汽车发动机冷却风扇NVH技术交流
汽车NVH介绍普及
NVH的分类
按照影响程度，NVH问题可以分为两类：一类是影响汽车驾 驶员和乘客舒适性的问题，如车内噪声过大、振动明显等； 另一类是影响汽车性能的问题，如发动机振动、传动系统异 响等。
按照产生机理，NVH问题可以分为空气动力性NVH问题、机 械性NVH问题和电磁性NVH问题三类。
车身振动是指汽车在行驶过程中， 由于路面不平、发动机运转等因
素引起的车身振动。
车身振动不仅影响乘坐舒适性， 还会影响汽车零部件的寿命。
降低车身振动的方法包括优化悬 挂系统设计、采用减震器等，以
提高汽车的稳定性。
声振耦合
声振耦合是指汽车在行驶过程中，由 于各种噪声和振动源的相互作用，使 得噪声和振动在车内传播和叠加的现 象。
03
在汽车研发和生产过程中，解决NVH问题需要投入大量 的人力和物力，因此，对于汽车企业和零部件供应商来 说，NVH性能的提升也是提高产品质量和降低成本的重 要途径之一。
02 NVH的主要影响因素
发动机噪音
发动机是汽车的主要噪声源之一，其产生的噪音包括燃烧噪音、机械运动噪音等。 发动机的转速、负荷和燃烧方式等因素都会影响发动机噪音的大小。
降低发动机噪音的方法包括优化设计、采用降噪技术等，以提高汽车的舒适性。
风噪和路噪
风噪是指汽车在高速行驶时， 空气与车身相互作用产生的噪 音。
路噪是指汽车轮胎与路面摩擦 产生的噪音，以及车身振动产 生的噪音。
降低风噪和路噪的方法包括优 化车身外形设计、采用隔音材 料等，以提高汽车的静谧性。
车身振动
汽车nvh介绍普及
目录
• 什么是NVH • NVH的主要影响因素 • NVH的改善措施 • NVH的未来发展趋势 • 案例分析
基于HyperMesh的汽车发动机冷却风扇有限元分析
图1冷却风扇的三维模型模型中小孔的半径，以便进行后续清理工作。
前期处理是为了是模型网格的划分更加顺利的进行，使模型能够在更合理的区域内划分网格，提高模型网格划分的质量，后续的分析计算；划分网格首先采用软件自动网格生成工具进行划分，因四边形壳网格单元的质量最好所以以四边形壳网格单元为主要的单元形态，三角形单元质量较差，所以如果必须使用三角形时尽量使用较少的三角形单元，图2风扇网格划分静力分析完成模型导入和网格划分之中的所有步骤后建立载然后提交Optistruct ，将run option 栏改为最后点击Optistruct 得到如图3静力分析云图。
然后进行模型的优化，在完成静力分析的基础上定义设计变量在analysis 中打开optimization ，在topology 模块中定义变量；然后在responses 中定义响应变量在该模块中分别定义质量vol 和位移dis ，接着是在objective 中定义目标，在deonstraints 中施加约束，最后提交将run0ption 栏改为optimization ，点击optistruct 得到如图4优化云图。
2.2模态分析本次模态分析设置为六阶模态，模态分析步骤与静力分析相似首先定义好材料属性然后定义和施加约束建立模态分析卡片最后建立载荷步提交得到分析云图。
析结果云图如图5所示。
3结论本文以汽车发动机冷却风扇为研HyperMesh 中首先对风扇进行前期的几何处理、网格划分、以及静力学分析和模型优化析最后通过模态分析对优化后的模型进行验证。
在发动机冷却风扇的静力学分析中，该模型大部分区域应力和位移变化量符合设计要求；图3静力云图图4优化云图（1）一阶模态（2）二阶模态（3）三阶模态（4）四阶模态（5）五阶模态（6）六阶模态图5模态分析。
NVH介绍
一：定义汽车NVH是指汽车的Noise(噪声)、Vibration(振动)和Harshness(舒适性)。
汽车NVH研究以提高顾客的听觉、触觉、视觉等感官舒适度、改善汽车乘坐舒适性为目的，以提高车辆结构动态响应性能为手段，实现汽车的舒适性设计。
Noise(噪声)是指引起人烦躁、音量过强而危害人体健康的声音。
汽车噪音不但增加驾驶员和乘员的疲劳，而且影响汽车的行驶安全。
它是NVH问题中最主要的部分，常用声压级评价。
汽车噪声主要包括车身壁板产生的噪声、空气冲击摩擦车身形成的噪声以及外界噪声源(如发动机、制动器等)传入的噪声。
