乘用車發(fā)電機(jī)噪聲降低的研究

張建操，劉彤

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

乘用車發(fā)電機(jī)噪聲降低的研究

張建操，劉彤

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著乘用車在人們生活中的普及，舒適性已成為衡量整車的重要指標(biāo)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音是重點(diǎn)研究的對(duì)象。其中從每個(gè)零部件的噪聲改善入手來(lái)改善發(fā)動(dòng)機(jī)整體的噪聲。文章以發(fā)電機(jī)的噪聲優(yōu)化為例，首先介紹了汽車用發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及噪聲分類，針對(duì)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)提出可優(yōu)化的方案，通過(guò)噪聲試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)噪聲有一定的改善。

發(fā)電機(jī)；噪聲測(cè)試；優(yōu)化設(shè)計(jì)

CLC NO.:U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-61-03

前言

隨著乘用車日益的普及，人們對(duì)于車輛的舒適性逐年提高，從整車到發(fā)動(dòng)機(jī)都在進(jìn)行NVH的研究，從汽車噪聲產(chǎn)生的機(jī)理考慮，汽車的整車噪聲主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、冷卻風(fēng)扇噪聲、排氣噪聲、傳動(dòng)及胎噪聲等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲約占55%，占其整車噪聲中很大一部分，在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲中，前端噪聲是主要噪聲，發(fā)電機(jī)作為整車的供電設(shè)備，本身混合了多種模式的噪聲，使噪聲的優(yōu)化更加困難。

發(fā)電機(jī)是為整車提供用電的設(shè)備，要降低發(fā)電機(jī)的噪音就要先區(qū)分出發(fā)電機(jī)的噪音源，有針對(duì)性的對(duì)發(fā)電機(jī)的某種噪音進(jìn)行設(shè)計(jì)上的改良，降低發(fā)電機(jī)的整體噪音。

1 發(fā)電機(jī)噪聲概述

1.1 發(fā)電機(jī)

在汽車正常行駛時(shí)，交流發(fā)電機(jī)皮帶由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，交流發(fā)電機(jī)他勵(lì)后開(kāi)始發(fā)電，并向車內(nèi)蓄電池充電和供負(fù)載用電。它一般位于發(fā)動(dòng)機(jī)前端發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)由引擎蓋密封。普通工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的工作噪聲遠(yuǎn)高于發(fā)電機(jī)的噪聲，但發(fā)現(xiàn)汽車在怠速、啟動(dòng)、低速急加速、停機(jī)過(guò)程瞬間，可能出現(xiàn)一種可辨的異于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，該噪聲頻率較高，因此對(duì)于舒適性要求較高的乘用車，不可忽視。

發(fā)電機(jī)一般由定子、轉(zhuǎn)子、整流橋、調(diào)節(jié)器、前后蓋等組成，采用轉(zhuǎn)子前后雙內(nèi)風(fēng)扇型結(jié)構(gòu)，除皮帶輪外，整個(gè)發(fā)電機(jī)沒(méi)有外露部分，定子鐵心完全被前后端蓋所覆蓋，前端蓋通過(guò)端蓋止口與后端蓋配合，把發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子固定在一起成為一個(gè)整體。定子鐵心由 0. 35mm 或 0. 5mm 硅鋼板沖片構(gòu)成，沖片內(nèi)周均勻分布著 36 槽；轉(zhuǎn)子由磁場(chǎng)繞組、爪極及轉(zhuǎn)軸組成，爪極分前爪極和后爪極。通常前后爪極均布 6 個(gè)爪組成 12 對(duì) N 、S 極；外腔裝有電刷及三相整流橋，并以塑料端罩保護(hù)。當(dāng)極對(duì)數(shù)為 p 的轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)交換 p 次，因此電機(jī)供電頻率為：

式中：p為極對(duì)數(shù)；n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 發(fā)電機(jī)噪聲的組成及機(jī)理

