刘 杰 赵要珍 韩国华

(1.赛科工业科技开发(武汉)有限公司上海分公司，上海 200233； 2.上汽大众汽车有限公司, 上海 201805)

0 前言

空调系统作为汽车上较为重要的轻工类附件之一，主要功能是用于制冷和制热。空调系统作为提高驾乘舒适性的1项重要配置，已成为整车上不可或缺的附件。噪声、振动、舒适性是衡量汽车制造质量的1个综合性指标，它会给用户带来最直接的体验和感受[1]，而空调系统在驾乘过程中的振动和噪声，已经成为了整车振动和噪声评价中的重要指标。

本文针对某空调冷却风扇的拍频噪声及低频振动开展理论研究。首先进行了噪声源识别，明晰了空调冷却风扇拍频噪声的激发原理，并对空调冷却风扇运转时的拍频噪声进行了深入的理论分析。在理解拍频噪声发生工况和原理的前提下，结合工程实际条件给出了可执行的解决方案。空调冷却风扇拍频噪声的发生条件特殊，拍频噪声较难复现，是冷却风扇实际工作中比较罕见的噪声现象之一。本文对空调冷却风扇的原理进行了分析和解决，对风扇振动和噪声的优化有一定的借鉴参考价值。

1 问题描述

在室外高温和车辆怠速的工况下，当空调在开启了制冷模式后，车内驾驶员及副驾驶位置的乘客可以听到明显的“嗡嗡”低沉噪声。该噪声声压幅值时高时低，呈现出有节奏的波峰和波谷，并伴随方向盘出现轻微的振动，振动频率和噪声一致。从该噪声的表现模式看，该空调冷却风扇时高时低的噪声符合 “拍频”噪声的表象特征。将该车辆驶入室内，当环境温度比较低时，该空调冷却风扇时高时低的“嗡嗡”噪声消失，伴随的方向盘振动现象亦随之不见。

通过外接空调冷却风扇光电传感器来监测冷却风扇工作时的转速。当环境温度较低时，在空调冷却风扇转速低于1 700 r/min时，冷却风扇不会出现有节奏的“嗡嗡”噪声；当环境温度较高时，空调制冷负荷增加，冷却风扇转速随之提高。当风扇转速高于1 700 r/min时，该类噪声就会出现；当冷却风扇转速在1 900 r/min时，噪声最为明显；当空调冷却风扇转速高于2 000 r/min时，该噪声又慢慢消失。使用Head测试系统采集空调冷却风扇噪声。在冷却风扇出现时高时低、有节奏感的“嗡嗡”噪声时，采集的噪声和风扇壳体会发出振动信号，并借助ArtemiS SUITE 5.1频谱分析模块对采集到的信号进行快速傅立叶变换分析，可以得出如下噪声和振动的色图，如图1和图2所示。

图1 空调冷却风扇时高时低的噪声色图

图2 空调冷却风扇振动色图

2 噪声定位

将出现噪声的空调连同冷却风扇一起从车辆上完成拆卸并安装到半消声室专用的空调噪声测试台架上，通过外接电源方式模拟空调运转工况，并进入空调开发模式以手动控制风扇转速。在空调测试台架上，发现空调的冷却风扇在所有的转速范围内都没有发生类似噪声现象。将该台架上未复现噪声的空调冷却系统重新配装到原车辆上并进行风扇转速调试，在冷却风扇特定转速下抱怨噪声又重复出现。上述结果说明冷却风扇抱怨噪声的发生和载体有关，单独1个冷却风扇不会发生该类噪声，这也正符合拍频噪声发生的前提条件：需要2个不同的振动噪声源发生“拍打”式的相互作用，从而产生拍频现象。

空调冷却风扇的转速会随着空调压缩机负荷的变化而变化，而空调压缩机的负荷与外在的环境温度相关。环境温度高，空调制冷量大，压缩机负荷变大，空调冷却风扇转速相应提高；反之，冷却风扇转速降低。风扇转速在1 700～2 000 r/min时，空调冷却风扇和发动机曲轴发生了拍频现象，并产生了如图1所示的有节奏的“嗡嗡”噪声。将冷却风扇从车辆上拆下，拍频噪声立刻消失。

通过进一步的分析得知，并不是每个风扇都会出现拍频噪声。只有当风扇叶片的动平衡量超过一定值时，才会发生拍频现象。这说明风扇的动平衡是引发风扇拍频噪声的1个激励源。当风扇未实现动平衡时，风扇的拍频现象更容易被激发出来，同时风扇叶片的振动可以经冷却风扇的壳体、风扇连接支架的支撑传导到车身上，并最终反馈到方向盘上。

