乘用车冷却风扇拍振问题分析与解决
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。
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。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。在车辆原地怠速时，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””1。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。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,rFl8697，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。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：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：式qb Signal。为信号l；Signal2为信号2；Signal3为叠加后信号；A，、f1为信号1的幅值和频率；A：、f，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。式中fm为调制频率；C为载波频率；A。为调制振幅，A，为载波振幅。且fc=100Hz，f,=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￡、fo+fo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。在人类听觉频率20Hz一20000Hz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。式中：fmod为调制信号频率，址为声信号的变化量，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lkHz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lvacil。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fl—f2和幅值差A，一A：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。为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。1，分析结果图12：由图12可得，车内噪声确蝣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=35Hz2)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。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：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：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：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。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。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0．023vaeil下降No．016vaeil。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。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。作者：杨鹏1‘2，李允“2，陈兵1‘2，张智“2，仲崇发“2作者单位：(1．中国第一汽车股份有限公司研发总院，长春130013；2．汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春13001 1)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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