噪声是NVH问题中最主要的部分，汽车上的噪声主要包括车身壁板振动产生的噪声、空气冲击摩擦车身形成的噪声以及外界噪声源(如发动机、制动器等)传入的噪声。
人耳能分辩的声音频率一般在lkHz以下，噪声常用声压和声压级评价。
国家标准规定：汽车加速行驶时车外噪声要小于88dB，M1类汽车应小于77dBN；而车内噪声会影响乘员的语言交流，损伤驾驶员的听力，美国在1965年就规定公共汽车的车内噪声不得超过88dB。
主要通过频率、级别和音质来描述。
Vibration(振动)描述的是系统状态的参量(如位移)在其基准值上下交替变化的过程。
汽车振动主要包括由路面不平整而引起的车身垂直方向振动、发动机的不平衡往复惯性力产生的车身振动、转向轮的摆振和传动系的扭转摆动等，还有方向盘、仪表板等振动，一般来说，对人体舒适性影响较大的振动主要表现为座椅、地板对人体输入的低频振动，其频率范围在1～80HZ。
主要通过频率、振幅和方向来描述。
Harshness(舒适性)指的是振动和噪声的品质，它并不是一个与振动、噪声相并列的物理概念，而是描述人体对振动和噪声的主观感觉，不能直接用客观测量方法来直接度量。
总的说来，舒适性描述的是振动和噪声共同产生的使人感到疲劳的程度。
二：现象车辆的NVH基本上可以分为车身NVH、发动机NVH和底盘NVH三个部分；类型可以细分为道路NVH、制动NVH、空调系统NVH、空气动力NVH等数个部分。
发动机NVH问题与挑战
缸内压力的突变和压力升高率 燃烧室形状 电喷控制 压缩比 最大缸内压力、压力分布和能量、一次压升率和二次压升率 ……
82 80
75
Pa dB(A)
例子
70
65
76.70
74.57
调整点火提前角，
4320rpm时车内
噪声降低了
2.13dB
60 1000
4320.83 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
dt
x
x = r cosθ + l cosφ x = r cosθ + l 1 − λ2 sin 2 θ
λ ≤ 0.35 F = m&x& = mΩ2r{cosθ + λ cos 2θ}
1st order
2nd order
一阶惯性力和二阶惯性力占主要成分 三阶及以上成分可以忽略不计
φ
l
Ω
θr
配气机构的激励源： • 气门间隙：落座冲击 • 凸轮与摇臂之间的间隙：接触冲击 • 气门的弹簧力 • 凸轮轴扭转振动 • 曲轴传递盘的转速波动 • 链传动的几何效应 • 张紧力的变化
结构响应： • 链轮近处的轴承刚度结构 • 导链板支点处缸体局部刚度 • 罩盖模态及频率
壳体结构的控制
结构频率的控制 对单层结构，频率要尽可能提高以避免共振 结构加筋 连接点的数量和力
例子：某发动机旋转部件 与发动机的阶次关系
E2：发动机二阶激励； Cam：凸轮轴正时齿轮；
WP：水泵叶片；
WPB1：水泵轴承滚珠；
A：发电机；
AFF：发电机前风扇；
AB：发电机轴承； AG：发电机线槽
Cra：曲轴正时齿轮 WPB2：水泵轴承滚柱； ARF：发电机后风扇；
NVH技术进展趋势及建议
NVH技术进展趋势及建议
一、NVH技术进展
1.设计方面
随着汽车设计的不断发展，NVH技术也在不断进步。
现代汽车设计注重减少内部杂音，以创造安静的舒适性。
一些新技术和设计如停止引擎冷却系统风扇噪音，改进发动机振动性能，采用新材料减少噪音，改善变速箱传动系统和差速器的性能等，都可以显著提高汽车NVH性能。
2.计算机仿真
汽车NVH技术在计算机仿真技术的支持下得到了很大的提升，现在可以使用大量的计算机仿真软件来模拟汽车行驶过程中的噪声、振动和硬度等现象，从而更好地了解和控制汽车NVH性能。
3.声学仪器
随着声学仪器性能的提高，对汽车噪声、振动和硬度进行检测及测量也变得更加容易。
现代的声学仪器可以快速准确地测量汽车噪声、振动和硬度，以便对汽车NVH性能做出准确的分析和评估。
二、NVH技术趋势
随着汽车行业技术的不断发展，NVH技术也在继续发展。
1.电动汽车
电动汽车凭借安静的操控体验而受到越来越多的消费者的喜爱。
发动机进气噪声及汽车NVH简介综述
