汽车散热器总成对NVH 的影响分析
[摘要]：散热器总成用于汽车上冷却部件散热，这些部件包括散热器，冷凝器，中冷器以及电子风扇等。散热器总成通过软垫安装于车身的最前端，电子风扇旋转过程中的不平衡力产生的振动激励传递到车内从而导致振动噪声问题。本文基于隔振理论讨论了散热器总成软垫的刚度设计要求，并基于传递率得到散热器总成软垫车身安装点的动刚度要求，同时研究了散热器的质量和软垫刚度组成的振动系统对整备车身一阶弯曲模态影响，最后探讨了散热器总成刚体模态及电子风扇激励频率对应的整车模态分布情况。关键词：散热器总成；电子风扇；整备车身；NVH；模态分布汽车在运行过程中，为使汽车动力总成能在所有工况下都保持在适当的温度范围内，并且满足空调系统的正常使用，需要对各系统的冷却液进行冷却。整车包括多个冷却系统：发动机通过散热器进行冷却；自动变速箱通过变速箱油冷器进行冷却；增压发动机的增压器通过中冷器进行冷却；空调系统通过散热器进行冷却等。不同配置的车型所包含的冷却部件不同，如非增压发动机就没有中冷器。这些冷却部件通常一起安装在汽车的最前端，通过电子风扇来加速冷却。所有的冷却部件及电子风扇组成一个总成，本文称之为散热器总成。汽车行驶过程中或冷却风扇开始工作时，空气从散热器周围高速流过以增强对冷却液的冷却。汽车散热器总成安装于汽车的前端，通过四个软垫安装于车身上。由于冷却的需求，电动车的散热器一般为双风扇（如图1 所示），汽油车的风扇一般为单风扇。电子风扇旋转过程中，存在不平衡力产生的振动激励，振动通过散热器软垫传递到车身，从而引起振动噪声及不舒适问题。本文首先讨论了散热器的激励，其次基于隔振理论讨论了散热器总成软垫的刚度设计要求，并基于传递率探讨散热器总成软垫车身安装点的动刚度设计要求，同时研究了散热器的质量和软垫刚度组成的振动系统对整备车身一阶弯曲模态影响，最后探讨了散热器总成刚体模态及电子风扇激励频率对应的整车模态分布情况。由于制造误差导致的叶片分布不均匀，叶轮孔和旋转轴在装配过程中存在的装配误差等因素，造成风扇的物理质心与转轴惯性中心不在同一轴上，便会造成风扇的旋转不平衡，转子不平衡造成偏心距，汽车电子风扇转动时，由于离心力的作用产生作用力到旋转轴而形成振动，且振动通过旋转轴传递的散热器总成，并通过散热器橡胶软垫传递到车身。式中：f 为风扇叶片质量不平衡时的振动频率，Hz；n 为叶轮工作时转速，r/min。风扇的激励力同风扇的不平衡量有关，不平衡量越大，风扇的激励越大，所以在前期控制时风扇的不平衡量越小越好，但是过小的不平衡量会影响到样件的合格率降低，并且导致成本提升，所以需要性能与成本平衡，将风扇的静不平衡量控制一个范围内，一般要求为低于15g ∙ mm。某电动车双风扇怠速空调开时运行转速分别为2310r/min 和2760r/min，对应风扇激励频率基频为38.3Hz 和46Hz，图2 为散热器软垫车身侧安装点的响应，从中可以看出，主要贡献峰值为散热器的基频，响应峰值较高，且频带较窄。隔振就是物体之间的振动传递关系，减少相互间所传递的振动量。隔振类型一版分为两类：第一类是隔力，通过弹性支撑来隔离振源传递到基础的力。第二类是隔幅，即通过弹性支撑减小基础传递到设备的振动幅值。电子风扇旋转产生的振动，通过弹性元件连接风扇和车身安装点，从而消减振动传递到车身上，达到减震降噪的目的，此为第一类隔力。图二中散热器总成质量为m，散热器软垫刚度和阻尼为k 和c，车身为基础。散热器系统隔力简化模型如图3 所示。所以对于单自由度系统而言，隔振系数的计算公式[1]如(2-3)所示。式中：ζ=c/c0；γ=ωj/ωn；η为隔振系数；ωj为激励频率；ωn为隔振系统的固有频率；c 为粘性阻尼系数；c0临界阻尼系数由公式得出振动传递率曲线如图4 所示，从曲线可以看出只有当频率比ω/ωn 大于√2时，才有隔振效果，且随着λ�增加，隔振效果也逐渐增大。根据上述要求，散热器刚体模态应ωn小于ωj/√2，计算散热器软垫的总刚度要求如下，k 为四个软垫的并联刚度之和。 
汽车散热器通过软垫连接于车身，散热器软垫及车身侧刚度和散热器连接支架刚度共同组成系统如图5 所示。散热器主动端支架、散热器软垫与车身被动端共同组成振动传递系统简化如图6 所示。以上振动传递系统，振动从主动端支架传递到隔振器，再传递到被动端支架，定义振动传递率T 是有隔振器时传到被动端的力fb1与无隔振器传到被动端的力fb2的比值，其计算公式为计算得到振动传递率T 和被动端支架刚度Kb，主动端支架刚度Ke以及散热器软垫刚度Kr的公式如下（一）当无隔振器Kr时，主被动端的加速度值应相同；（二）当Kb和Ke的刚度值是橡胶刚度Kr的5 倍时，有隔振器传递的力是无隔振器传递的力的0.29 倍，此时振动传递率为10.75dB，按此计算我们可以得到表1。从表1 中可看出，为了保证散热器软垫有足够的隔振率，应控制Ke/Kr 和Kb/Kr，也就是控制散热器软垫车身安装点的动刚度和散热器侧动刚度与散热器软件刚度的比值，可根据散热器激励情况，散热器安装点到车内的VTF 等因素综合考虑。