冷卻風(fēng)扇對(duì)載貨汽車加速行駛車外噪聲的影響

武智方，夏均忠，桓洪強(qiáng)，劉曉凱，汪治安

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161； 2.陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，西安 710200； 3．69083部隊(duì)，烏魯木齊 830002)

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● 車輛工程 Vehicle Engineering

冷卻風(fēng)扇對(duì)載貨汽車加速行駛車外噪聲的影響

武智方1，2，夏均忠1，桓洪強(qiáng)3，劉曉凱2，汪治安1

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161； 2.陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，西安 710200； 3．69083部隊(duì)，烏魯木齊 830002)

為降低某重型載貨汽車加速行駛車外噪聲，用道路試驗(yàn)的方法研究發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇對(duì)車輛輻射噪聲的影響。依據(jù)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)法規(guī)ECE R51，對(duì)該載貨汽車進(jìn)行加速行駛車外噪聲測(cè)試，應(yīng)用頻譜分析方法確定最大噪聲源對(duì)應(yīng)的頻率為430 Hz，并測(cè)試其諧頻，理論分析得知該頻率噪聲是由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇引起。通過優(yōu)化匹配冷卻風(fēng)扇，將直連風(fēng)扇改為電磁恒溫風(fēng)扇，其加速行駛車外噪聲降低了4～6 dB(A)。

載貨汽車；冷卻風(fēng)扇；噪聲；頻率特性

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率大于150 kW的載貨汽車以常用轉(zhuǎn)速(1 500～1 900 r/min)加速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)1 m處輻射噪聲的聲壓級(jí)可以達(dá)到100 dB(A)，駕駛員耳旁噪聲可以達(dá)到 72 dB(A)[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇是汽車的重要部件，在低轉(zhuǎn)速時(shí)風(fēng)扇噪聲并不明顯，但在高轉(zhuǎn)速時(shí)風(fēng)扇噪聲往往成為主要的噪聲源[2]，影響汽車的平順性[3]。

歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)制定的車輛加速行駛噪聲控制法規(guī)ECE R51《關(guān)于就噪聲排放方面批準(zhǔn)四輪及四輪以上機(jī)動(dòng)車的統(tǒng)一規(guī)定》，對(duì)于重型車輛加速行駛噪聲的要求非常嚴(yán)格[4]?，F(xiàn)有某載貨汽車不符合該標(biāo)準(zhǔn)限值要求，通過試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇對(duì)整車加速行駛車外噪聲有較大的影響。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)車輛

以一輛大功率(316 kW)的載貨汽車為試驗(yàn)對(duì)象，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)車輛主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)ECE R51進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)地如圖1所示，其滿足下列條件：

(1)以測(cè)量場(chǎng)地中心為基點(diǎn)、半徑為50 m的范圍內(nèi)沒有大的聲反射物，如圍欄、巖石、橋梁或建筑物等；

(2)試驗(yàn)路面和其他場(chǎng)地表面干燥，沒有積雪、高原、松土或爐渣之類的吸聲材料；

(3)傳聲器附近沒有任何影響聲場(chǎng)的障礙物，并且聲源與傳聲器之間沒有任何人站留。

圖1 車輛加速行駛車外噪聲測(cè)試場(chǎng)地

儀器設(shè)備為L(zhǎng)MS SCM05數(shù)據(jù)采集分析儀、GRAS 英寸傳聲器。

試驗(yàn)時(shí)，車輛載荷為空載，初始擋位選擇4擋。汽車進(jìn)入AA′線時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為950 r/min；車輛以4擋沿CC′中線勻速行駛，其最前端進(jìn)入AA′線時(shí)開始全油門加速，尾部通過BB′線后松開油門，記錄車輛整個(gè)加速過程中PP′線7.5±0.0 5 m處(離地面高1.2±0.02 m)，10 s內(nèi)聲壓級(jí)隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。然后，逐步升擋測(cè)量，直到在某一擋位下車輛尾部通過BB′線時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速(1 900 r/min)，結(jié)束測(cè)試。每一個(gè)擋位測(cè)量4次，對(duì)4次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行平均作為該擋位的均值；取各擋位測(cè)試聲壓級(jí)中的最大值作為試驗(yàn)結(jié)果。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果見表2。車輛加速行駛車外噪聲有效值應(yīng)為整個(gè)測(cè)試范圍內(nèi)的最大值，即為4擋、副駕駛側(cè)對(duì)應(yīng)的90.74 dB(A)。ECE R51規(guī)定，發(fā)動(dòng)機(jī)功率大于150 kW的N3類車輛其噪聲限值為80 dB(A)。試驗(yàn)車輛的加速行駛車外噪聲超出標(biāo)準(zhǔn)要求10.74 dB(A)。需要對(duì)噪聲源進(jìn)行定位及分離，找出貢獻(xiàn)率最大的部件或系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行降噪處理。