3 机理分析

简谐激励是最常见的外界激励，在工程应用中广泛存在，也是分析其他类型激励产生振动和噪声的基础。可以假设激励力为正弦简谐激振力，单自由度的振系在简谐激振力作用下的振动微分方程为

mx=cx+kx=F0sinωt

(1)

式中，m是系统的质量；c为阻尼系数；k为系统的刚度；F0为激励力幅值；ω为激励力圆频率。

上述方程的通解为

(2)

式中，p表示另1个激励力频率。

频率分别是ω和p的2个振动虽然都是简谐振动，但频率不同，不能合成同一简谐振动。当ω和p的频率相近时会产生振幅呈周期性变化的合成振动，这种现象即为拍频现象[2]。

拍频现象的表达式为

(3)

假设p-ω=2Δ，当Δ很小时，(p+ω)/2≈p，从而得到

(4)

在试验过程中，将冷却风扇转速缓慢地调频到接近共振时，系统的振幅有时会出现周期性忽大忽小的变化，从而产生拍频现象。

通过专用转速测试仪器可以测试当发生拍频现象时，在车辆怠速工况下，发动机主轴转速是800 r/min，发动机的激励频率是26.66 Hz；如果冷却风扇的运转转速对应的噪声主频在26.66 Hz附近，且二者的声压大小相同，则合成声压级将增加3 dB(A)，但不会发生拍频现象；如果冷却风扇的运转转速对应的第1阶频率为28.66 Hz或32.66 Hz时，就会产生拍频现象，其拍频频率为2～5 Hz。也就是说，冷却风扇转速在1 700～2 000 r/min区间时，拍频现象就会出现，而转速在1 900 r/min时，拍频现象最为严重。

4 解决方案

由上述分析可以得出，风扇拍频现象是由未实现动平衡的冷却风扇在特定的风扇转速下引起的，动平衡较差的风扇更容易发生拍频现象。解决该问题有以下几种工程措施。

工程措施1：优化冷却风扇的动平衡，这可从根本上避免风扇拍频现象的产生。但是，该措施会相应提高对风扇的质量控制要求，加大产品的不合格率。该工程措施要求风扇的动平衡量需要从12 960 g/mm2降至10 800 g/mm2。

工程措施2：在噪声定位分析中，当把空调从车辆安装到空调台架上时，拍频现象消失。从振动传递路径上入手，降低由风扇壳体和安装支架的接触刚度，让冷却风扇实现类似“解耦”的处理方式，就可避免拍频现象产生。如图3所示，具体工程措施是适当降低冷却风扇的支撑硬度(肖氏硬度)，从而改善了噪声。该措施不产生额外成本，只需要对该支撑进行强度试验认可。最终确定将支撑硬度(肖氏硬度)由57～63 HSD变更为57～60 HSD。

图3 空调冷却风扇软支撑

工程措施3：改变风扇的转动频率也可避免拍频现象的产生。具体的工程实施方案为越过风扇拍频抱怨转速区间(风扇转速为1 700～2 000 r/min)。该工程措施将会降低冷却风扇的冷却能力。在实际工程变更中，应谨慎选择冷却风扇的转速区间。通过试验验证，最终确定冷却风扇的转速区间为1 850～2 000 r/min。

图4为综合应用控制冷却风扇支撑的硬度，控制冷却风扇的动平衡，越过冷却风扇抱怨转速区间3种措施的实施效果图。通过主观评价和客观测试显示，该综合方案的优化措施可以有效解决拍频噪声抱怨。

图4 空调冷却风扇拍频噪声改善效果图

5 结论

针对空调冷却风扇引起的拍频噪声抱怨，本文先进行了噪声源识别，确定了在该工况下的噪声属于拍频噪声，并判断该拍频噪声来自动平衡效果较差的冷却风扇。原因是第1阶自转频率和发动机怠速工况下产生的第2阶频率发生了拍频响应。在对拍频机理进行了理论分析后，从拍频源头和传递路径上出发，给出了工程解决措施。(1)适当提高冷却风扇动平衡量；(2)越过冷却风扇拍频现象最严重的转速区间；(3)降低冷却风扇支撑硬度。声学测试和主观评价一致表明：综合采用上述3种措施后，拍频噪声得以大幅改善，并达到了可接受的程度。由于冷却风扇拍频噪声发生的工况特殊，不易复现，本文介绍的冷却风扇拍频噪声的机理分析及解决方案，对空调冷却风扇的振动与噪声开发具有一定的参考价值。