发动机普通硅油离合风扇噪声降低试验研究及整车匹配

吕建中 王军龙 武聪山 余浪 孙伟

摘 要：文章针对市场试用车客户反馈的驾驶员右耳处风扇噪声大问题，主要研究了某型轻卡用2.3L发动机普通硅油风扇的滑差率、啮合形式、啮合温度、叶片与护风罩间隙对整车驾驶室内驾驶员右耳旁噪声的影响，采用理论分析、CFD仿真与整车试验相结合的方法。

关键词：风扇;噪声;普通硅油离合器

中图分类号：U463  文献标识码：B  文章编号：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

发动机风扇高转速下工作时产生的空气动力性噪声可通过地板与前围板传入轻卡驾驶室内，构成车内噪声的主要来源之一，是影响汽车舒适性的重要因素。

轻卡发动机匹配的风扇主要有：直连风扇、普通硅油离合风扇、电磁离合风扇和电控硅油风扇。普通硅油离合风扇兼具结构与成本的优势，在轻卡发动机上应用广泛。行业内对于风扇噪声在整车上的匹配研究主要有CFD仿真计算与试验研究。蒋炎坤等使用CFD有限元分析方法进行了发动机动力舱冷却风扇的研究[1]，苏晓芳等在发动机冷却风扇的降噪研究与优化上运用了新结构风扇[2]。

针对客户反馈的市场试用车风扇在高转速下噪声大和频发噪声突变问题，本文主要研究了某型轻卡的2.3L发动机普通硅油风扇的滑差率、啮合形式、啮合温度、叶尖与护风罩间隙对整车驾驶室内驾驶员右耳旁噪声的影响。

1 原理

风扇噪声主要由窄带旋转噪声和宽带涡流噪声构成[3]。高速旋转风扇叶片对空气的切割造成空气压力脉动进而产生旋转噪声。转动的叶片引起周围空气产生涡流，小涡流由于黏度力的作用逐渐分裂、脱离，分裂的涡流会对空气产生扰动，形成稀流和压缩过程而产生涡流噪声。

1.1 理论基础

1.1.1 公式

噪声功率与风扇功率的平方成正比关系，而风扇功率与风扇转速的三次方成正比关系，因此，噪声功率与风扇转速的六次方成正比关系。降低风扇转速能有效的降低风扇噪声，但风扇风量随之降低，因此风扇转速的降低受到冷却系统冷却效果的限制[4]。

1.1.2 风扇噪声影响因素

风扇噪声主要影响因素包括风扇转速、叶片分布形式、叶片材料与散热器的匹配等。

转速nout对风扇噪声影响很大，降低风扇转速10%，声压级降低（2～3）dB（A）。高转速时，风扇噪声往往成为整车主要的甚至最大的噪声源。此外，风扇的流量、静压和直径对噪声也有不同程度的影响[5]。

非均布叶片对降低风扇噪声有一定影响，叶片非均布风扇可降低风扇噪声中突出的峰值频率成份。

风扇叶片的附近涡流的强度与叶片形状和护风罩结构有密切关系[6]，故可改进叶片形状和调整护风罩与叶片的配合尺寸，从而使之有较好的流线型和合适的弯曲角度[7]，有利于降低涡流的强度。

叶片的材料对其噪声有一定影响，叶片为有机合成材料的比叶片为金属的噪声小。适当调整风扇与散热器之间的距离可以使风扇噪声最小，又能较好发挥风扇的冷却能力。

1.2 普通硅油离合风扇结构与特性

普通硅油离合器的工作过程为低温怠速—温度达到啮合温度—阀片打开—离合器啮合—温度下降—閥片关闭—离合器分离。普通硅油离合器的类型分为开关式与调制式[8] 。调制型与开关型的区别是开关型在达到啮合温度前是主动盘与从动盘全脱离的（冷启动与长时间静置除外），而调制型是随着温度的上升而逐渐啮合，啮合的过程快慢取决于风扇迎风温度上升的速度。

2 普通硅油离合器风扇降噪策略

2.1 原车测试

针对市场客户反馈存在风扇在高转速下噪声大和频发噪声突变问题的车型进行噪声测试。

（1）测试设备：LMS噪声振动分析仪;

（2）麦克风位置：驾驶室主驾驶员右耳处和车外距右前轮0.5m处各一个;

（3）测试工况：热车待风扇进入全啮合后，发动机转速从怠速700r/min升至额定工况3200r/min。

风扇噪声主要以宽频涡流噪声为主，风扇噪声阶次明显。原车状态风扇离合器及风扇NVH试验结果如下：

风扇在进入全啮合后的噪声相较在随转状态的噪声较大，同时开关型硅油离合器啮合存在噪声“突变”，产生鲜明的全啮合前后噪声对比，给驾驶员不适感。

2.2 优化目标

在成本及开发周期内，在额定点驾驶员右耳的风扇噪声降低2dB（A）以上。

2.3 优化策略

通过采用调制型硅油离合器、提高硅油离合器的滑差率和全啮合温度以及风扇与护风罩的间隙配合来验证对风扇噪声的影响。

调制型硅油离合器与开关型硅油离合器在双金属感温片、主动板和回油口的结构上是不同的，通过改变回油口的形状，回油口的开启面积是逐渐增大的，硅油的流量逐步加大，调制型的啮合的整个过程变得更为平缓。开关型和调制型的控制原理是相同的，最主要的结构区别是出油孔的形状不同，开关型的出油孔像一个方孔，当感温圈受热变形带动阀片旋转时，出油孔短时间内完全打开，硅油会完全流出，调制型的出油口是一个三角形，随着温度上升阀片旋转，出油孔是逐渐扩大的，硅油的量逐渐增多，所以转速是逐渐上升的过程。