合理设计进气管道和气缸盖进气通道，减少进气系统内压力脉动的强度和气门通道处的涡流强度。
导流管 进气管探入空滤器本体内，配合空滤本体内气道设计来消除噪声。 空气滤清器相当于一个扩张消音器，影响其传递损失的因素有两个：扩 张比m和滤清器的长度L。 扩张比越大越好，有两种办法提高扩张比：一是减小管道的尺寸，二是 增加滤清器的截面积。减小管道尺寸会使得功率损失增加，而增加滤清 器的截面积又受到安装空间的限制。将进入管和输出管插入到滤清器中 也可以提高滤清器的传递损失。
另外，如果进气管中空气柱的固有频率与周期性进气噪声的主要频率一致时，会产生 空气柱共鸣，使进气管中的噪声更加突出。
当进气阀关闭时，也会引起发动机进气管道中空气压力和速度的波动，这种波动由气
门处以压缩波和稀疏波的形式沿管道向远方传播，并在管道开口端和关闭的气阀 之间产生多次反射，产生波动噪声。
进气噪声与发动机的进气方式、进气门结构、缸径、凸轮型线等设计因素有关，对同 一台发动机来说，受转速影响最大， 转速提高一倍，进气噪声可以提高10—1 5dB(A)
2、进气噪声产生机理 进排气噪声均属于空气动力噪声，由于气体扰动以及气体和其他物体相互作用而 产生的噪声称为空气动力噪声 。直接向大气辐射的空气动力噪声包括：进气噪声、 排气噪声、冷却风扇噪声。 发动机进气噪声是由进气阀周期性开闭而产生的压力波动所形成的。 进气噪声主要包括：周期性压力脉动噪声、 涡流噪声、气缸的玄姆霍兹共振噪声和进 气管的气柱共振噪声。 进气阀门开启时，活塞由于上止点下行 吸气，临近活塞的气体分子以同样的速 度运动，这样在进气管内产生一个压力 脉冲，随着活塞的继续运动，它受到阻尼； 当进气门关闭时，同样产生一个有一定持 续时间的压力脉冲，于是产生了周期性的 噪声——脉冲噪声，其噪声频率成分主要 集中在200Hz以下的低频范围。 同时，进气过程中的高速气流流过进气门流 通截面时，会形成涡流噪声，由于进气门流通截面是不断变化的，涡流噪声主要 集中在1000-2000Hz之间的高频范围；
发动机NVH问题与挑战介绍
高频区域: 最后区域出现一个压力级的峰值是由于燃烧开始时缸内局部区域压力急剧 上升，引起气体高频振动而产生的。
影响燃烧噪声的因素
• 通过悬置到达车内 • 通过与前壁板连接的管路、拉索到达车内 • 通过传动轴到达车内 • 通过排气消声器吊耳到达车内
通过悬置系统的传递
在频率域内，结构声与空气声的比例
100
80 例子:发动机转速 = 3000 rpm
60
结构声
40
空气声
20
0 200 500
1000 频率 (Hz)
2000
在低频时，结构声占的比例较大 在中高频时，空气声占的比例较大
• ……
Response @ Inertia M
8
6
4
2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
结构振动
固体结构的振动 ① 动力总成的整体振动
② 曲轴的振动
③ 凸轮轴的振动
④ ……
壳体结构的表面振动 ① 正时罩壳 ② 油底壳 ③ 隔热罩 ④ ……
固体结构振动与壳体结构振动的区别 • 固体结构振动：主要给车内传递结构声 • 表面振动：主要给车内传递空气声
动力总成的整体振动 整体模态
¾动力总成的整体弯曲模态容易被发动机本身激励激起 ¾发动机激励与动力总成共振频率耦合，会造成动力总成的NVH问题 ¾振动会通过悬置支架和传动轴传递给车身，造成车身的NVH问题
发动机噪声的分类
燃烧噪声 由于气体压力变 化而产生的噪声
整车NVH介绍
整车NVH介绍一、 NVH定义NVH是指Noise(噪声),Vibration(振动)和Harshness(声振粗糙度),由于以上三者在汽车等机械振动中是同时出现且密不可分,因此常把它们放在一起进行研究。
声振粗糙度是指噪声和振动的品质，是描述人体对振动和噪声的主观感觉，不能直接用客观测量方法来度量。
由于声振粗糙描述的是振动和噪声使人不舒适的感觉，因此有人称Har shness为不平顺性。
又因为声振粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒适的瞬态响应，因此也有人称Harshness为冲击特性。
