冷卻風扇對載貨汽車加速行駛車外噪聲的影響

武智方，夏均忠，桓洪強，劉曉凱，汪治安

(1.軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161； 2.陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，西安 710200； 3．69083部隊，烏魯木齊 830002)

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● 車輛工程 Vehicle Engineering

冷卻風扇對載貨汽車加速行駛車外噪聲的影響

武智方1，2，夏均忠1，桓洪強3，劉曉凱2，汪治安1

(1.軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161； 2.陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，西安 710200； 3．69083部隊，烏魯木齊 830002)

為降低某重型載貨汽車加速行駛車外噪聲，用道路試驗的方法研究發動機冷卻風扇對車輛輻射噪聲的影響。依據歐洲經濟委員會法規ECE R51，對該載貨汽車進行加速行駛車外噪聲測試，應用頻譜分析方法確定最大噪聲源對應的頻率為430 Hz，并測試其諧頻，理論分析得知該頻率噪聲是由發動機冷卻風扇引起。通過優化匹配冷卻風扇，將直連風扇改為電磁恒溫風扇，其加速行駛車外噪聲降低了4～6 dB(A)。

載貨汽車；冷卻風扇；噪聲；頻率特性

發動機輸出功率大于150 kW的載貨汽車以常用轉速(1 500～1 900 r/min)加速行駛時，發動機1 m處輻射噪聲的聲壓級可以達到100 dB(A)，駕駛員耳旁噪聲可以達到 72 dB(A)[1]。發動機冷卻風扇是汽車的重要部件，在低轉速時風扇噪聲并不明顯，但在高轉速時風扇噪聲往往成為主要的噪聲源[2]，影響汽車的平順性[3]。

歐洲經濟委員會制定的車輛加速行駛噪聲控制法規ECE R51《關于就噪聲排放方面批準四輪及四輪以上機動車的統一規定》，對于重型車輛加速行駛噪聲的要求非常嚴格[4]。現有某載貨汽車不符合該標準限值要求，通過試驗研究，發現其發動機冷卻風扇對整車加速行駛車外噪聲有較大的影響。

1 試驗研究

1.1 試驗車輛

以一輛大功率(316 kW)的載貨汽車為試驗對象，其主要技術參數見表1。

表1 試驗車輛主要技術參數

1.2 試驗方法

依據ECE R51進行試驗。試驗場地如圖1所示，其滿足下列條件：

(1)以測量場地中心為基點、半徑為50 m的范圍內沒有大的聲反射物，如圍欄、巖石、橋梁或建筑物等；

(2)試驗路面和其他場地表面干燥，沒有積雪、高原、松土或爐渣之類的吸聲材料；

(3)傳聲器附近沒有任何影響聲場的障礙物，并且聲源與傳聲器之間沒有任何人站留。

圖1 車輛加速行駛車外噪聲測試場地

儀器設備為LMS SCM05數據采集分析儀、GRAS 英寸傳聲器。

試驗時，車輛載荷為空載，初始擋位選擇4擋。汽車進入AA′線時，發動機轉速為950 r/min；車輛以4擋沿CC′中線勻速行駛，其最前端進入AA′線時開始全油門加速，尾部通過BB′線后松開油門，記錄車輛整個加速過程中PP′線7.5±0.0 5 m處(離地面高1.2±0.02 m)，10 s內聲壓級隨時間變化的關系曲線。然后，逐步升擋測量，直到在某一擋位下車輛尾部通過BB′線時發動機轉速低于額定轉速(1 900 r/min)，結束測試。每一個擋位測量4次，對4次測試結果進行平均作為該擋位的均值；取各擋位測試聲壓級中的最大值作為試驗結果。

1.3 試驗結果分析

試驗結果見表2。車輛加速行駛車外噪聲有效值應為整個測試范圍內的最大值，即為4擋、副駕駛側對應的90.74 dB(A)。ECE R51規定，發動機功率大于150 kW的N3類車輛其噪聲限值為80 dB(A)。試驗車輛的加速行駛車外噪聲超出標準要求10.74 dB(A)。需要對噪聲源進行定位及分離，找出貢獻率最大的部件或系統并對其進行降噪處理。

