某轻型客车开启空调后车内异常振动噪声现象研究

王晓宏　于友明　杨超起等

中图分类号：U469.1 文献标识码：A 文章编号：1004-0226（2021）12-0044-03

1前言

随着消费水平的不断提高，人们对于汽车的乘坐舒适性要求越来越高。一般通过三方面的表现衡量车辆的舒适程度，即噪声、振动及舒适性（简称NVH）。由于怠速状态的NvH表现是消费者对车辆的最直接感受，因此空调噪声作为一项重要的决定性指标而备受关注。其中的冷却风扇噪声是空调噪声的一个重要部分。

发动机冷却风扇是水冷内燃机冷却系统的重要部件，它的作用在于保证发动机的冷却，冷却风扇是发动机冷却系统中最关键的部件之一，不但直接影响发动机的工作状态，而且对保证发动机的寿命和经济性具有重要意义，为了满足发动机散热要求，冷却风扇经常高速运转，不可避免地引起振动和噪声，严重时影响车辆的舒适性。

2问题现象描述

某款轻型客车原地怠速工况下，打开空调开关，空调压缩机启动，两个冷却风扇同时启动，此时在驾驶员座椅和方向盘出现“忽大忽小”的有节奏的振动，同时伴有“忽大忽小”有节奏的噪声，让人感觉很不舒服，同时车外这种有节奏的振动噪声更明显。待到冷却风扇停止工作后，这种异常振动噪声消失。由此推断此异常振动是由冷却风扇工作时引起的。

3拍振理论

当两个振动幅值近似相同、频率相差很少的简谐波叠加时，其合成波形的振幅将随时间作周期性缓慢变化，这种现象称之为“拍”或“拍振”。

一质点同时参与两个同方向、不同频率简谐运动，假设时刻位移分别为：

如图1所示，拍振时域信号是两个信号的疊加。这样时强时弱的信号即是拍。这样的信号可以是任何形式的信号，如结构的振动信号、地磁波的震荡信号、声音等。

4振动响应测试和分析

针对以上现象，在车辆怠速工况下，打开空调开关，在冷却风扇工作状态下，测试主驾滑轨和风扇框架上的振动响应，并进行频谱分析。

如图2所示，在怠速开空调、两个冷却风扇同时工作的时候，风扇框架表现出“忽大忽小”的振动特征，振动具有明显的“节拍”特性。进一步分析拍振的周期T=1.1 s，频率为f=1/T=0.9 Hz，此频率正是人体比较敏感的频率。

如图3所示，风扇框架振动频谱分析可以看出存在几个振动峰值，其中30 Hz为怠速开空调状态下发动机的二阶激励。两个冷却风扇理论设计转速均为n=2200r/min，其一阶旋转激励频率计算值为产n/60，所以风扇一阶激励频率理论值为36.6 Hz，由于风扇转速实际与理论存在差异，所以认为图3中的37.75 Hz和38.65 Hz为两个风扇工作时的一阶激励频率。图3中的22.5 Hz的振动峰值远远小于两个风扇的激励峰值，暂时不做分析。

由以上测试和理论分析可以得到，两个冷却风扇工作的时候由于激励频率很接近，分别为37.75 Hz和38.65 Hz，其合成波形的振幅将随时间作周期性缓慢变化，即发生了“拍振”，表现为出现“忽大忽小”的振动现象，此振动传递到车内就出现了驾驶员座椅和方向盘“忽大忽小”的有节奏的振动，而此拍振的频率为f=0.9 Hz，正是人体比较敏感的频率，所以人感觉特别不舒服。

5问题现象物理验证

保持两个冷却风扇正常安装在车上，其中冷却风扇A由外接电源控制，冷却风扇B由车辆自身控制，即保持转速为正常工作状态，如图4所示。

当外接电源电压由12V逐渐降低，人体感受车内“忽大忽小”的振动现象逐渐减弱，直至消失，但是此时车内还是能很明显地感受到较大的振动。此试验进一步证明车内出现的“拍振”现象是由于两个冷却风扇的激励频率相差太近所导致。但是风扇自身的激励太大，还是会传递到车内，导致人的振动感受明显。

6动不平衡理论

具有一定转速的转动件，由于材料组织不均匀、零件外形的误差、装配误差以及结构形状局部不对称等原因，使通过转子重心的主惯性轴与旋转轴线不相重合，因而旋转时，转子产生不平衡离心力，其值由下式计算：

式中，G为转子的重量，N;e为转子重心对旋转轴线的偏移，即偏心距，mm;n为转子的转速，r/min;ω为转子的角速度，rad/s;g为重力加速度，mm/s。

由式（3）可知，当重型或高转速的转子，即使具有很小的偏心距。也会引起非常大的不平衡的离心力，成为轴或轴承的磨损、机器或基础振动的主要原因之一。所以机器在装配时，转子必须进行平衡。

评价转子不平衡大小在图纸上可以用许用不平衡力矩表示，即转子重量与许用偏心距的乘积，单位为g·mm。

7风扇动不平衡改进

为了确定风扇的动不平衡量，挑选以上两个风扇送到第三方检测机构进行动平衡试验，见图5。测试发现风扇A的动不平衡量为129.2g·mm，风扇B的动不平衡量为494.9g·mm，而图纸设计风扇的动不平衡量为小于40g·mm，所以可见两个风扇的动不平衡量已经远远超过设计标准。

针对以上风扇动不平衡严重超标问题，反馈风扇厂家进行整改，厂家通过调查原因为原平衡机设备固定在流水线的工作台上，形成一定程度的软支撑，产生共振，所以通过改进平衡机设备的固定方式，消除了因台架共振产生的平衡机设备读数不稳定。

8改进验证

以上原因调查完成后，厂家重新试制一套合格的风扇，安装在实车上进行验证，通过客观试验和主观感受进行评价。

客观测试数据如图6所示，原始状态和优化后风扇框架上振动频谱对比，其中30 Hz为怠速开空调发动机二阶激励频率，优化后风扇的激励频率为36.75Hz和37.25Hz，比原始状态37.75Hz和38.65Hz有所下降，可能是由于风扇供电电压的波动导致风扇转速的变化。但是可以明显看到，优化后风扇的最大激励幅值由原始状态1.8m/s下降到0.1m/s，改善效果显著。主观感觉车内“忽大忽小”的振动消失，而且车内振动明显减弱。

9结语

样车怠速开空调工况下，车内表现“忽大忽小”的振动现象是由于两个冷却风扇工作时发生了“拍振”现象，而根本原因是由于风扇的动不平衡量过大导致风扇工作时输出的激励力过大，从而把“拍振”现象传递到了车内，使人感觉不舒服。

为了避免“拍振”现象的发生，设计风扇转速时尽量使其错开一定范围，如果实在无法做到应该想办法把风扇的振动隔离，避免传递到车内。

动不平衡量是风扇设计的一个重要参数，动不平衡量不达标风扇工作时输出的激振力就会加大，传递到车内就会影响乘坐舒适性。