發(fā)動機普通硅油離合風(fēng)扇噪聲降低試驗研究及整車匹配

呂建中 王軍龍 武聰山 余浪 孫偉

摘 要：文章針對市場試用車客戶反饋的駕駛員右耳處風(fēng)扇噪聲大問題，主要研究了某型輕卡用2.3L發(fā)動機普通硅油風(fēng)扇的滑差率、嚙合形式、嚙合溫度、葉片與護風(fēng)罩間隙對整車駕駛室內(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：U463 ?文獻標(biāo)識碼：B ?文章編號：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)動機風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速下工作時產(chǎn)生的空氣動力性噪聲可通過地板與前圍板傳入輕卡駕駛室內(nèi)，構(gòu)成車內(nèi)噪聲的主要來源之一，是影響汽車舒適性的重要因素。

輕卡發(fā)動機匹配的風(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，在輕卡發(fā)動機上應(yīng)用廣泛。行業(yè)內(nèi)對于風(fēng)扇噪聲在整車上的匹配研究主要有CFD仿真計算與試驗研究。蔣炎坤等使用CFD有限元分析方法進行了發(fā)動機動力艙冷卻風(fēng)扇的研究[1]，蘇曉芳等在發(fā)動機冷卻風(fēng)扇的降噪研究與優(yōu)化上運用了新結(jié)構(gòu)風(fēng)扇[2]。

針對客戶反饋的市場試用車風(fēng)扇在高轉(zhuǎn)速下噪聲大和頻發(fā)噪聲突變問題，本文主要研究了某型輕卡的2.3L發(fā)動機普通硅油風(fēng)扇的滑差率、嚙合形式、嚙合溫度、葉尖與護風(fēng)罩間隙對整車駕駛室內(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)扇葉片對空氣的切割造成空氣壓力脈動進而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)噪聲。轉(zhuǎn)動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，分裂的渦流會對空氣產(chǎn)生擾動，形成稀流和壓縮過程而產(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對風(fēng)扇噪聲影響很大，降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速10%，聲壓級降低（2～3）dB（A）。高轉(zhuǎn)速時，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、靜壓和直徑對噪聲也有不同程度的影響[5]。

非均布葉片對降低風(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度與葉片形狀和護風(fēng)罩結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系[6]，故可改進葉片形狀和調(diào)整護風(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度。

葉片的材料對其噪聲有一定影響，葉片為有機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程為低溫怠速—溫度達到嚙合溫度—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)型在達到嚙合溫度前是主動盤與從動盤全脫離的（冷啟動與長時間靜置除外），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 原車測試

針對市場客戶反饋存在風(fēng)扇在高轉(zhuǎn)速下噪聲大和頻發(fā)噪聲突變問題的車型進行噪聲測試。

（1）測試設(shè)備：LMS噪聲振動分析儀;

（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;

（3）測試工況：熱車待風(fēng)扇進入全嚙合后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速從怠速700r/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試驗結(jié)果如下：

風(fēng)扇在進入全嚙合后的噪聲相較在隨轉(zhuǎn)狀態(tài)的噪聲較大，同時開關(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)扇與護風(fēng)罩的間隙配合來驗證對風(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、主動板和回油口的結(jié)構(gòu)上是不同的，通過改變回油口的形狀，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)制型的嚙合的整個過程變得更為平緩。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)型的出油孔像一個方孔，當(dāng)感溫圈受熱變形帶動閥片旋轉(zhuǎn)時，出油孔短時間內(nèi)完全打開，硅油會完全流出，調(diào)制型的出油口是一個三角形，隨著溫度上升閥片旋轉(zhuǎn)，出油孔是逐漸擴大的，硅油的量逐漸增多，所以轉(zhuǎn)速是逐漸上升的過程。

采用調(diào)制型硅油離合器風(fēng)扇，雖然無法改變?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。

對普通硅油離合器風(fēng)扇來講，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)化方案與試驗測試對比

3.1 不同滑差率對噪聲的影響

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

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 不同護風(fēng)圈結(jié)構(gòu)

對比不同護風(fēng)圈：

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

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

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

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

LS02與LS03護風(fēng)圈噪聲較差，在發(fā)動機額定轉(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。

針對渦流噪聲進行葉尖與護風(fēng)圈附件流場的CFD分析：

通過流場矢量圖可以看到，從風(fēng)扇葉尖分離出的高速渦流會擊打在護風(fēng)圈上，氣流沿護風(fēng)圈內(nèi)壁面加速，護風(fēng)圈的固有頻率被高速渦流激勵起來導(dǎo)致噪聲加大。護風(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，進而降低渦流噪聲。

3.3 不同嚙合溫度對噪聲的影響

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

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

進行相同路段試驗統(tǒng)計風(fēng)扇全嚙合頻次如下：

4 整車冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與熱平衡試驗

4.1 整車冷卻系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

由于發(fā)動機風(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)扇的熱平衡試驗在發(fā)動機2400r/min時出現(xiàn)渦后排溫超限值的現(xiàn)象。

為滿足整車熱平衡的需求，整車對散熱模塊進行了優(yōu)化設(shè)計匹配。通過將整車散熱模塊中的中冷器與散熱器尺寸加大，同時優(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，滿足大扭矩點的冷卻要求，降低了中冷后進氣溫度，進而大扭矩點的渦后排溫得到同等的降低。

4.2 整車熱平衡試驗

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通過，渦后排溫降低到限值內(nèi)。下圖為大扭矩點2400r/min的熱平衡試驗數(shù)據(jù)，環(huán)境溫度為35°C，發(fā)動機出水溫度為98.5°C。

通過整車散熱模塊的改進，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，以滿足熱平衡與發(fā)動機渦后排溫的要求，同時也是一種兼顧成本與開發(fā)周期的最優(yōu)方案。

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