汽车用冷却风扇总成NVH可靠性分析和研究

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导读

Reading guide

燃油车时代冷却风扇噪声往往会被发动机噪声覆盖，因而噪声控制不是重点，但随着新能源车的普及，失去发动机噪声庇护之后，冷却风扇噪声问题逐渐突显。本文基于冷却风扇噪声的产生机理，围绕客户满意提升,探索了冷却风扇降噪、提升NVH可靠性的实践路径，以期为相关行业提供借鉴。

关键词：NVH可靠性;冷却风扇;新能源;热管理系统

作者：姚志奇

NVH指噪音(Noise)振动(Vibration)和声振粗糙度(Harshness)还包括汽车零部件由于振动引起的强度和寿命等问题，直接关系用户的乘车环境和乘车体验是否舒适，是衡量汽车品质的一项核心评价指标，统计数据显示，汽车约1/3的故障问题与NVH有关(见图1)，而各大汽车制造公司近20%的研发费用消耗在解决车辆的NVH问题上。随着新能源汽车渗透率越来越高，汽车NVH性能已越来越受用户重视，良好的NVH性能成为汽车企业竞争力的体现。

01 汽车零部件NVH可靠性

可靠性

产品可靠性，通常认为是产品可以长时间稳定工作。可靠性越高，产品无故障工作的时间就越长。但新能源车型提出了更高的可靠性要求，不仅要求无故障稳定工作

更要求无故障稳定出色的工作。可靠性包含了耐久性、可维修性，设计可靠性三大要素。

产品NVH可靠性

一个不够优化和未留有足够余量的产品NVH设计容易影响客户的驾乘体验，进而被抱怨产品设计不可靠，随之而来的问题是需要不断优化产品，并反复验证才能得到全生命周期可靠性高的产品。

作为车内外驾乘体验的关键影响因素，使用过程中车辆以及零部件产品的NVH稳定性NVH引起的强度和寿命问题，是车主关注的硬性指标。当然前提是设计初期留有足够的NVH设计余量，才能更可靠。客户的主观评价和良好口碑成为评价该车型好坏，尤其是评价NVH优劣的主要标准。这里，RY公司提出了一个新的概念:NVH可靠性。

新能源车对零部件NVH要求

电动汽车和混合动力汽车不同于燃油车，使用不同能量形式和驱动形式，其架构与传统车辆的架构大致相同。在电动汽车驾驶舱内，人耳识别噪音的频率范围低于在燃油车车内噪音(见图2)。但噪音高低并不完全代表人们对噪音的全部感受，虽然电动汽车产生的噪音远低于燃油机，但也并不完美，电动零部件经常引发的单频噪音，会让驾乘人员感觉不适或反感。同时，没有燃油发动机的噪音覆盖效应后,辅助设备的噪音、路面噪音以及风噪等会更加突出。这些噪音与振动的特点为电动汽车 NVH设计开发提出了新的要求。

通常情况，出现在噪音的宽频段中混合的单频峰值噪音，最易引起驾乘人员的注意和反感，但传统车辆的噪音客观评价指标是计权的总体噪音和语言清晰度等，这些指标对于有单频峰值的电动汽车车内噪音评价并不合适，因为含有单频峰值的噪音即便总声压级很低，还是会令人反感。

02 冷却风扇NVH可靠性分析和研究

冷风扇无刷直流电机NVH可靠性

无刷电机噪音主要影响因素如图3所示。

气隙中的磁场使得磁密度发生变化，产生了电磁力电磁力是与时间相关的交变力，取决干气隙形状，齿槽形状等。交变电磁力作用在定子齿槽上，产生电磁力(径向力及切向力)，径向电磁力施加到定子齿槽上使得定转子振动而发出噪声。电磁力产生的噪声是高频啸叫声。申磁力的频率与定转子的固有频率一致或接近时，定子产生共振，辐射噪声急剧增加，切向电磁力对电磁噪声的贡献较小.可以忽略。图4是RY公司通过定转子结构模态的优化避开客户常用转速对应的阶次频率，避免共振问题导致的电磁噪音恶化。为保证NVH可靠性要求NVH技术团队特意考虑耐久因素，将规避模态范围扩大，避免因为耐久问题再次引发电机电磁噪音的抱怨。