表2 試驗(yàn)車輛加速行駛車外噪聲試驗(yàn)結(jié)果

2 噪聲源識(shí)別

利用信號(hào)頻譜分析技術(shù)，對(duì)測(cè)試噪聲的時(shí)間歷程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定噪聲源信號(hào)的頻率特性及其類別[5]。

2.1 頻譜分析

對(duì)4擋、副駕駛側(cè)的聲壓級(jí)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，得到最大聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)的1/3倍頻譜圖(如圖2所示)。橫坐標(biāo)為1/3倍頻，縱坐標(biāo)為聲壓級(jí)在頻域上的分布。

圖2 加速噪聲測(cè)試最大聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)的1/3倍頻圖

從車輛進(jìn)線開始計(jì)時(shí)，4.6 s時(shí)聲壓級(jí)出現(xiàn)最大值。車輛在整個(gè)加速過程中最大聲壓級(jí)的峰值對(duì)應(yīng)的頻率在400 Hz附近。初步判定，車輛加速行駛車外噪聲過大是由工作頻率為400 Hz左右的部件引起的。

為了進(jìn)一步確認(rèn)工作頻率為400 Hz左右的部件為最大噪聲源，在發(fā)動(dòng)機(jī)的前、后、左、右側(cè)約20 cm處分別布置傳聲器，按照車輛加速行駛車外噪聲的測(cè)試方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析各個(gè)測(cè)點(diǎn)噪聲的頻率特性及400 Hz噪聲峰值產(chǎn)生的主要原因。測(cè)試結(jié)果如圖3所示。該圖表示車輛以4擋加速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)周圍測(cè)試噪聲的時(shí)間、頻率與聲壓級(jí)之間的三維關(guān)系圖。右側(cè)縱坐標(biāo)表示聲壓級(jí)大小的顏色分布，顏色越深代表該時(shí)間及頻率下的聲壓級(jí)越大。

從圖3(a)可以看出車輛尾部剛過中線PP′時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值2 150 r/min，從該時(shí)刻起車輛以最高轉(zhuǎn)速駛出BB′線，發(fā)動(dòng)機(jī)前方430 Hz噪聲非常明顯。冷卻風(fēng)扇上部、變速箱上方和發(fā)動(dòng)機(jī)前部為無阻隔相通空間，圖3(a)和(b)的頻譜特性相近。圖3(c)和(d)表示發(fā)動(dòng)機(jī)左、右兩側(cè)的噪聲頻譜，其頻率成分較多，是由發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲、機(jī)械噪聲及空氣動(dòng)力噪聲共同作用所致。

以上測(cè)試表明，車輛以4擋加速行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 150 r/min時(shí)輻射噪聲出現(xiàn)峰值，該時(shí)刻噪聲主要為430 Hz及其諧波頻率。

2.2 風(fēng)扇噪聲

風(fēng)扇噪聲由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成[6]。旋轉(zhuǎn)噪聲是由于旋轉(zhuǎn)的葉片周期性地切割空氣引起空氣的壓力脈動(dòng)而產(chǎn)生的。其基頻為

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)周圍測(cè)試噪聲頻譜云圖

(1)

式中：n為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；Z為風(fēng)扇葉片數(shù)。除基頻外，其高次諧波有時(shí)也比較突出。 渦流噪聲是由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使周圍空氣產(chǎn)生渦流，此渦流由于黏度力的作用又分裂成一系列分離的小渦流，渦流使空氣發(fā)生擾動(dòng)而產(chǎn)生噪音。渦流噪聲是寬頻帶噪聲。

圖4所示為風(fēng)扇軸通過皮帶由曲軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，其與曲軸的速比為1.2∶1。試驗(yàn)車輛的風(fēng)扇軸與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸為直接連接方式，所以當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 150 r/min時(shí)，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速為2 580 r/min。由表1可知，風(fēng)扇葉片數(shù)為10，根據(jù)式(1)計(jì)算得到風(fēng)扇噪聲對(duì)應(yīng)的頻率為430 Hz。與頻譜分析結(jié)果比較可知，引起試驗(yàn)車輛加速行駛車外噪聲的主要部件是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇。

圖4 風(fēng)扇軸及曲軸傳動(dòng)關(guān)系

3 冷卻風(fēng)扇對(duì)加速噪聲的影響

3.1 冷卻風(fēng)扇優(yōu)化匹配

載貨汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇有3種控制方式：直連風(fēng)扇(與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同步)、電磁恒溫風(fēng)扇、電控硅油風(fēng)扇[7]。試驗(yàn)車輛匹配的是直連風(fēng)扇。

電磁恒溫風(fēng)扇的離合器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫通過程控設(shè)置，執(zhí)行不同的吸合動(dòng)作使風(fēng)扇以3個(gè)不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，其溫度控制策略如圖5所示。車輛啟動(dòng)后，風(fēng)扇處于Ⅰ擋工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)速約為100 r/min；隨著車輛冷卻水溫的上升，風(fēng)扇軸接通Ⅱ擋，風(fēng)扇葉片的轉(zhuǎn)速達(dá)到1 200 r/min；當(dāng)車輛空載加速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫不會(huì)超過87 ℃，電磁恒溫風(fēng)扇通常在Ⅱ擋運(yùn)轉(zhuǎn)。電控硅油風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)水溫呈線性關(guān)系，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫為87 ℃時(shí)，其轉(zhuǎn)速為1 400 r/min。