表2 試驗車輛加速行駛車外噪聲試驗結果

2 噪聲源識別

利用信號頻譜分析技術，對測試噪聲的時間歷程數據進行處理，確定噪聲源信號的頻率特性及其類別[5]。

2.1 頻譜分析

對4擋、副駕駛側的聲壓級時域數據進行短時傅里葉變換，得到最大聲壓級對應的1/3倍頻譜圖(如圖2所示)。橫坐標為1/3倍頻，縱坐標為聲壓級在頻域上的分布。

圖2 加速噪聲測試最大聲壓級對應的1/3倍頻圖

從車輛進線開始計時，4.6 s時聲壓級出現最大值。車輛在整個加速過程中最大聲壓級的峰值對應的頻率在400 Hz附近。初步判定，車輛加速行駛車外噪聲過大是由工作頻率為400 Hz左右的部件引起的。

為了進一步確認工作頻率為400 Hz左右的部件為最大噪聲源，在發動機的前、后、左、右側約20 cm處分別布置傳聲器，按照車輛加速行駛車外噪聲的測試方法進行數據采集，分析各個測點噪聲的頻率特性及400 Hz噪聲峰值產生的主要原因。測試結果如圖3所示。該圖表示車輛以4擋加速過程中發動機周圍測試噪聲的時間、頻率與聲壓級之間的三維關系圖。右側縱坐標表示聲壓級大小的顏色分布，顏色越深代表該時間及頻率下的聲壓級越大。

從圖3(a)可以看出車輛尾部剛過中線PP′時發動機轉速達到最大值2 150 r/min，從該時刻起車輛以最高轉速駛出BB′線，發動機前方430 Hz噪聲非常明顯。冷卻風扇上部、變速箱上方和發動機前部為無阻隔相通空間，圖3(a)和(b)的頻譜特性相近。圖3(c)和(d)表示發動機左、右兩側的噪聲頻譜，其頻率成分較多，是由發動機燃燒噪聲、機械噪聲及空氣動力噪聲共同作用所致。

以上測試表明，車輛以4擋加速行駛，發動機轉速在2 150 r/min時輻射噪聲出現峰值，該時刻噪聲主要為430 Hz及其諧波頻率。

2.2 風扇噪聲

風扇噪聲由旋轉噪聲和渦流噪聲組成[6]。旋轉噪聲是由于旋轉的葉片周期性地切割空氣引起空氣的壓力脈動而產生的。其基頻為

圖3 發動機周圍測試噪聲頻譜云圖

(1)

式中：n為風扇轉速；Z為風扇葉片數。除基頻外，其高次諧波有時也比較突出。 渦流噪聲是由于風扇轉動時使周圍空氣產生渦流，此渦流由于黏度力的作用又分裂成一系列分離的小渦流，渦流使空氣發生擾動而產生噪音。渦流噪聲是寬頻帶噪聲。

圖4所示為風扇軸通過皮帶由曲軸驅動旋轉，其與曲軸的速比為1.2∶1。試驗車輛的風扇軸與發動機曲軸為直接連接方式，所以當發動機轉速為2 150 r/min時，風扇的轉速為2 580 r/min。由表1可知，風扇葉片數為10，根據式(1)計算得到風扇噪聲對應的頻率為430 Hz。與頻譜分析結果比較可知，引起試驗車輛加速行駛車外噪聲的主要部件是發動機冷卻風扇。

圖4 風扇軸及曲軸傳動關系

3 冷卻風扇對加速噪聲的影響

3.1 冷卻風扇優化匹配

載貨汽車的發動機冷卻風扇有3種控制方式：直連風扇(與發動機轉速同步)、電磁恒溫風扇、電控硅油風扇[7]。試驗車輛匹配的是直連風扇。

電磁恒溫風扇的離合器根據發動機的水溫通過程控設置，執行不同的吸合動作使風扇以3個不同的轉速運轉，其溫度控制策略如圖5所示。車輛啟動后，風扇處于Ⅰ擋工作狀態，轉速約為100 r/min；隨著車輛冷卻水溫的上升，風扇軸接通Ⅱ擋，風扇葉片的轉速達到1 200 r/min；當車輛空載加速行駛時，發動機水溫不會超過87 ℃，電磁恒溫風扇通常在Ⅱ擋運轉。電控硅油風扇與發動機水溫呈線性關系，當發動機水溫為87 ℃時，其轉速為1 400 r/min。

