發動機普通硅油離合風扇噪聲降低試驗研究及整車匹配

呂建中 王軍龍 武聰山 余浪 孫偉

摘 要：文章針對市場試用車客戶反饋的駕駛員右耳處風扇噪聲大問題，主要研究了某型輕卡用2.3L發動機普通硅油風扇的滑差率、嚙合形式、嚙合溫度、葉片與護風罩間隙對整車駕駛室內駕駛員右耳旁噪聲的影響，采用理論分析、CFD仿真與整車試驗相結合的方法。

關鍵詞：風扇;噪聲;普通硅油離合器

中圖分類號：U463 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）06-111-04

Abstract： This article focus on the problem of fan noise in the right ear of drivers fed back by customers of market trail trucks， the method reducing engine drive fan noise of light duty truck was studied through studying the influence of slip， fan clutch sensing temperature， shape of vane， clearance of vane and fan cover on driving cab fan niose of 2.3L engine of light duty truck， adopting the theory analysis CFD analysis and vehicle verificantion method.

Keywords： Fan; Noise; Silicone-oil fan clutches

CLC NO.： U463 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）06-111-04

引言

發動機風扇高轉速下工作時產生的空氣動力性噪聲可通過地板與前圍板傳入輕卡駕駛室內，構成車內噪聲的主要來源之一，是影響汽車舒適性的重要因素。

輕卡發動機匹配的風扇主要有：直連風扇、普通硅油離合風扇、電磁離合風扇和電控硅油風扇。普通硅油離合風扇兼具結構與成本的優勢，在輕卡發動機上應用廣泛。行業內對于風扇噪聲在整車上的匹配研究主要有CFD仿真計算與試驗研究。蔣炎坤等使用CFD有限元分析方法進行了發動機動力艙冷卻風扇的研究[1]，蘇曉芳等在發動機冷卻風扇的降噪研究與優化上運用了新結構風扇[2]。

針對客戶反饋的市場試用車風扇在高轉速下噪聲大和頻發噪聲突變問題，本文主要研究了某型輕卡的2.3L發動機普通硅油風扇的滑差率、嚙合形式、嚙合溫度、葉尖與護風罩間隙對整車駕駛室內駕駛員右耳旁噪聲的影響。

1 原理

風扇噪聲主要由窄帶旋轉噪聲和寬帶渦流噪聲構成[3]。高速旋轉風扇葉片對空氣的切割造成空氣壓力脈動進而產生旋轉噪聲。轉動的葉片引起周圍空氣產生渦流，小渦流由于黏度力的作用逐漸分裂、脫離，分裂的渦流會對空氣產生擾動，形成稀流和壓縮過程而產生渦流噪聲。

1.1 理論基礎

1.1.1 公式

噪聲功率與風扇功率的平方成正比關系，而風扇功率與風扇轉速的三次方成正比關系，因此，噪聲功率與風扇轉速的六次方成正比關系。降低風扇轉速能有效的降低風扇噪聲，但風扇風量隨之降低，因此風扇轉速的降低受到冷卻系統冷卻效果的限制[4]。

1.1.2 風扇噪聲影響因素

風扇噪聲主要影響因素包括風扇轉速、葉片分布形式、葉片材料與散熱器的匹配等。

轉速nout對風扇噪聲影響很大，降低風扇轉速10%，聲壓級降低（2～3）dB（A）。高轉速時，風扇噪聲往往成為整車主要的甚至最大的噪聲源。此外，風扇的流量、靜壓和直徑對噪聲也有不同程度的影響[5]。

非均布葉片對降低風扇噪聲有一定影響，葉片非均布風扇可降低風扇噪聲中突出的峰值頻率成份。

風扇葉片的附近渦流的強度與葉片形狀和護風罩結構有密切關系[6]，故可改進葉片形狀和調整護風罩與葉片的配合尺寸，從而使之有較好的流線型和合適的彎曲角度[7]，有利于降低渦流的強度。

