乘用車?yán)鋮s風(fēng)扇拍振問題分析與解決

楊鵬 李允 陳兵 張智 仲崇發(fā)

摘 ?要：針對(duì)乘用車怠速開空調(diào)工況產(chǎn)生的車內(nèi)噪聲“拍振”現(xiàn)象，本文根據(jù)拍振形成原理對(duì)問題聲音進(jìn)行分析，確定問題真因后，又建立了評(píng)價(jià)拍振問題程度的噪聲指標(biāo)，最后在不改變動(dòng)力總成和車身總成的基礎(chǔ)上，通過改善問題源和傳遞路徑等手段，車內(nèi)噪聲拍振峰值平均降低5.4dB（A），主觀評(píng)價(jià)結(jié)果7分，拍振問題得以解決，有效提升了怠速開空調(diào)工況的整車NVH體驗(yàn)，對(duì)由冷卻風(fēng)扇引起的車內(nèi)噪聲“拍振”問題的解決起到了關(guān)鍵性的作用。

關(guān)鍵詞：冷卻風(fēng)扇;拍振;動(dòng)平衡;硬度

中圖分類號(hào)：U467.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2021）03-0041-06

Analysis And Solution of Beat Vibration Of Passenger Car

Cooling Fan

Yang Peng1，2 ， LI Yun1，2 ， Chen Bing1，2 ， Zhang Zhi1，2 ， Zhong Chong-fa1，2

（1.China FAW Group Co.， Ltd， 130013; 2.State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and noise & Safety Control， 130011，China）

Abstract： Aiming at the phenomenon of “beat vibration” in the interior noise of passenger car when the air conditioner is turned on at idle speed. In this paper， the problem sound is analyzed according to the principle of beat formation. After determining the true cause of the problem， a noise index is established to evaluate the degree of the problem. Finally， on the basis of not changing the powertrain and body assembly， by improving the problem source and transmission path， average reduction of interior noise beat peak value by 5.4dB （a）， subjective evaluation results： 7 points. The beat vibration problem was solved. Effectively improve the vehicle NVH experience of idling on air conditioning condition. It plays a key role in solving the problem of interior noise beat caused by cooling fan.

Key Words： ?Cooling Fan; Flapping; Dynamic Balance; Hardness

楊 ? 鵬

畢業(yè)于北京理工大學(xué)，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院NVH研究所，任動(dòng)力單元冷卻系統(tǒng)NVH開發(fā)員，研究方向?yàn)檎嚴(yán)鋮s系統(tǒng)NVH。

1 ? ?前言

近年來隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷升級(jí)和發(fā)展，人均汽車消費(fèi)額也日益增長(zhǎng)，汽車逐漸由代步工具轉(zhuǎn)變成為居家必備。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，截至2020年6月底，全國汽車保有量達(dá)2.7億輛，同比去年漲幅約為8%;汽車駕駛?cè)?億人，同比去年漲幅約為5%。隨著汽車產(chǎn)品日益豐富，消費(fèi)者對(duì)于汽車性能，特別是NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能要求也越來越高，同時(shí)冷卻風(fēng)扇作為汽車?yán)鋮s系統(tǒng)最重要的組成部分之一，其NVH性能的提升工作也逐漸被各大主機(jī)廠以及零部件廠商提上日程，因此在產(chǎn)品開發(fā)過程中，如何快速而高效地解決由于冷卻風(fēng)扇引起的車輛NVH性能問題迫在眉睫。

2 ? ?冷卻風(fēng)扇作用及拍振現(xiàn)象描述

在乘用車?yán)鋮s系統(tǒng)中，冷卻風(fēng)扇是重要的組成零件之一，其主要作用是降低發(fā)動(dòng)機(jī)水冷系統(tǒng)中冷卻液的溫度，使動(dòng)力總成在適宜的溫度范圍內(nèi)工作。同時(shí)，它還能降低空調(diào)系統(tǒng)增壓后冷媒的溫度，從而使空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行，保證車輛制冷效果。

在車輛原地怠速時(shí)，空調(diào)開啟，由于冷媒有降溫需求，故冷卻風(fēng)扇工作。此時(shí)車內(nèi)駕駛員位置會(huì)聽到時(shí)大時(shí)小的“嗯嗯”聲，同時(shí)方向盤上也能感受到時(shí)大時(shí)小且有節(jié)奏性的振動(dòng)，這種現(xiàn)象在專業(yè)術(shù)語中就叫做“拍振”[7]。

