双风扇拍振对车内噪声的影响分析

雷冰芬

Lei Bingfen

（东风汽车股份有限公司商品研发院，湖北 武汉 430057）

0 引 言

随着道路条件的改变和人们生活水平的提高，人们对乘坐舒适性的要求越来越高，冷却风扇是汽车冷却系统重要的组成元件，除保证发动机的冷却性能外，冷却风扇以一定的转速高速运转时势必引起振动和噪声的问题，严重时影响乘员的乘坐舒适性。

以某款车型车内出现节奏性轰鸣声为例，采用 NVH理论知识与实车测试相结合的方式对冷却系统各元件进行分析，在总结测试数据的基础上对双风扇特性及其减振结构进行详细研究，重点从拍振和减振的机理着手，通过优化风扇转速消除拍振、调整动不平衡量、改变减振元件的结构和参数解决出现的问题，并降低了车内噪声。

1 故障分析

1.1 主观评判

该款乘用车搭载排量 2.0 L、怠速 750±50 r/min的汽油发动机，空调压缩机开启后发动机怠速提高到900 r/min。冷却系统在空间布置上采用吹风式电子双风扇，风扇为两挡控制，高低速分别设计为2100 r/min、2850 r/min，转速偏差控制在±10%范围内。在商品性评价中发现该车怠速时电子风扇运转后，车内出现大的轰鸣声并伴有明显的节奏感。为进一步确认风扇的具体影响因素，按表1所示进行故障主观排查。

表1 故障排查

由表1可知：在双电子风扇同时开始运转后，出现振动噪声大，节奏感强，使人体无法接受的情况，说明该故障与电子风扇的运转密切相关，受发动机和空调压缩机工作影响不大。

1.2 实车测试分析

根据主观判断可知，风扇转速在车内振动及噪声中起主导作用，所以在实车上根据前文所述工况进行振动测试，主要采集风扇转速变化和驾驶员座椅导轨的 3向振动加速度信号，进一步确认造成该噪声问题的主要原因。

1.2.1 两风扇同时运转工况分析

发动机怠速，开启空调压缩机，采用激光转速仪监测双电子风扇实际转速分别为 2197±10 r/min，2154±14 r/min，在此基础上采集驾驶员座椅导轨上的振动加速度信号，并对测试结果进行频谱分析，如图1所示。

当两风扇同时开启后，在振动信号频谱图上出现3个振动峰值，其频率分别为25 Hz、30 Hz、35～37 Hz。25 Hz为发动机在怠速750r/min时的二阶点火频率，30 Hz为压缩机开启后发动机怠速900 r/min时的点火频率，35～37 Hz之间的2个峰值在风扇的一阶转动频率35 Hz附近。风扇转频的实测数据与理论存在差异，主要是由于实际输入电压波动导致双风扇理论设计转速2100 r/min与实际转速2197±10 r/min，2154±14 r/min之间的偏差引起。由此可知引起车内振动的 2个振源为发动机和电子风扇，需要进一步确定带来节奏性轰鸣声的确切振源。

关闭发动机及压缩机，继续使两风扇同时运转，监测转速分别在2050～2063 r/min、2011～2024 r/min范围内，此时出现有“节拍”的周期性振动信号，“节拍”周期约为1.74 s，即频率约为0.57 Hz，如图2所示，此节拍与主观评价时感受一致。

1.2.2 单一风扇运转工况

关闭发动机与空调压缩机，单独运转任意一侧电子风扇，采集风扇转速信号及驾驶员座椅导轨振动信号，从图3可以看出不存在“节拍”现象。

1.3 分析结果

根据专业人员的主观评价，结合实车测试结果可知，无论发动机和压缩机是否工作，只要双电子风扇启动，故障现象即刻出现，且在测试中单独运行任意一侧风扇都不会出现“节拍”现象，由此可以判断车内节奏性轰鸣声与双风扇同时运转直接相关，而电子风扇转速设定是造成“节拍”的主要原因。另外由于白车身在37～40 Hz存在一阶扭转和绕 Z向的弯曲模态，双风扇工作时产生的转频易与车身模态重合，产生共振，进而引起车内轰鸣。

2 振动原因解析及优化

2.1 拍振定义及原理

结构振动时，有时会产生“节拍”现象，当2个振动幅值近似、频率相差很少的简谐波形叠加在一起时，其合成波形的振幅将随时间作周期性缓慢变化，形成时强时弱的信号，这种现象称之为“拍振”。

拍振产生的原理[1]：当一质点同时参与2个同相位ω、不同频率ω1、ω2，振幅为 A1、A2的简谐运动，则在t时刻2个振动信号分别为

当 2振幅近似相同 A1=A2=A，频率相差很小ω1≈ω2时，合成波形为

产生的振动信号如图4所示，这样时强时弱的信号即为“节拍”，由此形成的振动称之为“拍振”。

2.2 风扇优化

根据上述大量试验和理论分析可以确定风扇转速的设计是造成该故障的主要原因，另外，系统的减振元件设计不良，也会造成振动传递，影响舒适性。由于车身的固有模态无法改变，所以主要从调整风扇及其相关零件参数来进行优化。

2.2.1 转速调整

因系统采用叶片形状、直径、叶片数、驱动电机相同的双风扇，且两风扇转速均为2100 r/min。为了节省开发费用和缩短周期，并考虑对冷却性能的影响，在一侧风扇控制线路中增加电阻将转速调整到 1700 r/min，并将风扇的转速偏差[2]控制在40～60 r/min范围内，此时两风扇的转频设计在35 Hz、28.3 Hz，避免了“拍振”的产生。

2.2.2 动平衡控制

根据电子风扇的设计要求，风扇的动不平衡量需控制在35 g·mm以下，通过调整风扇叶片上的平衡块，双风扇的动不平衡量分别为 13.5 g·mm、28.9 g·mm时，在整车上可以达到最佳的使用状态。

2.2.3 减振元件改进

双风扇在原设计中采用上下 4点固定，上面两处支架与车身相连，下面柱状结构通过减震垫落在水箱横梁上，主要通过实施增加加强筋连接支架、在支架安装孔处设计弹性垫、将下减振垫的邵氏硬度从 75（A）降到 55（A）等措施，使车内轰鸣声得到明显的改善。

3 结束语

汽车冷却电子风扇是影响整车 NVH性能的重要因素之一，其固有频率设计在较低的转速，当风扇启动后会迅速达到这一频率转速，所以高速时出现大的振动，多数原因是转速设计不合理、动平衡状态欠佳、隔振或减振元件设计不良等。通过大量的理论和试验分析，解析风扇引起整车振动的原因可从以下方面考虑。

1）检查风扇的激励频率是否与车身、转向盘等部件固有频率相耦合；

2）双风扇驱动动力源、叶片形状、结构、转速尽可能做到差异设计，应避免产生“拍振”现象；

3）检测风扇动平衡，改变平衡块调整动平衡到最佳状态；

4）减振或隔振元件的刚度、模态做合理匹配，使其达到应有的效果。

[1]师汉民.机械振动系统（上）[M].武汉：华中科技大学出版社，2004.