發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)噪聲的分析

代素珍

(長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

隨著生活品質(zhì)的提高，人們對(duì)汽車(chē)噪聲的要求也越來(lái)越高，當(dāng)空調(diào)開(kāi)啟后，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲也越來(lái)越引起眾多汽車(chē)用戶(hù)的關(guān)注。眾所周知，空調(diào)冷卻前端模塊一般由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇(風(fēng)扇、護(hù)風(fēng)圈)、冷凝器、散熱器、中冷器、隔振橡膠等組成。

一、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇噪聲產(chǎn)生原因

從噪聲傳遞路徑來(lái)看，整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇噪聲主要可以分成3類(lèi)，諸如冷卻風(fēng)扇車(chē)外噪聲、冷卻風(fēng)扇車(chē)內(nèi)空氣噪聲和冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)噪聲。不難發(fā)現(xiàn)，冷卻風(fēng)扇工作時(shí)，扇葉和空氣摩擦產(chǎn)生的噪聲，通過(guò)空氣傳播到車(chē)外的噪聲，稱(chēng)為冷卻風(fēng)扇車(chē)外噪聲。此外，通過(guò)空氣傳播，經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)防火墻和前風(fēng)檔玻璃，傳遞到車(chē)內(nèi)的噪聲則被稱(chēng)謂冷卻風(fēng)扇車(chē)內(nèi)空氣噪聲。另一方面，風(fēng)扇電機(jī)和扇葉工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，經(jīng)過(guò)前端模塊隔振墊后，傳遞到車(chē)身的振動(dòng)引起車(chē)身鈑金振動(dòng)產(chǎn)生的輻射噪聲為冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)噪聲。

(一)風(fēng)扇靜不平衡和動(dòng)不平衡

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇靜不平衡和動(dòng)不平衡主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：扇葉不平衡、安裝不平衡、氣流產(chǎn)生的不平衡。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量旋轉(zhuǎn)軸偏離或者與旋轉(zhuǎn)軸心平行時(shí)產(chǎn)生靜不平衡，葉片的非均布布置和葉片質(zhì)量密度的非均勻性都將產(chǎn)生靜不平衡。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)軸心相交時(shí)，兩個(gè)相對(duì)不平衡質(zhì)量的質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的離心力將產(chǎn)生一個(gè)力偶，這種情況叫做力偶不平衡也叫動(dòng)不平衡，它只有在旋轉(zhuǎn)時(shí)才發(fā)生。不平衡質(zhì)量的大小和兩個(gè)質(zhì)心的距離，決定了動(dòng)不平衡量的大小。

如果電機(jī)的軸心和風(fēng)扇的軸心偏移，但和風(fēng)扇軸心平行，這種情況只產(chǎn)生H1不平衡噪音, 通常是由于安裝問(wèn)題和對(duì)中處理造成的；如果電機(jī)的軸心和風(fēng)扇的軸心不平行，這種情況產(chǎn)生H1和H2的不平衡噪音，通常由于安裝或平面度引起的。

氣流產(chǎn)生的不平衡[1]是當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，葉片會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓差，壓差作用在葉片表面上產(chǎn)生一個(gè)作用力，這個(gè)作用力會(huì)導(dǎo)致葉片變形，壓差的大小(Pa)葉片的面積()和葉片的剛度(N/mm)決定了葉片變形的大小。如果葉片的載荷分布均勻，產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向垂直的固定變形，這種情況只產(chǎn)生H1不平衡噪音；如果載荷的分布是非均勻的，葉片的底部和頂部變形將不一致，這種情況將產(chǎn)生H1和H2不平衡噪音。

(二)風(fēng)扇的激振力

由于風(fēng)扇的不平衡，風(fēng)扇在工作中將不可避免地對(duì)車(chē)身產(chǎn)生激振力。假設(shè)一個(gè)葉片均布的5葉片風(fēng)扇，在理想狀態(tài)下，每個(gè)葉片都相同，每個(gè)葉片質(zhì)心都在同一個(gè)圓周半徑上，這5個(gè)葉片合成的質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)軸心完全重合。那么該風(fēng)扇產(chǎn)生的激振力將在風(fēng)扇內(nèi)部完全抵消，風(fēng)扇不對(duì)護(hù)風(fēng)圈和車(chē)身產(chǎn)生激勵(lì)作用。實(shí)際上，由于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝等原因造成的葉片質(zhì)量密度分布不均勻，葉片的質(zhì)心不在同一個(gè)圓周半徑上，詳見(jiàn)圖1所示。