整車怠速開空調(diào)工況存在的拍振現(xiàn)象，不但嚴(yán)重影響駕駛員在車輛使用過程中的主觀感受，而且長(zhǎng)期處于這種節(jié)拍低頻的聲音環(huán)境中，駕駛員會(huì)感到身體不適，特別是炎熱季節(jié)，嚴(yán)重者還會(huì)出現(xiàn)頭暈嘔吐等癥狀。

3 ? ?拍振現(xiàn)象測(cè)試及評(píng)價(jià)

拍振現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，對(duì)車內(nèi)噪聲及方向盤振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)位置為駕駛員內(nèi)耳側(cè)，傳聲器安裝位置參考GB/T18697，如圖1所示：

方向盤振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置為方向盤12點(diǎn)位置處，坐標(biāo)系定義：方向盤12點(diǎn)到6點(diǎn)方向?yàn)閄方向，方向盤平面從左到右方向?yàn)閅方向，垂直于方向盤向上為Z方向，如圖2所示。

車內(nèi)噪聲和振動(dòng)傳感器測(cè)試信號(hào)如圖3和圖4所示：

從圖3和圖4中可以明顯看出，拍振現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，駕駛員內(nèi)耳聲壓和方向盤振動(dòng)加速度隨時(shí)間忽大忽小且有規(guī)律，此種現(xiàn)象即為拍振。

主觀評(píng)價(jià)方面，聲音有節(jié)奏忽大忽小，且伴隨有明顯的低頻聲成分，所以主觀評(píng)價(jià)分為5分，不可接受。主觀評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)表見表1：

4 ? ?拍振形成原理分析

根據(jù)拍振現(xiàn)象“時(shí)大時(shí)小”的特性和乘用車實(shí)際結(jié)構(gòu)分析，推斷出其產(chǎn)生原因主要有兩種：

1）頻率接近的兩個(gè)聲音信號(hào)疊加。

2）聲音信號(hào)振幅雙邊調(diào)制。

4.1 ? 頻率接近信號(hào)疊加

根據(jù)聲學(xué)信號(hào)公式可得：

式中Signal1為信號(hào)1;Signal2為信號(hào)2;Signal3為疊加后信號(hào);A1、f1為信號(hào)1的幅值和頻率;A2、f2為信號(hào)2的幅值和頻率。且f1=35Hz，f2=40Hz。疊加過程圖5所示：

從圖5可以看出，兩頻率接近信號(hào)疊加，其合成信號(hào)具有拍振特征，合成信號(hào)經(jīng)過傅里葉變換后，圖像有兩個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)信號(hào)1和信號(hào)2的頻率f1和f2，合成信號(hào)經(jīng)過包絡(luò)檢波處理，其包絡(luò)圖像存在周期性的不可導(dǎo)點(diǎn)。

與此同時(shí)，只改變信號(hào)2幅值，再次進(jìn)行合成，結(jié)果如圖6所示：

從圖6可以看出，在兩疊加信號(hào)頻率不變的情況下，降低其中一個(gè)信號(hào)的幅值，合成信號(hào)的包絡(luò)會(huì)趨于平緩，拍振現(xiàn)象也會(huì)明顯減弱。

4.2 ? 信號(hào)振幅雙邊調(diào)制

同樣，根據(jù)聲學(xué)信號(hào)公式可得：

式中fm為調(diào)制頻率;fc為載波頻率;Am為調(diào)制振幅，Ac為載波振幅。且fc=100Hz，fm=5Hz。疊加過程如圖7：

從圖7可以看出，信號(hào)振幅經(jīng)過雙邊調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)也同樣具有拍振特征，合成信號(hào)經(jīng)過傅里葉變換后，圖像會(huì)呈現(xiàn)出三個(gè)峰值，峰值頻率分別對(duì)應(yīng)原疊加信號(hào)的fc、fc+fm和fc-fm，合成信號(hào)經(jīng)過包絡(luò)檢波后，其包絡(luò)圖像連續(xù)且可導(dǎo)，不存在周期性不可導(dǎo)點(diǎn)。

