乘用车冷却风扇拍振问题分析与解决

杨鹏 李允 陈兵 张智 仲崇发

摘  要：针对乘用车怠速开空调工况产生的车内噪声“拍振”现象，本文根据拍振形成原理对问题声音进行分析，确定问题真因后，又建立了评价拍振问题程度的噪声指标，最后在不改变动力总成和车身总成的基础上，通过改善问题源和传递路径等手段，车内噪声拍振峰值平均降低5.4dB（A），主观评价结果7分，拍振问题得以解决，有效提升了怠速开空调工况的整车NVH体验，对由冷却风扇引起的车内噪声“拍振”问题的解决起到了关键性的作用。

关键词：冷却风扇;拍振;动平衡;硬度

中图分类号：U467.3    文献标识码：A    文章编号：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

杨   鹏

毕业于北京理工大学，学士学位，现就职于中国第一汽车股份有限公司研发总院NVH研究所，任动力单元冷却系统NVH开发员，研究方向为整车冷却系统NVH。

1    前言

近年来随着汽车产业的不断升级和发展，人均汽车消费额也日益增长，汽车逐渐由代步工具转变成为居家必备。据资料统计，截至2020年6月底，全国汽车保有量达2.7亿辆，同比去年涨幅约为8%;汽车驾驶人4亿人，同比去年涨幅约为5%。随着汽车产品日益丰富，消费者对于汽车性能，特别是NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能要求也越来越高，同时冷却风扇作为汽车冷却系统最重要的组成部分之一，其NVH性能的提升工作也逐渐被各大主机厂以及零部件厂商提上日程，因此在产品开发过程中，如何快速而高效地解决由于冷却风扇引起的车辆NVH性能问题迫在眉睫。

2    冷却风扇作用及拍振现象描述

在乘用车冷却系统中，冷却风扇是重要的组成零件之一，其主要作用是降低发动机水冷系统中冷却液的温度，使动力总成在适宜的温度范围内工作。同时，它还能降低空调系统增压后冷媒的温度，从而使空调系统正常运行，保证车辆制冷效果。

在车辆原地怠速時，空调开启，由于冷媒有降温需求，故冷却风扇工作。此时车内驾驶员位置会听到时大时小的“嗯嗯”声，同时方向盘上也能感受到时大时小且有节奏性的振动，这种现象在专业术语中就叫做“拍振”[7]。

整车怠速开空调工况存在的拍振现象，不但严重影响驾驶员在车辆使用过程中的主观感受，而且长期处于这种节拍低频的声音环境中，驾驶员会感到身体不适，特别是炎热季节，严重者还会出现头晕呕吐等症状。

3    拍振现象测试及评价

拍振现象发生时，对车内噪声及方向盘振动进行了测试，车内噪声测点位置为驾驶员内耳侧，传声器安装位置参考GB/T18697，如图1所示：

方向盘振动测点位置为方向盘12点位置处，坐标系定义：方向盘12点到6点方向为X方向，方向盘平面从左到右方向为Y方向，垂直于方向盘向上为Z方向，如图2所示。

车内噪声和振动传感器测试信号如图3和图4所示：

从图3和图4中可以明显看出，拍振现象发生时，驾驶员内耳声压和方向盘振动加速度随时间忽大忽小且有规律，此种现象即为拍振。

主观评价方面，声音有节奏忽大忽小，且伴随有明显的低频声成分，所以主观评价分为5分，不可接受。主观评价分数表见表1：

4    拍振形成原理分析

根据拍振现象“时大时小”的特性和乘用车实际结构分析，推断出其产生原因主要有两种：

1）频率接近的两个声音信号叠加。

2）声音信号振幅双边调制。

4.1   频率接近信号叠加

根据声学信号公式可得：

式中Signal1为信号1;Signal2为信号2;Signal3为叠加后信号;A1、f1为信号1的幅值和频率;A2、f2为信号2的幅值和频率。且f1=35Hz，f2=40Hz。叠加过程图5所示：

从图5可以看出，两频率接近信号叠加，其合成信号具有拍振特征，合成信号经过傅里叶变换后，图像有两个峰值，分别对应信号1和信号2的频率f1和f2，合成信号经过包络检波处理，其包络图像存在周期性的不可导点。

与此同时，只改变信号2幅值，再次进行合成，结果如图6所示：

从图6可以看出，在两叠加信号频率不变的情况下，降低其中一个信号的幅值，合成信号的包络会趋于平缓，拍振现象也会明显减弱。

4.2   信号振幅双边调制

同样，根据声学信号公式可得：

式中fm为调制频率;fc为载波频率;Am为调制振幅，Ac为载波振幅。且fc=100Hz，fm=5Hz。叠加过程如图7：

从图7可以看出，信号振幅经过双边调制，调制后的信号也同样具有拍振特征，合成信号经过傅里叶变换后，图像会呈现出三个峰值，峰值频率分别对应原叠加信号的fc、fc+fm和fc-fm，合成信号经过包络检波后，其包络图像连续且可导，不存在周期性不可导点。

