发动机冷却风扇结构噪声的分析

代素珍

(长江职业学院，湖北 武汉 430074)

随着生活品质的提高，人们对汽车噪声的要求也越来越高，当空调开启后，发动机冷却风扇高速运转所产生的振动噪声也越来越引起众多汽车用户的关注。众所周知，空调冷却前端模块一般由发动机冷却风扇(风扇、护风圈)、冷凝器、散热器、中冷器、隔振橡胶等组成。

一、发动机冷却风扇噪声产生原因

从噪声传递路径来看，整车发动机冷却风扇噪声主要可以分成3类，诸如冷却风扇车外噪声、冷却风扇车内空气噪声和冷却风扇结构噪声。不难发现，冷却风扇工作时，扇叶和空气摩擦产生的噪声，通过空气传播到车外的噪声，称为冷却风扇车外噪声。此外，通过空气传播，经过发动机防火墙和前风档玻璃，传递到车内的噪声则被称谓冷却风扇车内空气噪声。另一方面，风扇电机和扇叶工作时产生的振动，经过前端模块隔振垫后，传递到车身的振动引起车身钣金振动产生的辐射噪声为冷却风扇结构噪声。

(一)风扇静不平衡和动不平衡

发动机冷却风扇静不平衡和动不平衡主要表现在以下三个方面：扇叶不平衡、安装不平衡、气流产生的不平衡。当转动惯量旋转轴偏离或者与旋转轴心平行时产生静不平衡，叶片的非均布布置和叶片质量密度的非均匀性都将产生静不平衡。当转动惯量旋转轴与旋转轴心相交时，两个相对不平衡质量的质心转动时的离心力将产生一个力偶，这种情况叫做力偶不平衡也叫动不平衡，它只有在旋转时才发生。不平衡质量的大小和两个质心的距离，决定了动不平衡量的大小。

如果电机的轴心和风扇的轴心偏移，但和风扇轴心平行，这种情况只产生H1不平衡噪音, 通常是由于安装问题和对中处理造成的；如果电机的轴心和风扇的轴心不平行，这种情况产生H1和H2的不平衡噪音，通常由于安装或平面度引起的。

气流产生的不平衡[1]是当叶片旋转的时候，叶片会产生一个压差，压差作用在叶片表面上产生一个作用力，这个作用力会导致叶片变形，压差的大小(Pa)叶片的面积()和叶片的刚度(N/mm)决定了叶片变形的大小。如果叶片的载荷分布均匀，产生与旋转方向垂直的固定变形，这种情况只产生H1不平衡噪音；如果载荷的分布是非均匀的，叶片的底部和顶部变形将不一致，这种情况将产生H1和H2不平衡噪音。

(二)风扇的激振力

由于风扇的不平衡，风扇在工作中将不可避免地对车身产生激振力。假设一个叶片均布的5叶片风扇，在理想状态下，每个叶片都相同，每个叶片质心都在同一个圆周半径上，这5个叶片合成的质心与旋转轴心完全重合。那么该风扇产生的激振力将在风扇内部完全抵消，风扇不对护风圈和车身产生激励作用。实际上，由于设计和生产工艺等原因造成的叶片质量密度分布不均匀，叶片的质心不在同一个圆周半径上，详见图1所示。

图1 风扇叶片质心

假设这5个叶片合成的质心与旋转轴心平行，且有偏置r=2mm,不平衡质量m=20g,扇叶的转速N=2500tr/min:

依据激振力公式[2]

F=m*r*ω2(1)

公式中F为激振力;m是不平衡质量(g)；r表示不平衡质量的质心到旋转轴的距离(mm)；ω则是角速度(rad/s)。则：

F=0.02×0.002×68295

F=2.7 N

该风扇在2500tr/min工作条件下，产生了2.7N的激振力。

(三)冷却风扇结构噪声

据式：风扇结构噪声=F×FRF，期中F为风扇激振力(N)， FRF是声-振传递函数(风扇固定点到车内)dB/N。因此，风扇不平衡量越大，工作转速越高，激振力就越大，前端模块隔振橡胶隔振性能越差，传递到车身的激振力就越大，风扇结构噪声就越大。同一前端冷却模块，声-振传递函数越大，风扇的结构噪声就越大。

二、案例分析

(一)问题描述

某车型项目阶段用户抱怨：车辆怠速，开空调后，车内有周期性的低频嗡嗡声和振动，认为噪声难以接受，希望企业立即改进。在发动机怠速，空调开(风扇2100tr/min)和发动机关(风扇2100tr/min)的工况下，进行噪声测量，频谱分析结果见图2。