綜上，由于疊加的原理不同，即使合成信號(hào)都具有拍振特征，但經(jīng)過處理之后，其表現(xiàn)出的特性是不同的。

5 ? ?心理聲學(xué)參數(shù)—抖動(dòng)度

在人類聽覺頻率20Hz-20000Hz的范圍內(nèi)，人耳對(duì)于不同頻率聲音的識(shí)別是具有選擇性的。在心理聲學(xué)中，采用特征頻帶和Bark尺度來表征人耳的這種頻率選擇特性。

特征頻帶又叫臨界頻帶，其詳細(xì)的定義為：當(dāng)某一頻率的純音被噪聲掩蔽時(shí)，以該頻率為中心，噪聲總功率起掩蔽作用的頻帶寬度稱為臨界頻帶，詳見表2：

為了能夠有效的描述聲音拍振現(xiàn)象的嚴(yán)重程度，我們引入了一個(gè)可用于表征拍振程度的心理聲學(xué)參數(shù)——抖動(dòng)度。

抖動(dòng)度的計(jì)算公式如下：

式中：f mod為調(diào)制信號(hào)頻率，DL為聲信號(hào)的變化量，Bark為心理聲學(xué)頻率帶，F(xiàn)為抖動(dòng)度，vacil為抖動(dòng)度單位。對(duì)于頻率為1kHz 的純音，如果其聲壓級(jí)為60dB，通過4Hz的頻率調(diào)制、幅值調(diào)制率為100% 后，那么其抖動(dòng)度為1vacil。

由抖動(dòng)度公式計(jì)算和單一變量原則可得，相互作用的兩個(gè)信號(hào)的頻率差f1-f2和幅值差A(yù)1-A2分別與合成信號(hào)抖動(dòng)度的關(guān)系如圖8、9所示：

從圖8和圖9可得：1）兩個(gè)信號(hào)頻率相差4Hz時(shí)合成信號(hào)抖動(dòng)度最大，波動(dòng)感覺最強(qiáng)烈。2）兩個(gè)信號(hào)的幅值相差越近，即兩個(gè)信號(hào)能量越接近，合成信號(hào)抖動(dòng)度也越大，波動(dòng)感覺越強(qiáng)烈。

綜上，根據(jù)拍振形成原理和抖動(dòng)度判斷依據(jù)，對(duì)問題拍振問題聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10、圖11所示：

由圖10、圖11可得，此次拍振問題噪聲經(jīng)過傅里葉變換后，存在兩個(gè)峰值;經(jīng)過包絡(luò)檢波，發(fā)現(xiàn)其圖像存在不可導(dǎo)點(diǎn)，分析結(jié)果與原因1合成信號(hào)特征吻合。因此確定拍振發(fā)生原因系兩個(gè)頻率相當(dāng)?shù)穆曇舣B加所致。

為了確定疊加信號(hào)的頻率，從而確定問題部件。我們又對(duì)拍振噪聲進(jìn)行了頻域分析[2]，分析結(jié)果圖12：

由圖12可得，車內(nèi)噪聲確實(shí)存在33.8Hz和35Hz 兩個(gè)相接近的頻率[1]。經(jīng)過問題工況車輛零件工作情況可得：

1）六缸發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速700r/min，主階次3階頻率為700÷60×3=35Hz

2）怠速風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2030r/min，風(fēng)扇1階頻率為2030÷60=33.8Hz

由此可得，拍振噪聲聲源為發(fā)動(dòng)機(jī)和冷卻風(fēng)扇兩個(gè)部件，故拍振問題的真因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)主階次振動(dòng)（頻率為35Hz）和風(fēng)扇一階振動(dòng)（頻率范圍為30-45Hz）頻率接近，經(jīng)過車身等傳遞路徑的傳遞到車內(nèi)形成頻率接近的聲音，經(jīng)過疊加形成了拍振噪聲，低頻噪聲幅值也相應(yīng)增大，導(dǎo)致了壓耳聲，令人難以接受。

6 ? ?優(yōu)化措施制定

明確拍振噪聲問題真因之后，從冷卻風(fēng)扇本體和傳遞路徑兩個(gè)方面，制定出了三個(gè)整車優(yōu)化措施[3][4][5][6]：

1）降低散熱器下懸置硬度，優(yōu)化傳遞路徑隔振性能;