圖1 風(fēng)扇葉片質(zhì)心

假設(shè)這5個(gè)葉片合成的質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)軸心平行，且有偏置r=2mm,不平衡質(zhì)量m=20g,扇葉的轉(zhuǎn)速N=2500tr/min:

依據(jù)激振力公式[2]

F=m*r*ω2(1)

公式中F為激振力;m是不平衡質(zhì)量(g)；r表示不平衡質(zhì)量的質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)軸的距離(mm)；ω則是角速度(rad/s)。則：

F=0.02×0.002×68295

F=2.7 N

該風(fēng)扇在2500tr/min工作條件下，產(chǎn)生了2.7N的激振力。

(三)冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)噪聲

據(jù)式：風(fēng)扇結(jié)構(gòu)噪聲=F×FRF，期中F為風(fēng)扇激振力(N)， FRF是聲-振傳遞函數(shù)(風(fēng)扇固定點(diǎn)到車(chē)內(nèi))dB/N。因此，風(fēng)扇不平衡量越大，工作轉(zhuǎn)速越高，激振力就越大，前端模塊隔振橡膠隔振性能越差，傳遞到車(chē)身的激振力就越大，風(fēng)扇結(jié)構(gòu)噪聲就越大。同一前端冷卻模塊，聲-振傳遞函數(shù)越大，風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)噪聲就越大。

二、案例分析

(一)問(wèn)題描述

某車(chē)型項(xiàng)目階段用戶(hù)抱怨：車(chē)輛怠速，開(kāi)空調(diào)后，車(chē)內(nèi)有周期性的低頻嗡嗡聲和振動(dòng)，認(rèn)為噪聲難以接受，希望企業(yè)立即改進(jìn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，空調(diào)開(kāi)(風(fēng)扇2100tr/min)和發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)(風(fēng)扇2100tr/min)的工況下，進(jìn)行噪聲測(cè)量，頻譜分析結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 頻譜分析結(jié)果

連接外接電源調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速?gòu)?100tr/min～2600tr/min，評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況車(chē)內(nèi)振動(dòng)噪聲，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

初步分析結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，車(chē)內(nèi)低頻嗡嗡聲隨著冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速升高，即低頻聲與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速正相關(guān)；車(chē)輛怠速開(kāi)空調(diào)后, 冷卻風(fēng)扇工作轉(zhuǎn)速為2100tr/min, 其H1噪聲(35Hz)和發(fā)動(dòng)機(jī)H2噪聲(28Hz)發(fā)生調(diào)制，產(chǎn)生周期性波動(dòng)的低頻嗡嗡聲，由此可見(jiàn)，用戶(hù)抱怨的實(shí)質(zhì)是冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)噪聲。

(二)原因分析

分析整車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇結(jié)構(gòu)噪聲，即分析風(fēng)扇的激振力和整車(chē)傳遞函數(shù)。風(fēng)扇激振力分析結(jié)果顯示，在2600tr/min激振力達(dá)到5N，明顯超出風(fēng)扇單體激振力的目標(biāo)限值(3N)。前端冷卻模塊隔振性能分析結(jié)果則表明，KD和國(guó)產(chǎn)橡膠隔振墊，隔振性能沒(méi)有明顯差異。車(chē)身聲-振傳遞函數(shù)測(cè)量，由于車(chē)身的結(jié)構(gòu)已經(jīng)固化，更改實(shí)施困難，故暫不分析。根據(jù)以上分析結(jié)果，可確定優(yōu)先降低冷卻風(fēng)扇激振力的行動(dòng)方向。

通過(guò)評(píng)價(jià)3輛整車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇噪聲，分別在7月8日和7月16日，在風(fēng)扇平衡臺(tái)架上，對(duì)冷卻風(fēng)扇的靜不平衡量的進(jìn)行仔細(xì)測(cè)量，具體主觀評(píng)價(jià)和靜不平衡量測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)扇不平衡量和噪聲主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)噪聲主觀評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，9-10分為優(yōu)秀，8分為良好，7分為可以接受，但需長(zhǎng)期改進(jìn)，6分為可以投放市場(chǎng)，但需立即改進(jìn)，6分以下為不可接受，不能投放市場(chǎng)。

從表2中結(jié)果中，可以得出3個(gè)結(jié)論，一是樣件1和樣件2風(fēng)扇靜不平衡復(fù)測(cè)結(jié)果超出目標(biāo)值30g.mm；二是同一風(fēng)扇靜不平衡兩次復(fù)測(cè)值差異很大； 三是整車(chē)噪聲表現(xiàn)和風(fēng)扇靜不平衡測(cè)量值相關(guān)性不好。如何保證風(fēng)扇靜不平衡測(cè)量結(jié)果的一致性和降低風(fēng)扇靜不平衡值，是降低風(fēng)扇激振力的重要方向。