图2 频谱分析结果

连接外接电源调节发动机冷却风扇转速从2100tr/min～2600tr/min，评价发动机怠速工况车内振动噪声，评价结果见表1。

表1 主观评价结果

初步分析结果表明，发动机怠速，车内低频嗡嗡声随着冷却风扇转速升高，即低频声与风扇转速正相关；车辆怠速开空调后, 冷却风扇工作转速为2100tr/min, 其H1噪声(35Hz)和发动机H2噪声(28Hz)发生调制，产生周期性波动的低频嗡嗡声，由此可见，用户抱怨的实质是冷却风扇结构噪声。

(二)原因分析

分析整车冷却风扇结构噪声，即分析风扇的激振力和整车传递函数。风扇激振力分析结果显示，在2600tr/min激振力达到5N，明显超出风扇单体激振力的目标限值(3N)。前端冷却模块隔振性能分析结果则表明，KD和国产橡胶隔振垫，隔振性能没有明显差异。车身声-振传递函数测量，由于车身的结构已经固化，更改实施困难，故暂不分析。根据以上分析结果，可确定优先降低冷却风扇激振力的行动方向。

通过评价3辆整车冷却风扇噪声，分别在7月8日和7月16日，在风扇平衡台架上，对冷却风扇的静不平衡量的进行仔细测量，具体主观评价和静不平衡量测量结果如表2所示。

表2 风扇不平衡量和噪声主观评价结果

根据噪声主观评价的标准，9-10分为优秀，8分为良好，7分为可以接受，但需长期改进，6分为可以投放市场，但需立即改进，6分以下为不可接受，不能投放市场。

从表2中结果中，可以得出3个结论，一是样件1和样件2风扇静不平衡复测结果超出目标值30g.mm；二是同一风扇静不平衡两次复测值差异很大； 三是整车噪声表现和风扇静不平衡测量值相关性不好。如何保证风扇静不平衡测量结果的一致性和降低风扇静不平衡值，是降低风扇激振力的重要方向。

(三)解决方案

1.风扇平衡工艺

通过调查发现风扇生产过程中有以下两种平衡工艺，风扇+电机平衡工艺与风扇+电机+护风圈平衡工艺。6个测试样件按照两种不同的风扇平衡工艺进行测量，动不平衡和静不平衡测量结果见图3所示。

图3 不平衡量测量结果

从图3中可以看出，风扇+电机平衡工艺和风扇+电机+护风圈平衡工艺相比，不平衡测量值偏大,动不平衡测量值差异大于200g.mm^2,静不平衡测量值差异大于25g.mm。对6个样件进行风扇激振力测量，测量结果如图4显示。

图4 风扇激振力测量结果

从图4中可发现，除了1800tr/min外，样件70样件77，基本满足目标曲线的要求，样件41、样件75、样件87、样件18都明显超出目标曲线。风扇激振力数据分布符合风扇+电机+护风圈平衡工艺不平衡量测结果，也不符合风扇+电机平衡工艺不平衡量测结果。基于测量结果，更改风扇+电机平衡工艺，实施风扇+电机+护风圈平衡工艺，可确保风扇不平衡值的一致性和准确性。

2.风扇的生产工艺

对冷却风扇生产和装配过程进行检查发现，由于风扇的模具存在轻微的磨损，为增加不平衡量限值检测的通过率，在扇叶平衡工艺之前，增加一个扇叶整形工艺。扇叶通过不平衡量检测后，扇叶的应力会在其后的半个月内逐渐释放，于是造成扇叶的应力变形，从而改进不平衡量的检测结果，这就是冷却风扇不平衡复测差异大的主要原因。为此，取消风扇叶片整形工艺，可保证风扇在不同时间不平衡量测量值的一致性。

3.风扇不平衡量限值

风扇不平衡量限值越小，风扇的激振力就越小，风扇的生产成本就越高。根据风扇激振力测量结果和风扇生产工艺的能力进行平衡，研究对风扇不平衡量确定了新的限值：动不平衡量为500g.mm^2,静不平衡量为25g.mm。实施以上方案后，整车测量结果详见图5所示。在35Hz，风扇结构噪声从48dB降低到24dB,主观评价车内没有周期性的低频嗡嗡声，非常满意。

图5 风扇结构噪声

三、结语

研究结果证明，减小冷却风扇激振力是降低风扇结构噪声的有效方法。冷却风扇激振力是风扇的设计、装配和生产工艺共同作用的结果，冷却风扇激振力和风扇不平衡值具有较好的相关性。所以，控制冷却风扇的不平衡是保证降低冷却风扇的结构噪声的重要手段。总之，汽车生产企业应注重在生产工艺中，有效控制冷却风扇的不平衡现象，提升汽车用户对产品的满意度。