圖5 電磁恒溫風(fēng)扇溫度控制策略

ECE R51規(guī)定，測(cè)試車輛載荷為空載。在空載狀態(tài)下，如果選擇電磁恒溫風(fēng)扇，車輛在正常水溫下行駛時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以Ⅱ擋(1 200 r/min)運(yùn)行；如果選擇電控硅油風(fēng)扇，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速約為1 300～1 600 r/min。電控硅油風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速在同等試驗(yàn)條件下要大于電磁恒溫風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中冷卻液散熱量隨負(fù)荷或者轉(zhuǎn)速的增加都是非線性變化，在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷率工況下對(duì)冷卻系統(tǒng)散熱能力要求特別高，而在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷率工況下冷卻系統(tǒng)有較大散熱能力儲(chǔ)備。車輛空載、全油門加速過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從950 r/min升至2 150 r/min，負(fù)荷率為10%，所以電磁恒溫風(fēng)扇以1 200 r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，能夠滿足冷卻系統(tǒng)對(duì)于進(jìn)風(fēng)量的要求。

綜合考慮，試驗(yàn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化匹配電磁恒溫風(fēng)扇。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)試驗(yàn)樣車優(yōu)化匹配電磁恒溫風(fēng)扇后，在其他試驗(yàn)條件不變的情況下，進(jìn)行加速行駛車外噪聲試驗(yàn)，其結(jié)果見表3。

表3 車輛加速行駛車外噪聲試驗(yàn)結(jié)果(優(yōu)化匹配電磁恒溫風(fēng)扇)

加速行駛車外噪聲有效值為83.58 dB(A)，比原試驗(yàn)車輛的測(cè)試結(jié)果(90.74 dB(A))降低了7.16 dB(A)。這說明發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇對(duì)車輛的加速行駛車外噪聲有較大的影響。

4 結(jié) 語

對(duì)某載貨汽車進(jìn)行加速行駛車外噪聲試驗(yàn)，應(yīng)用頻譜分析法對(duì)噪聲源進(jìn)行定位，通過優(yōu)化匹配電磁恒溫風(fēng)扇降低了該車加速行駛車外噪聲，將其控制在84 dB(A)以內(nèi)，滿足了GB 1495—2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法》的限值要求。

載貨汽車加速行駛過程中輻射噪聲主要是發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力噪聲，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇是其主要貢獻(xiàn)源之一；改變冷卻風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接方式即降低冷卻風(fēng)扇在車輛加速過程中的轉(zhuǎn)速，可以有效降低車輛加速行駛車外噪聲；如果要進(jìn)一步降低試驗(yàn)車輛的加速行駛車外噪聲，使其達(dá)到ECE R51的限值要求，還需采取其他降噪措施。

[1] 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(9):24-27．

[2] 李靜波,王暉.汽車雙冷卻風(fēng)扇NVH特性分析[J].汽車工程師,2014(8):23-26．

[3] 吳繼輝,夏均忠,王靜,等.駕駛室懸置結(jié)構(gòu)對(duì)載貨汽車平順性的影響[J].軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào),2016,18(1):39-42．

[4] 熊建強(qiáng),黃菊花,廖群.車輛噪聲源識(shí)別理論與方法分析[J].噪聲與振動(dòng)控制,2011,31(4):97-101．

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[6] 俱利鋒,席德科.離心式通風(fēng)機(jī)噪聲機(jī)理及設(shè)計(jì)與改造中的降噪方法綜述[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2002,21(3):465-467．

[7] 周龍剛,孟詳龍,李偉,等.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2013(1):55-57．

(編輯：張峰)

Influence of Cooling Fan on Noise Emitted by Accelerating Truck

WU Zhifang1, 2, XIA Junzhong1, HUAN Hongqiang3, LIU Xiaokai2, WANG Zhian1

(1.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Automotive Engineering Research Institute, Shanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Xi’an 710200, China;3.Unit 69083, Urumqi 830002, China)

To reduce the noise emitted by accelerating truck, the paper applies road test to study the influence of cooling fan on vehicle noise. It tests the noise emitted by accelerating truck according to ECE R51, and determines the frequency of maximum noise source is 430Hz with spectral analysis method and tests its harmonic frequency. Through the analysis we get the result that the frequency noise is caused by the cooling fan, and the noise emitted by accelerating vehicle has been reduced 4～6 dB(A) by optimizing matching cooling fan and replacing direct-connected fan with electromagnetic thermostatic fan.

truck; cooling fan; noise; frequency characteristic

2016-08-29；

2016-09-08．

武智方(1984—)，男，碩士研究生； 夏均忠(1967—)，男，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師．

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.12.014

U467.1+1

A

1674-2192(2016)12- 0058- 04