采用调制型硅油离合器风扇，虽然无法改变全啮合状态下的噪声水平，但风扇全啮合引起的噪声的突变有所降低。

对普通硅油离合器风扇来讲，如何设定啮合温度就显得尤为重要。合适的啮合温度能够降低风扇全啮合的频次、实现节能而且能够降低风扇噪声。

3 优化方案与试验测试对比

3.1 不同滑差率对噪声的影响

分别进行滑差率为3%、10%、20%的普通硅油离合器风扇的NVH对比试验：

随着滑差率的提高，风扇噪声降低，滑差差率20%的离合器在驾驶员右耳处的噪声可较原车降低3 dB（A）。

3.2 不同护风圈结构

对比不同护风圈：

（1）原状态护风圈：风扇进入护风圈深度2/3，风扇叶尖与护风圈径向间隙22.5mm;

（2）LS01护风圈：风扇进入护风圈深度2/3，风扇叶尖与护风圈径向间隙15mm;

（3）LS02护风圈：风扇完全进入护风圈，风扇叶尖与护风圈径向间隙22.5mm;

（4）LS03护风圈：风扇完全进入护风圈，风扇叶尖与护风圈径向间隙15mm。

LS02与LS03护风圈噪声较差，在发动机额定转速（3200r/min）下，驾驶员右耳噪声分别升至79.03 dB（A）和82.2dB（A），通过阶次提取分析，风扇旋转噪声未见明显变化，主要由于（250-450）Hz处涡流噪声明显升高。

针对涡流噪声进行叶尖与护风圈附件流场的CFD分析：

通过流场矢量图可以看到，从风扇叶尖分离出的高速涡流会击打在护风圈上，气流沿护风圈内壁面加速，护风圈的固有频率被高速涡流激励起来导致噪声加大。护风罩需做成流线型或调整风扇叶形将有利于降低涡流，进而降低涡流噪声。

3.3 不同啮合温度对噪声的影响

原车普通硅油离合器全啮合温度过低（60°C～66°C），风扇会频繁进入全啮合、噪声最大的状态，这会引起驾驶员的极为不适。

相同测试条件下，随着啮合温度提高到75°C，在发动机额定转速下，风扇进入全啮合的频次及工作时间逐渐降低，全啮合温度为80°C的风扇难以进入全啮合状态。

进行相同路段试验统计风扇全啮合频次如下：

4 整车冷却系统的优化设计与热平衡试验

4.1 整车冷却系统设计优化

由于发动机风扇硅油离合器的滑差率提高至20%，中冷器换热量不足，造成风量降低，全啮合温度为75°C调制硅油离合器风扇的热平衡试验在发动机2400r/min时出现涡后排温超限值的现象。

为满足整车热平衡的需求，整车对散热模块进行了优化设计匹配。通过将整车散热模块中的中冷器与散热器尺寸加大，同时优化中冷器内部换热翅片结构，中冷器换热效率由75%提升至83%，中冷器换热量由10.5kW提高至11.6kW，满足大扭矩点的冷却要求，降低了中冷后进气温度，进而大扭矩点的涡后排温得到同等的降低。

4.2 整车热平衡试验

全啮合温度为75°C、滑差率为20%的调制型硅油离合器风扇的整车热平衡试验通过，涡后排温降低到限值内。下图为大扭矩点2400r/min的热平衡试验数据，环境温度为35°C，发动机出水温度为98.5°C。

通过整车散热模块的改进，降低風扇噪声与整车热平衡之间的矛盾得到了解决，满足了客户的需求。

5 结论

5.1 普通硅油离合风扇优先选择调制型硅油离合器，改善风扇全啮合引起的噪声突变。

5.2 提高硅油离合器滑差率提高至20%可降低驾驶员右耳噪声3dB（A）。

5.3 提高硅油离合器全啮合温度，可降低风扇全啮合频次;相同路况下，全啮合温度由66°C提高至75°C风扇全啮合频次降低50%以上。

5.4 提高硅油离合器滑差率与全啮合温度，需要优化冷却系统的匹配设计，以满足热平衡与发动机涡后排温的要求，同时也是一种兼顾成本与开发周期的最优方案。

参考文献

[1] 蒋炎坤，陈龙灿，刘汉光，等.发动机动力舱冷却风扇噪声研究[J]. 华中科技大学学报（自然科学版）. 2016，44 （10）：11-15.

[2] 苏晓芳，杨林强，陈圆明，等.发动机冷却风扇的降噪研究与优化[J].汽车技术.2011（09）.

[3] 庞剑，何华，等.汽车噪声振动：理论与应用.北京：北京理工大学出版社.2006.

[4] 陆增俊，唐荣江，陈志松，等.商用车冷却系统低噪声优化设计[J]. 汽车技术.2018（06）.

[5] 袁兆成.内燃机设计.北京：机械工业出版社.2008.

[6] 周湧麟.汽车噪声原理、检测与控制.北京：中国环境科学出版社. 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.