王曉宏　于友明　楊超起等

中圖分類號(hào)：U469.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-0226（2021）12-0044-03

1前言

隨著消費(fèi)水平的不斷提高，人們對(duì)于汽車的乘坐舒適性要求越來(lái)越高。一般通過(guò)三方面的表現(xiàn)衡量車輛的舒適程度，即噪聲、振動(dòng)及舒適性（簡(jiǎn)稱NVH）。由于怠速狀態(tài)的NvH表現(xiàn)是消費(fèi)者對(duì)車輛的最直接感受，因此空調(diào)噪聲作為一項(xiàng)重要的決定性指標(biāo)而備受關(guān)注。其中的冷卻風(fēng)扇噪聲是空調(diào)噪聲的一個(gè)重要部分。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇是水冷內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要部件，它的作用在于保證發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻，冷卻風(fēng)扇是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件之一，不但直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，而且對(duì)保證發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義，為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)散熱要求，冷卻風(fēng)扇經(jīng)常高速運(yùn)轉(zhuǎn)，不可避免地引起振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重時(shí)影響車輛的舒適性。

2問(wèn)題現(xiàn)象描述

某款輕型客車原地怠速工況下，打開(kāi)空調(diào)開(kāi)關(guān)，空調(diào)壓縮機(jī)啟動(dòng)，兩個(gè)冷卻風(fēng)扇同時(shí)啟動(dòng)，此時(shí)在駕駛員座椅和方向盤出現(xiàn)“忽大忽小”的有節(jié)奏的振動(dòng)，同時(shí)伴有“忽大忽小”有節(jié)奏的噪聲，讓人感覺(jué)很不舒服，同時(shí)車外這種有節(jié)奏的振動(dòng)噪聲更明顯。待到冷卻風(fēng)扇停止工作后，這種異常振動(dòng)噪聲消失。由此推斷此異常振動(dòng)是由冷卻風(fēng)扇工作時(shí)引起的。

3拍振理論

當(dāng)兩個(gè)振動(dòng)幅值近似相同、頻率相差很少的簡(jiǎn)諧波疊加時(shí)，其合成波形的振幅將隨時(shí)間作周期性緩慢變化，這種現(xiàn)象稱之為“拍”或“拍振”。

一質(zhì)點(diǎn)同時(shí)參與兩個(gè)同方向、不同頻率簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，假設(shè)時(shí)刻位移分別為：

如圖1所示，拍振時(shí)域信號(hào)是兩個(gè)信號(hào)的疊加。這樣時(shí)強(qiáng)時(shí)弱的信號(hào)即是拍。這樣的信號(hào)可以是任何形式的信號(hào)，如結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)、地磁波的震蕩信號(hào)、聲音等。

4振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試和分析

針對(duì)以上現(xiàn)象，在車輛怠速工況下，打開(kāi)空調(diào)開(kāi)關(guān)，在冷卻風(fēng)扇工作狀態(tài)下，測(cè)試主駕滑軌和風(fēng)扇框架上的振動(dòng)響應(yīng)，并進(jìn)行頻譜分析。

如圖2所示，在怠速開(kāi)空調(diào)、兩個(gè)冷卻風(fēng)扇同時(shí)工作的時(shí)候，風(fēng)扇框架表現(xiàn)出“忽大忽小”的振動(dòng)特征，振動(dòng)具有明顯的“節(jié)拍”特性。進(jìn)一步分析拍振的周期T=1.1 s，頻率為f=1/T=0.9 Hz，此頻率正是人體比較敏感的頻率。

如圖3所示，風(fēng)扇框架振動(dòng)頻譜分析可以看出存在幾個(gè)振動(dòng)峰值，其中30 Hz為怠速開(kāi)空調(diào)狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的二階激勵(lì)。兩個(gè)冷卻風(fēng)扇理論設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速均為n=2200r/min，其一階旋轉(zhuǎn)激勵(lì)頻率計(jì)算值為產(chǎn)n/60，所以風(fēng)扇一階激勵(lì)頻率理論值為36.6 Hz，由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速實(shí)際與理論存在差異，所以認(rèn)為圖3中的37.75 Hz和38.65 Hz為兩個(gè)風(fēng)扇工作時(shí)的一階激勵(lì)頻率。圖3中的22.5 Hz的振動(dòng)峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩個(gè)風(fēng)扇的激勵(lì)峰值，暫時(shí)不做分析。

由以上測(cè)試和理論分析可以得到，兩個(gè)冷卻風(fēng)扇工作的時(shí)候由于激勵(lì)頻率很接近，分別為37.75 Hz和38.65 Hz，其合成波形的振幅將隨時(shí)間作周期性緩慢變化，即發(fā)生了“拍振”，表現(xiàn)為出現(xiàn)“忽大忽小”的振動(dòng)現(xiàn)象，此振動(dòng)傳遞到車內(nèi)就出現(xiàn)了駕駛員座椅和方向盤“忽大忽小”的有節(jié)奏的振動(dòng)，而此拍振的頻率為f=0.9 Hz，正是人體比較敏感的頻率，所以人感覺(jué)特別不舒服。

5問(wèn)題現(xiàn)象物理驗(yàn)證

保持兩個(gè)冷卻風(fēng)扇正常安裝在車上，其中冷卻風(fēng)扇A由外接電源控制，冷卻風(fēng)扇B由車輛自身控制，即保持轉(zhuǎn)速為正常工作狀態(tài)，如圖4所示。

