風駿皮卡風機噪聲的設計改進

程 華， 祝社強

（保定長城博翔汽車零部件制造有限公司， 河北保定 071000）

風駿皮卡是長城汽車股份有限公司推出的經典車型， 連續14年全國銷量第一， 市場保有量70萬， 出口100個國家和地區， 連續10年中國汽車出口額第一。風駿皮卡外形與國際接軌， 威猛大氣， 做工精細， 是引領皮卡發展的時尚先鋒； 舒適豐富的配置， 更是全面提升了駕乘者的感受， 是皮卡行業的絕對標桿。

1 問題描述

汽車空調系統可以為乘車人員提供舒適的乘車環境， 降低駕駛員的疲勞強度， 提高行車安全， 而空調風機的噪聲是影響舒適性的重要因素之一。

我們在進行風駿HVAC （Heating Ventilation and Air Conditioning， 空調器總成） 總成測試的時候，發現風機有比較尖銳的聲音， 單鼓風機總成的時候更加明顯， 這樣乘客會感到明顯的不舒服， 這是我們必須要改進的。

2 原因分析

風機及匹配結構功能如圖1所示。

我們首先對鼓風機單體進行測試， 并沒有聽到明顯的尖銳聲音， 因此確定是風機和蝸殼在匹配上產生了問題。 接下來對風機的頻譜進行了測試， 結果見表1。

表1 風機頻譜測試結果 （設計改進前： 葉輪直徑150 mm）

通過以上試驗數據可以看出， 風機總成明顯存在30～40倍頻（倍頻： 風機基本頻率的整數倍頻率。基頻=1／周期； 周期為風機轉一圈所需要的時間）的高頻音， 風機端電壓在DC （直流電源） 6 V、 DC 8V時尤其明顯， 頻域峰值超出其附近聲壓級在10dB左右， 這樣人耳聽起來會感覺有比較尖銳的聲音。

同時我們進行了風道流場的CFD （計算流體動力學， 用以模擬仿真實際的流體流動情況） 分析，結果如圖2所示。

通過分析可以看出， 在蝸殼的出風口處靠近蝸舌 （圖1）的地方存在一個較大的渦流區， 而蝸舌區域恰恰是產生高頻音的重災區， 因此可以初步確認， 蝸舌和風機的葉輪的匹配是產生問題的原因。

3 設計改進思路

根據經驗理論值， 小型風機蝸舌與葉輪間的間隙t取值為： t／D=0.07～0.15 （前向葉輪）， 其中D為葉輪直徑。 經過測量， 目前風駿風機蝸舌與葉輪間的間隙為9.713 mm， 葉輪直徑D=150 mm， t／D=0.065， 處于合理取值的下限值以下， 即風機葉輪和蝸殼蝸舌處間隙偏小。 由于蝸殼模具比較難改， 因此我們決定采用葉輪直徑小一些 （D=135 mm） 的風機進行匹配， 此時t=17.213， t／D=0.128，處于合理取值中間值附近， 理論上較為理想， 之后進行風道流場的CFD分析來驗證我們的判斷。 結果如圖3所示。

通過分析可以看出， 在蝸殼的出風口處靠近蝸舌的渦流區明顯變小， 因而產生的高頻音也會變小， 這也初步驗證了我們的設計改進思路。

4 效果驗證

有了充分的依據， 我們經過一段時間的準備，制作了葉輪直徑為135 mm的風機手工樣件， 隨后進行了實物驗證， 驗證過程主要分為3個步驟。

第1步， 首先對鼓風機總成、 HVAC總成狀態下的噪聲進行評審， 大家一致認定基本上聽不到比較尖銳的聲音， 有的只是呼呼的風聲， 在此基礎上，開始下一步的驗證。

第2步， 我們對風機的頻譜進行了測試， 并對設計改進前后進行了對比， 結果見表2、 圖4和圖5。

通過以上試驗數據， 可以看到30～40倍頻的高頻音消失， 且頻域峰值改進在DC 8 V時有5.1 dB，在DC 6 V時有將近10 dB， 改進幅度符合我們的預期， 這樣人耳基本上不會感覺到有比較尖銳的聲音； 另外總的噪聲值在DC 10 V、 DC 8 V、 DC 6 V分別有1.8 dB、 2.9 dB、 4.1 dB改進， 效果明顯。 以上結果表明， 無論是從理論上還是從實踐的效果上， 我們對風機噪聲的改進， 方向上是正確的， 效果上是明顯的。

表2 風機頻譜測試結果 （設計改進后： 葉輪直徑135 mm）

第3步， 考慮到葉輪直徑小可能對風量產生影響， 因此我們對改進前后的風量也進行了測試， 測試結果見表3、 表4和圖6。 測試條件： 端電壓13.5 V，在鼓風機總成中（外循環）。

表3 風壓風量試驗數據 （設計改進前樣件）

表4 風壓風量試驗數據 （設計改進后樣件）

由以上圖表可以看出， 改進后樣件風量不僅沒有降低， 反而有所提升， 在靜壓0 Pa時風量提升8.8 m3／h， 在靜壓250 Pa時風量提升24.5 m3／h； 從效率上看， 在150 Pa以下， 設計改進后效率不如設計改進前， 但在150 Pa以上， 設計改進后效率要高于設計改進前， 這說明風機的抗壓能力得到提升， 而且實車應用的風阻基本上都在200 Pa以上， 因此我們可以確認改進后樣件風量和效率均得到了提升。

5 設計改進總結

通過以上分析和試驗驗證， 我們基本上可以得出結論， 葉輪直徑減小后對于噪聲的改進效果明顯， 且風量和效率均得到了提升。 針對此次設計改進， 我們總結如下。

1） 離心風機葉輪與蝸殼配合十分重要， 不同的配合間隙可能會產生噪聲， 離心風機葉輪與蝸舌間隙經驗理論值為葉輪直徑的7%～15%。

2） 離心風機出口處的較大渦流會造成區域性氣流脈動， 從而產生噪聲。

3） 通過頻譜測試和CFD分析， 可以看到頻域峰值以及不同匹配下的各種氣流壓力及速度分布，進而為產品開發和設計改進提供幫助。

［1］ 安連鎖. 泵與風機［M］. 北京： 中國電力出版社， 2008.