2）提高冷卻風(fēng)扇動(dòng)平衡控制要求，降低風(fēng)扇本體1階振動(dòng)幅值;

3）縮短風(fēng)扇與散熱器框架接觸面積，減少振動(dòng)傳遞。詳情如下表所示：

7 ? ?優(yōu)化措施效果驗(yàn)證

根據(jù)以上優(yōu)化措施，整車車內(nèi)拍振噪聲的優(yōu)化驗(yàn)證結(jié)果如下：

7.1 ? 優(yōu)化措施1試驗(yàn)結(jié)果

如圖13所示，在風(fēng)扇全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，降低散熱器下懸置硬度對(duì)拍振噪聲幅值均有很大改善，其中最大降幅約為4dB（A），說明加強(qiáng)風(fēng)扇振動(dòng)在散熱器下懸置處的振動(dòng)衰減，可以非常有效的改善車內(nèi)拍振噪聲問題。

7.2 ? 優(yōu)化措施2試驗(yàn)結(jié)果

如圖14、15所示，提高了風(fēng)扇扇葉動(dòng)平衡要求，拍振噪聲有明顯改善，同時(shí)噪聲抖動(dòng)度也有明顯降低。說明優(yōu)化源頭振動(dòng)也可以明顯降低車內(nèi)噪聲拍振現(xiàn)象的嚴(yán)重程度。

7.3 ? 優(yōu)化措施1+2+3試驗(yàn)結(jié)果

由圖16、17可得，三個(gè)措施全部體現(xiàn)后，車內(nèi)噪聲拍振峰值平均降低了5.4dB（A），最大降幅9.2 dB（A），抖動(dòng)度最大值由之前的0.023vacil下降到0.016vacil。

主觀評(píng)價(jià)維度，由之前的5分提升至7分，且拍振現(xiàn)象消失。駕駛員外耳噪聲和方向盤接觸振動(dòng)的節(jié)拍抖動(dòng)的現(xiàn)象消失，聲品質(zhì)變好，車內(nèi)轟鳴聲也有所降低。至此，整車怠速開空調(diào)工況車內(nèi)噪聲拍振問題得以最終解決。

8 ? ?結(jié)論

本文通過降低風(fēng)扇本體的1階振動(dòng)和優(yōu)化散熱器懸置隔振性能，車內(nèi)噪聲抖動(dòng)度降低了50%，同時(shí)建立了拍振噪聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，車內(nèi)噪聲拍振峰值平均降低5.4dB（A），主觀評(píng)價(jià)結(jié)果7分，從而解決了拍振問題。

對(duì)于風(fēng)扇運(yùn)行頻率相近問題，在開發(fā)前期要充分考慮各零部件工作頻率和工作關(guān)系，結(jié)合實(shí)際工況，提前規(guī)避拍振風(fēng)險(xiǎn)，這樣可以在整車開發(fā)后期有效避免拍振問題的發(fā)生，同時(shí)也能節(jié)約開發(fā)成本，提高整車NVH品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]龍祖榮，譚明香，萬濤，et al. 乘用車?yán)鋮s風(fēng)扇流量與噪聲研究[J]. 汽車零部件，2019（5）.

[2]段傳學(xué)，王文龍. 模擬和試驗(yàn)結(jié)合降低汽車?yán)鋮s風(fēng)扇的噪聲[C]// 2018中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì). 0.

[3]黃繼剛，李琳，李娜. 低噪聲發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2018（9）：205-208.

[4]李盛福，王欣欣. 汽車?yán)鋮s風(fēng)扇葉片參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2019（7）：48-52.

[5]劉傳波，張若楠，段茂，et al. 汽車進(jìn)氣格柵角度與冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的匹配研究[J]. 汽車工程，2019， 41（04）：32-38+69.

[6]王龍. DF7C型內(nèi)燃機(jī)冷卻風(fēng)扇故障判斷與解決[J]. 山西建筑， 2019，45（03）：221-223.

[7]Gao Y L， Jing-Jing X U， Cai X R， et al. Impact of Engine Cooling Fan on Vehicle Interior NVH[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2015.