發(fā)電機(jī)噪音分為機(jī)械噪音、風(fēng)噪和電磁噪音。

機(jī)械噪音是滾動(dòng)軸承及相關(guān)旋轉(zhuǎn)部件所產(chǎn)生的噪音，主要來(lái)自轉(zhuǎn)子軸承、皮帶輪與皮帶間的摩擦和電刷的接觸，直接正比于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載。電磁噪音是指定子轉(zhuǎn)子之間的磁場(chǎng)脈動(dòng)引起的，這種噪音產(chǎn)生的途徑在發(fā)電機(jī)有負(fù)載低轉(zhuǎn)速時(shí)比高轉(zhuǎn)速時(shí)更加明顯。發(fā)電機(jī)的風(fēng)扇是是風(fēng)噪的主要噪音源，風(fēng)扇的傾角使風(fēng)扇工作像一個(gè)轉(zhuǎn)速不高的離心機(jī)，同時(shí)葉片表面的尖角和尖邊使風(fēng)噪在高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)更加明顯，另外就是依圓周方向不等的空間使葉片運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)像一系列單葉片鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪音。其中機(jī)械噪音是主要的噪音（強(qiáng)度比值在一定程度在60%～70%），風(fēng)噪次之（強(qiáng)度比值在20%～30%），電磁噪音最低（強(qiáng)度比值在10%）。

2 發(fā)電機(jī)噪聲測(cè)試

發(fā)電機(jī)單體噪聲與在發(fā)動(dòng)機(jī)上運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲是不同的，裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)上的運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)由于受到了發(fā)動(dòng)機(jī)扭振、皮帶傳動(dòng)的影響，在發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)測(cè)的噪聲更加接近實(shí)際。因此，此次發(fā)電機(jī)的噪聲測(cè)試在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，運(yùn)用聲源定位、頻率分析判斷發(fā)電機(jī)是哪種噪聲。

2.1 噪聲測(cè)試布置

1）臺(tái)架布置，將發(fā)動(dòng)機(jī)固定在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上，發(fā)電機(jī)按照發(fā)動(dòng)機(jī)裝調(diào)技術(shù)文件固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上，皮帶按照設(shè)計(jì)繞在附件各皮帶輪上，連接好發(fā)電機(jī)線束。

2）傳感器布置，聲源定位麥克風(fēng)陣列布置在發(fā)動(dòng)機(jī)前端，三個(gè)麥克風(fēng)布置在發(fā)電機(jī)的近場(chǎng)，分別在發(fā)電機(jī)的0度、45度、90度位置。

3）測(cè)量工況，分別在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)下測(cè)發(fā)電機(jī)的噪音，瞬態(tài)是發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷，轉(zhuǎn)速1000rpm～5500rpm，運(yùn)行時(shí)間120s。

圖2 傳感器布置圖

2.2 噪聲測(cè)試結(jié)果

圖3 聲源定位圖

由聲源定位的結(jié)果來(lái)看，異響頻率位于前端冷卻口處，可能是冷卻風(fēng)扇、轉(zhuǎn)子等旋轉(zhuǎn)引起的噪聲。

圖4 發(fā)電機(jī)噪聲頻譜圖

分析發(fā)電機(jī)頻譜圖，比較明顯的階次為31.5階、63階和94.5階。發(fā)電機(jī)/曲軸轉(zhuǎn)速速比為2.63，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子爪極為6 對(duì)12個(gè)，根據(jù)階次理論爪極工作對(duì)應(yīng)的階次為2.63*12=31.56階，其中63.99階和94.5階為爪極噪聲的2、3諧次，可基本判定是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子爪極相關(guān)部件存在設(shè)計(jì)缺陷。

3 發(fā)電機(jī)噪聲優(yōu)化方案

通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)研究，找出可能產(chǎn)生噪音的結(jié)構(gòu)，分別從風(fēng)噪和電磁噪聲進(jìn)行改善，得出如下的優(yōu)化方案：

圖5 保持線圈優(yōu)化對(duì)比圖

1）去掉保持線圈架上的護(hù)邊，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的保持結(jié)圈兩頭各有5個(gè)翻邊，每個(gè)反邊上各有6個(gè)小孔，翻邊并沒(méi)有固定在轉(zhuǎn)子線圈上，當(dāng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，冷卻風(fēng)通過(guò)轉(zhuǎn)子，在穿過(guò)小孔時(shí)可能產(chǎn)生高頻風(fēng)噪。

2）改變風(fēng)扇的材料和扇葉的數(shù)量、高度，風(fēng)扇噪聲的控制策略主要的適當(dāng)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，風(fēng)扇噪聲隨轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)遠(yuǎn)比其他噪聲大，在冷卻要求已確定的條件下，為降低轉(zhuǎn)速，可在結(jié)構(gòu)尺寸允許范圍內(nèi)，適當(dāng)加大風(fēng)扇直徑或者減少葉片數(shù)目；充分運(yùn)用流體力學(xué)理論設(shè)計(jì)高效率的風(fēng)扇，可在保證冷卻風(fēng)量和風(fēng)壓的前提下降低轉(zhuǎn)速。采用葉片不均勻分布的風(fēng)扇。將發(fā)電機(jī)前風(fēng)扇的高度由10.8mm增加到11.2mm，后風(fēng)扇的扇葉由14片降低到11片。