圖5 電磁恒溫風扇溫度控制策略

ECE R51規定，測試車輛載荷為空載。在空載狀態下，如果選擇電磁恒溫風扇，車輛在正常水溫下行駛時，風扇轉速以Ⅱ擋(1 200 r/min)運行；如果選擇電控硅油風扇，風扇轉速約為1 300～1 600 r/min。電控硅油風扇的轉速在同等試驗條件下要大于電磁恒溫風扇轉速。發動機在運行過程中冷卻液散熱量隨負荷或者轉速的增加都是非線性變化，在高轉速、高負荷率工況下對冷卻系統散熱能力要求特別高，而在低轉速、低負荷率工況下冷卻系統有較大散熱能力儲備。車輛空載、全油門加速過程中，發動機的轉速從950 r/min升至2 150 r/min，負荷率為10%，所以電磁恒溫風扇以1 200 r/min轉速運行時，能夠滿足冷卻系統對于進風量的要求。

綜合考慮，試驗車輛發動機優化匹配電磁恒溫風扇。

3.2 試驗驗證

對試驗樣車優化匹配電磁恒溫風扇后，在其他試驗條件不變的情況下，進行加速行駛車外噪聲試驗，其結果見表3。

表3 車輛加速行駛車外噪聲試驗結果(優化匹配電磁恒溫風扇)

加速行駛車外噪聲有效值為83.58 dB(A)，比原試驗車輛的測試結果(90.74 dB(A))降低了7.16 dB(A)。這說明發動機冷卻風扇對車輛的加速行駛車外噪聲有較大的影響。

4 結 語

對某載貨汽車進行加速行駛車外噪聲試驗，應用頻譜分析法對噪聲源進行定位，通過優化匹配電磁恒溫風扇降低了該車加速行駛車外噪聲，將其控制在84 dB(A)以內，滿足了GB 1495—2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》的限值要求。

載貨汽車加速行駛過程中輻射噪聲主要是發動機空氣動力噪聲，發動機冷卻風扇是其主要貢獻源之一；改變冷卻風扇與發動機的連接方式即降低冷卻風扇在車輛加速過程中的轉速，可以有效降低車輛加速行駛車外噪聲；如果要進一步降低試驗車輛的加速行駛車外噪聲，使其達到ECE R51的限值要求，還需采取其他降噪措施。

[1] 蘇曉芳,楊林強,陳圓明,等.發動機冷卻風扇的降噪研究與優化[J].汽車技術,2011(9):24-27．

[2] 李靜波,王暉.汽車雙冷卻風扇NVH特性分析[J].汽車工程師,2014(8):23-26．

[3] 吳繼輝,夏均忠,王靜,等.駕駛室懸置結構對載貨汽車平順性的影響[J].軍事交通學院學報,2016,18(1):39-42．

[4] 熊建強,黃菊花,廖群.車輛噪聲源識別理論與方法分析[J].噪聲與振動控制,2011,31(4):97-101．

[5] 高亞麗,許晶晶,蔡相儒,等.發動機冷卻風扇對車內振動噪聲影響分析[J].內燃機工程,2015,36(1):53-56．

[6] 俱利鋒,席德科.離心式通風機噪聲機理及設計與改造中的降噪方法綜述[J].機械科學與技術,2002,21(3):465-467．

[7] 周龍剛,孟詳龍,李偉,等.發動機冷卻風扇驅動方式對比[J].內燃機與動力裝置,2013(1):55-57．

(編輯：張峰)

Influence of Cooling Fan on Noise Emitted by Accelerating Truck

WU Zhifang1, 2, XIA Junzhong1, HUAN Hongqiang3, LIU Xiaokai2, WANG Zhian1

(1.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Automotive Engineering Research Institute, Shanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Xi’an 710200, China;3.Unit 69083, Urumqi 830002, China)

To reduce the noise emitted by accelerating truck, the paper applies road test to study the influence of cooling fan on vehicle noise. It tests the noise emitted by accelerating truck according to ECE R51, and determines the frequency of maximum noise source is 430Hz with spectral analysis method and tests its harmonic frequency. Through the analysis we get the result that the frequency noise is caused by the cooling fan, and the noise emitted by accelerating vehicle has been reduced 4～6 dB(A) by optimizing matching cooling fan and replacing direct-connected fan with electromagnetic thermostatic fan.

truck; cooling fan; noise; frequency characteristic

2016-08-29；

2016-09-08．

武智方(1984—)，男，碩士研究生； 夏均忠(1967—)，男，博士，教授，碩士研究生導師．

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.12.014

U467.1+1

A

1674-2192(2016)12- 0058- 04