二自由度无阻尼系统如图7 所示，m1和m2分别为二自由度系统的两个质量，连接刚度分别为k1，k2和k3，其特征值ω1和ω2的计算方程为公式（7）。式中：K11=K1+K2,K22=K2+K3,K12=K21=-K2影响在整备车身模型中，散热器和整备车身可简化为二自由度系统如图8，其中：散热器总成质量为m2，散热器总成与车身连接软垫的总刚度为k2，整备车身一阶弯曲模态的模态质量为m1，整备车身一阶弯曲模态的模态刚度为k1。其两阶模态频率分别f1和f2。散热器质量及散热器总成与车身连接软垫的刚度所组成的单自由度系统如图9 所示。散热器系统刚体模态f3为通过二自由度系统特征值公式（7）计算系统模态频率f1=ω1/2π，f2=ω2/2π。f1，f2和f3三阶模态频率随散热器软垫刚度k2的变化关系如图10 所示。从图10 中可以看出随着散热器软垫刚度的提升，整备车身和散热器总成系统的模态f1、f2不断变化。主要分为以下三个区：当散热器软垫刚度k2较低时，散热器对整备车身模态表现为刚度主要作用，散热器在整备车身安装时所表现的模态同散热器系统接地时Z 向刚体模态k3基本一致，此时，散热器刚体模态和整备车身一阶弯曲模态为解耦状态，散热器刚体模态对整备车身模态影响较低。当散热器软垫刚度逐渐增加，进入模态耦合区，在此区域，散热器刚体模态与整备车身一阶弯曲模态相互作用，相互影响，此时系统模态识别的两阶模态振型均表现为弯曲模态。在设计过程中，如果整备车身一阶弯曲模态无法避频，可采用模态耦合区控制，将散热器刚体模态视为动力吸振器，调整整备车身一阶弯曲模态。当散热器软垫刚度f2增加到一定程度时，散热器对整备车身模态表现为质量主要作用，此时，整备车身一阶弯曲模态识别公式（9），整备车身一阶弯曲模态由于散热器质量的影响而降低。从上述讨论可以看出，在项目初期设计过程中，根据分析的具体情况，通过调节k2将散热器刚体模态控制在合理的区域内。汽车各个系统是互相连接在一起的，相连接的系统的模态一定要分开，否则它们之间会发生模态耦合，当有激励存在时，会因为模态耦合导致响应放大。在设计过程中，散热器总成的刚体模态需和其他系统模态进行合理避频。同时，这些模态也要和汽车的各个激励频率分开，以避免共振。因此需要制定模态分布表。在整车开发过程中，整车模态频率分布表指导各个系统的设计，调节各个系统的关系，即其中一个系统的频率发生变化的时候，就必须根据这张表来调整与之相连的系统的模态频率。模态频率规划表与整车噪声与振动目标一起成为汽车噪声设计最重要的指南[2]。某车型散热器相关的模态分布表部分信息如图11 所示。制定模态分布表时，首先确定激励，散热器总成的激励频率为电子扇的一阶不平衡激励，如双风扇应同时考虑两个风扇的激励。在燃油车开发过程中应考虑怠速发火频率的激励，包括开空调和关空调状态，从而避免产生怠速共振问题。另外还需考虑轮胎不平衡激励以及其他旋转件的激励。当模态分布表中激励确定完成后，就需要考虑各个系统的模态及分布问题。和散热器总成系统相关的模态主要为散热器总成的刚体模态，整备车身一阶弯曲模态和转向系统模态。散热器刚体模态应避开怠速激励。一般散热器刚体模态和整备车身一阶弯曲模态所组成的两阶模态，应和怠速开空调和关空调发火频率避频3Hz。散热器激励频率一般为固定的频率，在模态分布时应和整备车身模态，转向系统模态及散热器软垫刚体模态和散热器激励频率避开，一般要求避频3Hz。如电子风扇为无级变速风扇时，设计时需要根据上述关键件的模态确定风扇无级变速的工作范围。通过散热器总成激励产生机理的讨论，散热总成的隔振、振动传递率及模态分布研究，得到以下结论：（一）为保证散热器系统的隔振要求，散热器刚体模态应低于散热器总成电子风扇激励频率的0.707，并以此得出散热器软垫的刚度范围。（二）为了保证散热器软垫有足够的隔振率，应同时控制散热器软垫车身安装点的动刚度和散热器侧动刚度与散热器衬套的比值，可根据散热器激励情况，散热器安装点到车内的VTF 等综合考虑确定动刚度的要求。（三）通过二自由度系统理论，研究散热器刚体模态对整备车身一阶弯曲模态的影响，在项目初期设计过程中，一般通过调节将散热器刚体模态控制刚度区；但是如有遇到整备车身一阶弯曲模态无法避频的时候，可以考虑控制在模态耦合区，将散热器刚体模态视为动力吸振器。模态应合理进行模态分布，散热器的激励频率、发动机怠速发火激励频率，散热器刚体模态，整备车身一阶弯曲模态及转向系统模态应该避频。作者：刘建娅1, 庄惠敏1, 刘禹1, 侯彬1, 张鹤娜1来源：2020 年第十七届汽车 NVH 控制技术国际研讨会论文集免责申明：本公 众 号所载文章为本公 众 号原创或根据网络搜索编辑整理，文章版权归原作者所有。因转载众多，无法找到真正来源，如标错来源，或对于文中所使用的图片，资料，下载链接中所包含的软件，资料等，如有侵权，请跟我们联系协商或删除，谢谢！
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首次发布时间：2023-04-18
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