3）根據(jù)發(fā)電機(jī)噪聲的頻譜分析，由于爪極側(cè)面的切邊，切割磁感線的不平衡導(dǎo)致定子震動(dòng)產(chǎn)生的電磁噪聲，因此加大爪極側(cè)面的倒角，避免有尖邊出現(xiàn)；

圖6 爪極優(yōu)化對(duì)比圖

4）在轉(zhuǎn)子的裝配工藝上，兩爪極裝配時(shí)距離不不均勻性也產(chǎn)生電磁噪音，因此在上下爪極裝配時(shí)增加分別的定位裝置，保證爪極裝配后間隙更加均勻，降低電磁噪音；

圖6 爪極裝配優(yōu)化對(duì)比圖

4 發(fā)電機(jī)噪聲優(yōu)化測(cè)試結(jié)果

將發(fā)電機(jī)按照上4個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化后，再裝配到發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行噪音測(cè)試，運(yùn)行工況仍按照瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)測(cè)試，將原狀態(tài)發(fā)電機(jī)與優(yōu)化后新?tīng)顟B(tài)發(fā)電機(jī)在0度、45度、90度、1m處進(jìn)行噪音比較，有如下結(jié)果：

1）前方1m：全負(fù)荷加速過(guò)程，整改件對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)在1000～1300rpm，1650～2100rpm，3200～3500rpm 時(shí)改善效果明顯，分別降低 0.49～2dB(A)，0～1.5dB(A)，0～1.5dB(A)，在其他轉(zhuǎn)速較原裝件低1dB(A)以內(nèi)。整改件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前方1m噪聲有一定的改善效果。

2）發(fā)電機(jī)—0deg，在1000～4000rpm改善明顯，聲壓級(jí)降低 0～5dB(A)，4000rpm以上時(shí)聲壓級(jí)曲線較原裝件平滑。在全負(fù)荷加速過(guò)程中整改件總體表現(xiàn)優(yōu)于原裝件。

3）發(fā)電機(jī)—45deg，全負(fù)荷加速整改件聲壓級(jí)曲線較原裝件平滑，整體表現(xiàn)優(yōu)于原裝件。在1000～4000rpm改善明顯，聲壓級(jí)降低 0～3dB(A)。

4）發(fā)電機(jī)—90deg，全負(fù)荷加速整改件聲壓級(jí)曲線較原裝件平滑，整體表現(xiàn)優(yōu)于原裝件。

5）整改件對(duì)發(fā)電機(jī)近場(chǎng)噪聲的改善效果明顯，尤其表現(xiàn)在1000～1300rpm，1500～4500rpm。

6）發(fā)動(dòng)機(jī)31.57，63.16，94.76 階次能量突出，分別對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)的12，24，36 階次。其中整改件對(duì)發(fā)電機(jī)12階次噪聲無(wú)改善效果，對(duì)24，36 階次噪聲有所改善。

7）對(duì)比穩(wěn)態(tài)點(diǎn)，整改件同樣優(yōu)于原裝件。

圖7 優(yōu)化前后聲壓級(jí)對(duì)比圖

5 結(jié)論

通過(guò)噪聲測(cè)試的聲源定位儀將發(fā)動(dòng)機(jī)中噪聲較大的零部件找到，本文以發(fā)電機(jī)為例，由實(shí)測(cè)的頻譜分析出發(fā)電機(jī)主要的幾種噪聲，進(jìn)一步剖析發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，找出與噪聲相關(guān)的結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。將優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)測(cè)，更接近顧客在整車上的噪聲感受，合理確定測(cè)試工況，在常用工況進(jìn)行發(fā)電機(jī)噪聲實(shí)測(cè)，優(yōu)化后發(fā)電機(jī)綜合噪聲有2～3dBA的改善。

Study on noise reduction of passenger car generator

Zhang Jiancao, Liu Tong
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

With the popularity of passenger cars in people's life, the comfort has become an important indicator of the whole vehicle, and the noise of the engine is the object of the study. From the noise improvement of each component, the overall noise of the engine is improved. Generator noise optimization, for example, this paper firstly introduces the structure of automobile generator and the classification of noise to the structure of the generator can be optimized solutions, based on noise test results show that the optimization design of noise has certain improvement.

The generator; Noise test; The optimization design

U467

A

1671-7988 (2017)15-61-03

張建操，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.022