某重卡发动机风扇噪音分析及降噪方法

李云趣 李鹏山 李鹏

摘 要：发动机冷却风扇在高速运转时产生的噪音是车辆噪音的主要激励源，文章研究了发动机冷却风扇噪音的产生机理以及计算方法，并对现有重型卡车风扇控制方式进行了对比，在处理重卡车辆噪音较大问题时，通过更换发动机风扇控制方案的办法，有效降低车辆噪音等级。

关键词：重卡;噪音;发动机冷却风扇;发动机风扇控制

中图分类号：U464  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）21-54-03

Abstract： The noise produced by Engine drive Fan in high-speed operation is the main excitation source of vehicle noise， generation principle and calculation method of engine drive Fan noise for heavy truck are studied in this papers， control methods of engine drive Fan for heavy truck are compared， When dealing with the problem of truck noise， method of changing the control scheme of engine drive fan， and solved the clients problems.

Keywords： Heavy duty truck; Noise; Engine cooling fan; Engine drive fan control

CLC NO.： U464  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）21-54-03

引言

在中国重卡市场潮流的推动下，用户对重卡发动机马力需求不断增大，因此发动机对于冷却系统的冷却能力需求也不断提升，增加发动机冷却风扇的直径、提高风扇转速能够提升冷却系统的冷却能力，也增大了车辆的噪音等级，发动机冷却风扇在高速运转的情况下，其产生的风噪是整车噪音主要激励源，研究并降低發动机冷却风扇噪音，对于整车NVH噪音控制具有实际意义。

在车辆产品开发过程中，采用整车NVH噪音实验找到主要噪音激励源，分析噪音源产生原因，并提出更换发动机冷却风扇控制系统的方案，最终解决了整车噪音问题。为后续车辆噪音优化设计提供一定的借鉴。

1 发动机风扇噪音产生机理及计算方法

发动机冷却风扇在工作过程中通常会产生两种噪音，第一种为风扇旋转过程中叶片切割、拍击空气，使空气的体积或者密度变化从而产生的噪音;第二种为风扇带动空气流动过程中气流撞击、摩擦发动机周边件及空气湍流之间互相作用产生的噪音。本文发动机冷却风扇发出的噪音计算公式主要参考Ffowcs-Willianms&Hawkings波动方程式。

风扇作用于空气的声功率计算公式如下：

其中k为噪音系数通过实验结果得出，ρ为气体密度，c为音速，L为叶片尺度，μ气流速度;

假设叶片压力与空气阻力达到平衡，则风扇带动气流速度计算公式如下：

其中A为初始空气流动速度，k为风扇导流系数，S为叶片在轴向上平均投影尺寸，Z为风扇叶片数量，n为风扇转速;

空气气流作用于刚体的声功率计算公式如下：

空气湍流之间作用的声功率计算公式如下：

通过公式计算，推导出下列方法可以降低发动机冷却风扇噪音：①减少风扇叶片数量;②圆整风扇叶片尖角;③平缓叶片扭转角度;④减小风扇直径;⑤风扇叶片外沿环形封闭;⑥降低风扇转速。其中控制风扇转速来降低风扇噪音是本文主要采用的车辆降噪措施。

2 重卡冷却风扇转速控制方案对比

现有重卡发动机冷却风扇选型在综合散热能力、功率消耗、噪音等因素后，主要采用下列四种发动机冷却风扇控制方案：

（1）直连风扇：风扇与发动机通过皮带轮连接，风扇转速与发动机转速保持同步。

优点：风扇转速提升均匀，散热能力强，噪音线性提升。

缺点：风扇能耗高，费油。

（2）电磁离合器风扇：风扇与发动机之间通过电磁离合器连接，发动机通过ECU信号控制电磁离合器按三级档位（见图1）调节风扇转速。

优点：减少风扇高转速时间，能耗低，低档位下风扇噪音小。

缺点：风扇转速阶跃时，噪音同样发生阶跃，噪音感受刺耳。

（3）普通硅油离合器风扇：风扇与发动机之间通过硅油离合器连接，通过温度记忆合金控制离合器内硅油量，调节风扇转速。

优点：冷却系统温度调节风扇转速，冷却调节合理，油耗低，噪音低。

缺点：温度传感灵敏度不足，控制手段不智能，有可能造成冷却系统过热。

（4）电控硅油离合器风扇：风扇与发动机之间通过硅油离合器连接，发动机通过ECU信号控制离合器内硅油量，调节风扇转速。

优点：风扇转速控制精确，能耗低，噪音低，噪音提升平缓。

缺点：必须匹配电控发动机，冷却系统、空调系统必须装备温度传感器，系统复杂。

3 车辆噪音产生原因分析

在某车辆产品开发过程中出现驾驶室内噪音刺耳现象，实际表现为车辆在高速行驶（90公里/小时）过程中，当空调系统开启时，驾驶室内会出现高频噪音（87dB）。

在模拟车辆实际使用工况，对车辆进行整车噪声源测试后（见图3），发现整车主要噪音激励源为发动机冷却风扇后空气湍流噪音，该噪音的产生方式为：空气通过高速行驶的车辆冷却风道后又被发动机冷却风扇带动再次加速形成高速气流，高速气流之间通过相互作用发出高频噪音（见公式4）。

通过实验验证，当车辆高速行驶过程中开启空调时，受到发动机风扇控制逻辑策略影响，冷卻风扇（b型电磁离合器型风扇）转速发生阶跃情况，风扇转速由800转/分钟提高到2400转/分钟，而风扇噪音会由40dB提升至102dB，因此风扇噪音阶跃现象是本次问题产生的主要原因。

4 车辆降噪方案

经过计算校核，常温下（≯45℃）在车速90公里/小时的工况下，车辆依靠车速带动的通风量已满足车辆动力系统冷却及空调制冷需求，此工况下可以采用降低发动机冷却风扇转速的方法来降噪。

经计算分析，提出下列三种降噪方案：

（1）更换直连风扇，降低噪音最大值，噪音线性提升;

（2）更换电控硅油风扇，降低噪音最大值，噪音平缓提升;

（3）更改电磁离合器风扇控制逻辑，将空调控制逻辑由开启空调后风扇由直接进入最高档改为进入第二档（800转/分钟），最大噪音不变，空调系统开启后不再产生噪音阶跃，但是更改控制逻辑存在隐患，有概率出现空调压缩机因温度过高而损坏，不建议采用。

通过讨论，最终采用方案（1），经测试，驾驶室内最大噪音为81dB，车内噪音同比下降7%（见表1），且噪音线性提升，达到了降噪目标。

5 结束语

（1）通过调整发动机冷却风扇控制方案，减少风扇转速，可以降低高车速下整车噪音等级。

（2）在实际处理车辆噪音问题的过程中，不能只关注于降低噪音，也需要考虑平缓噪音变化，噪音的阶跃会使客户认为车辆出现故障，噪音高低起伏会降低驾驶舒适度。

（3）以整车NVH观点，除降低发动机冷却风扇噪音以外，车辆还可以通过优化发动机进、排气系统的结构，改善驾驶室空气动力外形，选用更好的噪音吸收材料，增加驾驶室密封性等措施来降低整车噪音，提升驾驶舒适性。

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