡的需求，整車對(duì)散熱模塊進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)匹配。通過(guò)將整車散熱模塊中的中冷器與散熱器尺寸加大，同時(shí)優(yōu)化中冷器內(nèi)部換熱翅片結(jié)構(gòu)，中冷器換熱效率由75%提升至83%，中冷器換熱量由10.5kW提高至11.6kW，滿足大扭矩點(diǎn)的冷卻要求，降低了中冷后進(jìn)氣溫度，進(jìn)而大扭矩點(diǎn)的渦后排溫得到同等的降低。

4.2 整車熱平衡試驗(yàn)

全嚙合溫度為75°C、滑差率為20%的調(diào)制型硅油離合器風(fēng)扇的整車熱平衡試驗(yàn)通過(guò)，渦后排溫降低到限值內(nèi)。下圖為大扭矩點(diǎn)2400r/min的熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)，環(huán)境溫度為35°C，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為98.5°C。

通過(guò)整車散熱模塊的改進(jìn)，降低風(fēng)扇噪聲與整車熱平衡之間的矛盾得到了解決，滿足了客戶的需求。

5 結(jié)論

5.1 普通硅油離合風(fēng)扇優(yōu)先選擇調(diào)制型硅油離合器，改善風(fēng)扇全嚙合引起的噪聲突變。

5.2 提高硅油離合器滑差率提高至20%可降低駕駛員右耳噪聲3dB（A）。

5.3 提高硅油離合器全嚙合溫度，可降低風(fēng)扇全嚙合頻次;相同路況下，全嚙合溫度由66°C提高至75°C風(fēng)扇全嚙合頻次降低50%以上。

5.4 提高硅油離合器滑差率與全嚙合溫度，需要優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)，以滿足熱平衡與發(fā)動(dòng)機(jī)渦后排溫的要求，同時(shí)也是一種兼顧成本與開發(fā)周期的最優(yōu)方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣炎坤，陳龍燦，劉漢光，等.發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力艙冷卻風(fēng)扇噪聲研究[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）. 2016，44 （10）：11-15.

[2] 蘇曉芳，楊林強(qiáng)，陳圓明，等.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的降噪研究與優(yōu)化[J].汽車技術(shù).2011（09）.

[3] 龐劍，何華，等.汽車噪聲振動(dòng)：理論與應(yīng)用.北京：北京理工大學(xué)出版社.2006.

[4] 陸增俊，唐榮江，陳志松，等.商用車?yán)鋮s系統(tǒng)低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 汽車技術(shù).2018（06）.

[5] 袁兆成.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2008.

[6] 周湧麟.汽車噪聲原理、檢測(cè)與控制.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社. 1992.

[7] KANEFSKY P，NELSON V，RANGER M.A system engineering approach to engine cooling design[C]//Proceeding of International Truck & Bus Meeting & Exposition，1999.

[8] Lee Man Hyung，Kim Myoung Kook，Park Hyung Gyu.Electronically Controlled Viscous Cooling Fan Clutch in the Vehicle[J].Interna -tional Journal of Percision Engineering and Manufacturing，2011， 12（6）：983-992.