葉片的材料對其噪聲有一定影響，葉片為有機合成材料的比葉片為金屬的噪聲小。適當調整風扇與散熱器之間的距離可以使風扇噪聲最小，又能較好發揮風扇的冷卻能力。

1.2 普通硅油離合風扇結構與特性

普通硅油離合器的工作過程為低溫怠速—溫度達到嚙合溫度—閥片打開—離合器嚙合—溫度下降—閥片關閉—離合器分離。普通硅油離合器的類型分為開關式與調制式[8] 。調制型與開關型的區別是開關型在達到嚙合溫度前是主動盤與從動盤全脫離的（冷啟動與長時間靜置除外），而調制型是隨著溫度的上升而逐漸嚙合，嚙合的過程快慢取決于風扇迎風溫度上升的速度。

2 普通硅油離合器風扇降噪策略

2.1 原車測試

針對市場客戶反饋存在風扇在高轉速下噪聲大和頻發噪聲突變問題的車型進行噪聲測試。

（1）測試設備：LMS噪聲振動分析儀;

（2）麥克風位置：駕駛室主駕駛員右耳處和車外距右前輪0.5m處各一個;

（3）測試工況：熱車待風扇進入全嚙合后，發動機轉速從怠速700r/min升至額定工況3200r/min。

風扇噪聲主要以寬頻渦流噪聲為主，風扇噪聲階次明顯。原車狀態風扇離合器及風扇NVH試驗結果如下：

風扇在進入全嚙合后的噪聲相較在隨轉狀態的噪聲較大，同時開關型硅油離合器嚙合存在噪聲“突變”，產生鮮明的全嚙合前后噪聲對比，給駕駛員不適感。

2.2 優化目標

在成本及開發周期內，在額定點駕駛員右耳的風扇噪聲降低2dB（A）以上。

2.3 優化策略

通過采用調制型硅油離合器、提高硅油離合器的滑差率和全嚙合溫度以及風扇與護風罩的間隙配合來驗證對風扇噪聲的影響。

調制型硅油離合器與開關型硅油離合器在雙金屬感溫片、主動板和回油口的結構上是不同的，通過改變回油口的形狀，回油口的開啟面積是逐漸增大的，硅油的流量逐步加大，調制型的嚙合的整個過程變得更為平緩。開關型和調制型的控制原理是相同的，最主要的結構區別是出油孔的形狀不同，開關型的出油孔像一個方孔，當感溫圈受熱變形帶動閥片旋轉時，出油孔短時間內完全打開，硅油會完全流出，調制型的出油口是一個三角形，隨著溫度上升閥片旋轉，出油孔是逐漸擴大的，硅油的量逐漸增多，所以轉速是逐漸上升的過程。

采用調制型硅油離合器風扇，雖然無法改變全嚙合狀態下的噪聲水平，但風扇全嚙合引起的噪聲的突變有所降低。

對普通硅油離合器風扇來講，如何設定嚙合溫度就顯得尤為重要。合適的嚙合溫度能夠降低風扇全嚙合的頻次、實現節能而且能夠降低風扇噪聲。

3 優化方案與試驗測試對比

3.1 不同滑差率對噪聲的影響

分別進行滑差率為3%、10%、20%的普通硅油離合器風扇的NVH對比試驗：

隨著滑差率的提高，風扇噪聲降低，滑差差率20%的離合器在駕駛員右耳處的噪聲可較原車降低3 dB（A）。

3.2 不同護風圈結構

對比不同護風圈：

（1）原狀態護風圈：風扇進入護風圈深度2/3，風扇葉尖與護風圈徑向間隙22.5mm;

（2）LS01護風圈：風扇進入護風圈深度2/3，風扇葉尖與護風圈徑向間隙15mm;

（3）LS02護風圈：風扇完全進入護風圈，風扇葉尖與護風圈徑向間隙22.5mm;

（4）LS03護風圈：風扇完全進入護風圈，風扇葉尖與護風圈徑向間隙15mm。

LS02與LS03護風圈噪聲較差，在發動機額定轉速（3200r/min）下，駕駛員右耳噪聲分別升至79.03 dB（A）和82.2dB（A），通過階次提取分析，風扇旋轉噪聲未見明顯變化，主要由于（250-450）Hz處渦流噪聲明顯升高。