转矩波动是转子磁通与定子气隙中变磁导之间的相互关系产生主要影响因素包括:主磁路磁导发生改变气隙中的磁密度变化、结构不均匀、电磁感应变化、电控系统(如脉宽调制PWM)引起的电流波动等转矩波动产生即会电磁噪声低速大转矩时候尤为明显。一方面通过合理的极数/槽数配合可调制转矩波动阶次，另一方面通过合理的参数与设计(如气隙等)选择，可减少转矩波动以及电控方式等可以很好地解决转矩波动带来的申磁噪音问题。图5是RY公司针对目前在产电机转矩波动较大，容易引发客户对电磁噪音的抱怨，基于现有平台开发的一款低噪音无刷电机。它采用更为合理的槽级数配对、轻量化设计以及斜充磁来削弱齿槽转矩，从而降低电机噪音以及风扇总成噪声并留有相当大的设计余量，从源头保证NVH可靠性要求，有效解决了新能源车型对干单频电机阶次噪音污染。该改进措施获得整车主观评价最高分，将会逐步推广到其他平台项目上。

热管理模式改变对冷却风扇NVH可靠性的影响

图6是基于新能源车型的全新前端冷却模块布置图与传统燃油车的布置方式并不相同，热管理模式的改变

需要改变对传统风扇的性能设计定义，特别是流量以及 NVH性能尤为突出。进气格栅后的气体进口位置，添加了导流罩，对流体路径和噪音的影响很大。由于各大 OEM对于热管理的管理模式上略有不同，传统意义上的冷凝器也不一定安装在水箱前方。风扇的安装方式发生很大的变化，风扇作为主连接件，换热器通过卡脚或者螺栓连接到风扇上，而风扇通过避振垫结构连接到车身(图中是倾斜角度安装)。整车会对于风扇总成NVH提出更高的要求。

由于整车布置以及前端模块安装方式的差异，需要严格控制冷却风扇在整车NVH上的表现。特别是缺少发动机覆盖效应后，风扇作为车内主要声音来源，更需要极大提升NVH可靠性，风扇由于结构尺寸以及空间的限制。兼顾转速对气动噪声指标的影响，必须考虑汽车行驶时气流的冲击作用。风道阻力系统，进出气位置以及安装方式，风扇特性等相互关系，需要采用先进的研究手段对冷却风扇的流场/声场进行深入分析，从而提出更为合理的设计方案:消声、隔声传递路径或吸声措施，降低噪声:轴流风机气流参数(包括转速流量系数及进气畸变等)和结构参数(包括叶栅片的结构参数径向与轴向间隙、动静叶数目的匹配等)对风扇噪声的影响。

图7是某新能源项目。基于RY公司对于产品NVH可靠性的严格要求，秉承对客户和市场负责的企业作风通讨七轮风叶设计优化并结合风罩和风叶的匹配性(包括尺寸间隙调整和筋条设计)风罩进出气口的结构形状。风罩回风腔体的优化等，设计达到了客户提出的严苛要求，并获得了极大的NVH设计余量，保证了NVH可靠性。图8为最终前端模块测试的数据结果，主阶次可以优化到55dB(A)左右。

当然，NVH可靠性的评价标准是让客户满意，更要让客户的客户满意，因为整车布置的因素，虽然零件级前端模块的测试结果很好，但因为进气格栅以及进气口导风罩的设计变更，导致噪音结果和零件级的差异，主阶次恶

化。NVH技术团队为保证NVH可靠性，进一步优化结构设计，并极大满足了客户目标要求，从图9可以看出，整车系统的主阶次优化明显。这时候就需要更高要求的NVH可靠性，不仅仅需要在公司内部，更需要对客户以及市场负责。

RY公司关于NVH可靠性建立了一系列流程措施，并严格遵循。图10是NVH部门主要职能，以及NVH可靠性的流程图。图11是RY公司可靠性设计分析技术简介。

03 结语

NVH可靠性，不仅是对产品质量负责，更是对客户以及市场表现负责。只有系统性的设计，才能根本性解决整车NVH问题，提高产品可靠性和客户满意度。上述案例中体现的NVH指标或者主观感受不能仅仅是一个单体就能评定，应该考虑冷却系统匹配和整车框架的搭建:将产品NVH可靠性分析与设计方法(如有限元分析声学分析模态综合分析和传递路径分析等)融入产品全生命周期管理，特别是在设计方案阶段，以减少后期变更时间和成本:企业更应该建立NVH动态更新的经验教训库和失效模式库，实现问题的闭环监控管理，防止问题的再发生。

【参考文献】

[1]谭建成.永磁无刷直流电机级数[M]北京:机械工业出版社2011.

[2]黄显利.电动汽车NVH的设计与开发[M]北京:机械工业出版社,2020.