(三)解決方案

1.風(fēng)扇平衡工藝

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇生產(chǎn)過(guò)程中有以下兩種平衡工藝，風(fēng)扇+電機(jī)平衡工藝與風(fēng)扇+電機(jī)+護(hù)風(fēng)圈平衡工藝。6個(gè)測(cè)試樣件按照兩種不同的風(fēng)扇平衡工藝進(jìn)行測(cè)量，動(dòng)不平衡和靜不平衡測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3所示。

圖3 不平衡量測(cè)量結(jié)果

從圖3中可以看出，風(fēng)扇+電機(jī)平衡工藝和風(fēng)扇+電機(jī)+護(hù)風(fēng)圈平衡工藝相比，不平衡測(cè)量值偏大,動(dòng)不平衡測(cè)量值差異大于200g.mm^2,靜不平衡測(cè)量值差異大于25g.mm。對(duì)6個(gè)樣件進(jìn)行風(fēng)扇激振力測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖4顯示。

圖4 風(fēng)扇激振力測(cè)量結(jié)果

從圖4中可發(fā)現(xiàn)，除了1800tr/min外，樣件70樣件77，基本滿(mǎn)足目標(biāo)曲線(xiàn)的要求，樣件41、樣件75、樣件87、樣件18都明顯超出目標(biāo)曲線(xiàn)。風(fēng)扇激振力數(shù)據(jù)分布符合風(fēng)扇+電機(jī)+護(hù)風(fēng)圈平衡工藝不平衡量測(cè)結(jié)果，也不符合風(fēng)扇+電機(jī)平衡工藝不平衡量測(cè)結(jié)果?；跍y(cè)量結(jié)果，更改風(fēng)扇+電機(jī)平衡工藝，實(shí)施風(fēng)扇+電機(jī)+護(hù)風(fēng)圈平衡工藝，可確保風(fēng)扇不平衡值的一致性和準(zhǔn)確性。

2.風(fēng)扇的生產(chǎn)工藝

對(duì)冷卻風(fēng)扇生產(chǎn)和裝配過(guò)程進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，由于風(fēng)扇的模具存在輕微的磨損，為增加不平衡量限值檢測(cè)的通過(guò)率，在扇葉平衡工藝之前，增加一個(gè)扇葉整形工藝。扇葉通過(guò)不平衡量檢測(cè)后，扇葉的應(yīng)力會(huì)在其后的半個(gè)月內(nèi)逐漸釋放，于是造成扇葉的應(yīng)力變形，從而改進(jìn)不平衡量的檢測(cè)結(jié)果，這就是冷卻風(fēng)扇不平衡復(fù)測(cè)差異大的主要原因。為此，取消風(fēng)扇葉片整形工藝，可保證風(fēng)扇在不同時(shí)間不平衡量測(cè)量值的一致性。

3.風(fēng)扇不平衡量限值

風(fēng)扇不平衡量限值越小，風(fēng)扇的激振力就越小，風(fēng)扇的生產(chǎn)成本就越高。根據(jù)風(fēng)扇激振力測(cè)量結(jié)果和風(fēng)扇生產(chǎn)工藝的能力進(jìn)行平衡，研究對(duì)風(fēng)扇不平衡量確定了新的限值：動(dòng)不平衡量為500g.mm^2,靜不平衡量為25g.mm。實(shí)施以上方案后，整車(chē)測(cè)量結(jié)果詳見(jiàn)圖5所示。在35Hz，風(fēng)扇結(jié)構(gòu)噪聲從48dB降低到24dB,主觀評(píng)價(jià)車(chē)內(nèi)沒(méi)有周期性的低頻嗡嗡聲，非常滿(mǎn)意。

圖5 風(fēng)扇結(jié)構(gòu)噪聲

三、結(jié)語(yǔ)

研究結(jié)果證明，減小冷卻風(fēng)扇激振力是降低風(fēng)扇結(jié)構(gòu)噪聲的有效方法。冷卻風(fēng)扇激振力是風(fēng)扇的設(shè)計(jì)、裝配和生產(chǎn)工藝共同作用的結(jié)果，冷卻風(fēng)扇激振力和風(fēng)扇不平衡值具有較好的相關(guān)性。所以，控制冷卻風(fēng)扇的不平衡是保證降低冷卻風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)噪聲的重要手段?？傊?，汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)注重在生產(chǎn)工藝中，有效控制冷卻風(fēng)扇的不平衡現(xiàn)象，提升汽車(chē)用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的滿(mǎn)意度。