針對渦流噪聲進行葉尖與護風圈附件流場的CFD分析：

通過流場矢量圖可以看到，從風扇葉尖分離出的高速渦流會擊打在護風圈上，氣流沿護風圈內壁面加速，護風圈的固有頻率被高速渦流激勵起來導致噪聲加大。護風罩需做成流線型或調整風扇葉形將有利于降低渦流，進而降低渦流噪聲。

3.3 不同嚙合溫度對噪聲的影響

原車普通硅油離合器全嚙合溫度過低（60°C～66°C），風扇會頻繁進入全嚙合、噪聲最大的狀態，這會引起駕駛員的極為不適。

相同測試條件下，隨著嚙合溫度提高到75°C，在發動機額定轉速下，風扇進入全嚙合的頻次及工作時間逐漸降低，全嚙合溫度為80°C的風扇難以進入全嚙合狀態。

進行相同路段試驗統計風扇全嚙合頻次如下：

4 整車冷卻系統的優化設計與熱平衡試驗

4.1 整車冷卻系統設計優化

由于發動機風扇硅油離合器的滑差率提高至20%，中冷器換熱量不足，造成風量降低，全嚙合溫度為75°C調制硅油離合器風扇的熱平衡試驗在發動機2400r/min時出現渦后排溫超限值的現象。

為滿足整車熱平衡的需求，整車對散熱模塊進行了優化設計匹配。通過將整車散熱模塊中的中冷器與散熱器尺寸加大，同時優化中冷器內部換熱翅片結構，中冷器換熱效率由75%提升至83%，中冷器換熱量由10.5kW提高至11.6kW，滿足大扭矩點的冷卻要求，降低了中冷后進氣溫度，進而大扭矩點的渦后排溫得到同等的降低。

4.2 整車熱平衡試驗

全嚙合溫度為75°C、滑差率為20%的調制型硅油離合器風扇的整車熱平衡試驗通過，渦后排溫降低到限值內。下圖為大扭矩點2400r/min的熱平衡試驗數據，環境溫度為35°C，發動機出水溫度為98.5°C。

通過整車散熱模塊的改進，降低風扇噪聲與整車熱平衡之間的矛盾得到了解決，滿足了客戶的需求。

5 結論

5.1 普通硅油離合風扇優先選擇調制型硅油離合器，改善風扇全嚙合引起的噪聲突變。

5.2 提高硅油離合器滑差率提高至20%可降低駕駛員右耳噪聲3dB（A）。

5.3 提高硅油離合器全嚙合溫度，可降低風扇全嚙合頻次;相同路況下，全嚙合溫度由66°C提高至75°C風扇全嚙合頻次降低50%以上。

5.4 提高硅油離合器滑差率與全嚙合溫度，需要優化冷卻系統的匹配設計，以滿足熱平衡與發動機渦后排溫的要求，同時也是一種兼顧成本與開發周期的最優方案。

參考文獻

[1] 蔣炎坤，陳龍燦，劉漢光，等.發動機動力艙冷卻風扇噪聲研究[J]. 華中科技大學學報（自然科學版）. 2016，44 （10）：11-15.

[2] 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（09）.

[3] 龐劍，何華，等.汽車噪聲振動：理論與應用.北京：北京理工大學出版社.2006.

[4] 陸增俊，唐榮江，陳志松，等.商用車冷卻系統低噪聲優化設計[J]. 汽車技術.2018（06）.

[5] 袁兆成.內燃機設計.北京：機械工業出版社.2008.

[6] 周湧麟.汽車噪聲原理、檢測與控制.北京：中國環境科學出版社. 1992.

[7] KANEFSKY P，NELSON V，RANGER M.A system engineering approach to engine cooling design[C]//Proceeding of International Truck & Bus Meeting & Exposition，1999.

[8] Lee Man Hyung，Kim Myoung Kook，Park Hyung Gyu.Electronically Controlled Viscous Cooling Fan Clutch in the Vehicle[J].Interna -tional Journal of Percision Engineering and Manufacturing，2011， 12（6）：983-992.