當(dāng)外接電源電壓由12V逐漸降低，人體感受車內(nèi)“忽大忽小”的振動(dòng)現(xiàn)象逐漸減弱，直至消失，但是此時(shí)車內(nèi)還是能很明顯地感受到較大的振動(dòng)。此試驗(yàn)進(jìn)一步證明車內(nèi)出現(xiàn)的“拍振”現(xiàn)象是由于兩個(gè)冷卻風(fēng)扇的激勵(lì)頻率相差太近所導(dǎo)致。但是風(fēng)扇自身的激勵(lì)太大，還是會(huì)傳遞到車內(nèi)，導(dǎo)致人的振動(dòng)感受明顯。

6動(dòng)不平衡理論

具有一定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動(dòng)件，由于材料組織不均勻、零件外形的誤差、裝配誤差以及結(jié)構(gòu)形狀局部不對(duì)稱等原因，使通過(guò)轉(zhuǎn)子重心的主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線不相重合，因而旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡離心力，其值由下式計(jì)算：

式中，G為轉(zhuǎn)子的重量，N;e為轉(zhuǎn)子重心對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線的偏移，即偏心距，mm;n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r/min;ω為轉(zhuǎn)子的角速度，rad/s;g為重力加速度，mm/s。

由式（3）可知，當(dāng)重型或高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子，即使具有很小的偏心距。也會(huì)引起非常大的不平衡的離心力，成為軸或軸承的磨損、機(jī)器或基礎(chǔ)振動(dòng)的主要原因之一。所以機(jī)器在裝配時(shí)，轉(zhuǎn)子必須進(jìn)行平衡。

評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)子不平衡大小在圖紙上可以用許用不平衡力矩表示，即轉(zhuǎn)子重量與許用偏心距的乘積，單位為g·mm。

7風(fēng)扇動(dòng)不平衡改進(jìn)

為了確定風(fēng)扇的動(dòng)不平衡量，挑選以上兩個(gè)風(fēng)扇送到第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，見(jiàn)圖5。測(cè)試發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇A的動(dòng)不平衡量為129.2g·mm，風(fēng)扇B的動(dòng)不平衡量為494.9g·mm，而圖紙?jiān)O(shè)計(jì)風(fēng)扇的動(dòng)不平衡量為小于40g·mm，所以可見(jiàn)兩個(gè)風(fēng)扇的動(dòng)不平衡量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)以上風(fēng)扇動(dòng)不平衡嚴(yán)重超標(biāo)問(wèn)題，反饋風(fēng)扇廠家進(jìn)行整改，廠家通過(guò)調(diào)查原因?yàn)樵胶鈾C(jī)設(shè)備固定在流水線的工作臺(tái)上，形成一定程度的軟支撐，產(chǎn)生共振，所以通過(guò)改進(jìn)平衡機(jī)設(shè)備的固定方式，消除了因臺(tái)架共振產(chǎn)生的平衡機(jī)設(shè)備讀數(shù)不穩(wěn)定。

8改進(jìn)驗(yàn)證

以上原因調(diào)查完成后，廠家重新試制一套合格的風(fēng)扇，安裝在實(shí)車上進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)客觀試驗(yàn)和主觀感受進(jìn)行評(píng)價(jià)。

客觀測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6所示，原始狀態(tài)和優(yōu)化后風(fēng)扇框架上振動(dòng)頻譜對(duì)比，其中30 Hz為怠速開(kāi)空調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率，優(yōu)化后風(fēng)扇的激勵(lì)頻率為36.75Hz和37.25Hz，比原始狀態(tài)37.75Hz和38.65Hz有所下降，可能是由于風(fēng)扇供電電壓的波動(dòng)導(dǎo)致風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的變化。但是可以明顯看到，優(yōu)化后風(fēng)扇的最大激勵(lì)幅值由原始狀態(tài)1.8m/s下降到0.1m/s，改善效果顯著。主觀感覺(jué)車內(nèi)“忽大忽小”的振動(dòng)消失，而且車內(nèi)振動(dòng)明顯減弱。

9結(jié)語(yǔ)

樣車怠速開(kāi)空調(diào)工況下，車內(nèi)表現(xiàn)“忽大忽小”的振動(dòng)現(xiàn)象是由于兩個(gè)冷卻風(fēng)扇工作時(shí)發(fā)生了“拍振”現(xiàn)象，而根本原因是由于風(fēng)扇的動(dòng)不平衡量過(guò)大導(dǎo)致風(fēng)扇工作時(shí)輸出的激勵(lì)力過(guò)大，從而把“拍振”現(xiàn)象傳遞到了車內(nèi)，使人感覺(jué)不舒服。

為了避免“拍振”現(xiàn)象的發(fā)生，設(shè)計(jì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速時(shí)盡量使其錯(cuò)開(kāi)一定范圍，如果實(shí)在無(wú)法做到應(yīng)該想辦法把風(fēng)扇的振動(dòng)隔離，避免傳遞到車內(nèi)。

動(dòng)不平衡量是風(fēng)扇設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，動(dòng)不平衡量不達(dá)標(biāo)風(fēng)扇工作時(shí)輸出的激振力就會(huì)加大，傳遞到車內(nèi)就會(huì)影響乘坐舒適性。