综上，由于叠加的原理不同，即使合成信号都具有拍振特征，但经过处理之后，其表现出的特性是不同的。

5    心理声学参数—抖动度

在人类听觉频率20Hz-20000Hz的范围内，人耳对于不同频率声音的识别是具有选择性的。在心理声学中，采用特征频带和Bark尺度来表征人耳的这种频率选择特性。

特征频带又叫临界频带，其详细的定义为：当某一频率的纯音被噪声掩蔽时，以该频率为中心，噪声总功率起掩蔽作用的频带宽度称为临界频带，详见表2：

为了能够有效的描述声音拍振现象的严重程度，我们引入了一个可用于表征拍振程度的心理声学参数——抖动度。

抖动度的计算公式如下：

式中：f mod为调制信号频率，DL为声信号的变化量，Bark为心理声学频率带，F为抖动度，vacil为抖动度单位。对于频率为1kHz 的纯音，如果其声压级为60dB，通过4Hz的频率调制、幅值调制率为100% 后，那么其抖动度为1vacil。

由抖动度公式计算和单一变量原则可得，相互作用的两个信号的频率差f1-f2和幅值差A1-A2分别与合成信号抖动度的关系如图8、9所示：

从图8和图9可得：1）两个信号频率相差4Hz时合成信号抖动度最大，波动感觉最强烈。2）两个信号的幅值相差越近，即两个信号能量越接近，合成信号抖动度也越大，波动感觉越强烈。

综上，根据拍振形成原理和抖动度判断依据，对问题拍振问题声音数据进行分析，结果如图10、图11所示：

由图10、图11可得，此次拍振问题噪声经过傅里叶变换后，存在两个峰值;经过包络检波，发现其图像存在不可导点，分析结果与原因1合成信号特征吻合。因此确定拍振发生原因系两个频率相当的声音叠加所致。

為了确定叠加信号的频率，从而确定问题部件。我们又对拍振噪声进行了频域分析[2]，分析结果图12：

由图12可得，车内噪声确实存在33.8Hz和35Hz 两个相接近的频率[1]。经过问题工况车辆零件工作情况可得：

1）六缸发动机怠速转速700r/min，主阶次3阶频率为700÷60×3=35Hz

2）怠速风扇转速为2030r/min，风扇1阶频率为2030÷60=33.8Hz

由此可得，拍振噪声声源为发动机和冷却风扇两个部件，故拍振问题的真因为发动机主阶次振动（频率为35Hz）和风扇一阶振动（频率范围为30-45Hz）频率接近，经过车身等传递路径的传递到车内形成频率接近的声音，经过叠加形成了拍振噪声，低频噪声幅值也相应增大，导致了压耳声，令人难以接受。

6    优化措施制定

明确拍振噪声问题真因之后，从冷却风扇本体和传递路径两个方面，制定出了三个整车优化措施[3][4][5][6]：

1）降低散热器下悬置硬度，优化传递路径隔振性能;

2）提高冷却风扇动平衡控制要求，降低风扇本体1阶振动幅值;

3）缩短风扇与散热器框架接触面积，减少振动传递。详情如下表所示：

7    优化措施效果验证

根据以上优化措施，整车车内拍振噪声的优化验证结果如下：

7.1   优化措施1试验结果

如图13所示，在风扇全转速范围内，降低散热器下悬置硬度对拍振噪声幅值均有很大改善，其中最大降幅约为4dB（A），说明加强风扇振动在散热器下悬置处的振动衰减，可以非常有效的改善车内拍振噪声问题。

7.2   优化措施2试验结果

如图14、15所示，提高了风扇扇叶动平衡要求，拍振噪声有明显改善，同时噪声抖动度也有明显降低。说明优化源头振动也可以明显降低车内噪声拍振现象的严重程度。

7.3   优化措施1+2+3试验结果

由图16、17可得，三个措施全部体现后，车内噪声拍振峰值平均降低了5.4dB（A），最大降幅9.2 dB（A），抖动度最大值由之前的0.023vacil下降到0.016vacil。

主观评价维度，由之前的5分提升至7分，且拍振现象消失。驾驶员外耳噪声和方向盘接触振动的节拍抖动的现象消失，声品质变好，车内轰鸣声也有所降低。至此，整车怠速开空调工况车内噪声拍振问题得以最终解决。

8    结论

本文通过降低风扇本体的1阶振动和优化散热器悬置隔振性能，车内噪声抖动度降低了50%，同时建立了拍振噪声评价标准，车内噪声拍振峰值平均降低5.4dB（A），主观评价结果7分，从而解决了拍振问题。

对于风扇运行频率相近问题，在开发前期要充分考虑各零部件工作频率和工作关系，结合实际工况，提前规避拍振风险，这样可以在整车开发后期有效避免拍振问题的发生，同时也能节约开发成本，提高整车NVH品质。

参考文献：

[1]龙祖荣，谭明香，万涛，et al. 乘用车冷却风扇流量与噪声研究[J]. 汽车零部件，2019（5）.

[2]段传学，王文龙. 模拟和试验结合降低汽车冷却风扇的噪声[C]// 2018中国汽车工程学会年会. 0.

[3]黄继刚，李琳，李娜. 低噪声发动机冷却风扇结构改进设计[J]. 机械设计与制造，2018（9）：205-208.

[4]李盛福，王欣欣. 汽車冷却风扇叶片参数优化设计分析[J]. 机械设计与制造，2019（7）：48-52.

[5]刘传波，张若楠，段茂，et al. 汽车进气格栅角度与冷却风扇转速的匹配研究[J]. 汽车工程，2019， 41（04）：32-38+69.

[6]王龙. DF7C型内燃机冷却风扇故障判断与解决[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.