二、噪声的种类产生汽车噪声的主要因素是空气动力、机械传动、电磁三部分。
从结构上可分为发动机(即燃烧噪声),底盘噪声(即传动系噪声、各部件的连接配合引起的噪声),电器设备噪声(冷却风扇噪声、汽车发电机噪声),车身噪声(如车身结构、造型及附件的安装不合理引起的噪声及噪声源通过各种声学途径传入车内的噪声及汽车各部分振动传递途径激发车身板件的结构振动向驾驶室内辐射的噪声组成车内噪声。
)。
其中发动机噪声占汽车噪声的二分之一以上,包括进气噪声和本体噪声(如发动机振动,配气轴的转动,进、排气门开关等引起的噪声)。
因此发动机的减振、降噪成为汽车噪声控制的关键。
此外,汽车轮胎在高速行驶时,也会引起较大的噪声。
这是由于轮胎在地面流动时,位于花纹槽中的空气被地面挤出与重新吸入过程所引起的泵气声,以及轮胎花纹与路面的撞击声。
三、噪声的抑制1、改进噪声源噪声源抑制主要为发动机减震、进气噪声抑制、排气噪声抑制及传动系噪声抑制，即优化前消声器、主消声器及降低排气吊挂刚度；改进空气滤清器；采用小动不平衡量传动轴（在动力线校核后基础上）。
1.1、发动机减震减震垫布置原则：动力总成悬置布置主要分为三点式、四点式两种，KZ218系列车型动力总成悬置采用三点式布置。
动力总成质心理论上应布置在三角形重心上，并发动机悬置平面法线交点应在动力总成惯性主轴上方。
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汽车冷却风扇的主要技术参数
汽车冷却风扇叶片形状 铲形叶片风扇：叶片变宽、等安装角或变安装角。叶片形状顶端宽、根部窄，采
用这种叶形可充分利用风扇叶片在轴向安装，顶端有较大空间的特点，并利 用叶片顶端效率高的特点，适当增加风扇扇风面积而设计的，汽车上大多采 用此叶片形状。
汽车冷却风扇叶片材料 工程塑料型： 汽车上工程塑料风扇使用较广泛。材料主要有两大类：增强尼龙类及玻璃纤维
图1 风扇叶片常用参数
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叶片夹角
叶片夹角主要影响噪声的频谱组成。就叶片通过频率噪声而论，等夹角风扇对于谐波的节拍声是 不利的，不等节距夹角的风扇，在节拍声基频以下发生分谐波，可使噪声下降。
叶片材料
叶片材料对噪声有一定的影响，采用非金属材料制造叶片，可使噪声下降。
叶片数
增加风扇的叶片数，可增加风扇风量，相应地可降低转速。叶片数对风量的影响，从2到6叶风量 增加率是线性的，但以后随着叶数增加，风量的增加率越来越小。叶片数变化对声级的影响，与转速 无关，每叶约增加1 dB(A)。
辐射噪声 风扇电机本体的辐射噪声等。
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风扇噪声控制
转速
转速是影响风扇噪声的主要因素，因为提高转速，是用来满足足够风量最常用方法。 试验发现，如转速加倍，风量基本加倍，消耗功率增加将近7倍，而声压级将增加15dB， 在满足一定的冷却需求及合理布置的前提下 。
叶片弦长
叶片弦长对风量、消耗功率、声压级都有影响。窄叶、较高转速风扇可供给和宽叶 、较低转速风扇相同的风量，但其声压级及功率消耗却有可能增加了。而弦角大的风扇 要比弦角小的风扇噪声小，但弦角对风扇消耗功率有相反的影响。
风扇控制策略
档位式、PWN 式
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案例：XXX各样车风扇噪声与竞争车型对比
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影响XXX冷却风扇噪声的主要原因及解决建议：TOP3
TOP 1：驱动电机
车型
驱动电机形式
特点
XXX 2个驱动电机，2个固定档位转速 根据水温调节转速，最高转速出现比率大
RAV4/ PWM脉宽调压，无级变速
汽车发动机冷却风扇NVH 技术交流
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目录 1.风扇类型 2.汽车冷却风扇的技术参数 3.风扇噪声产生机理 4.风扇噪声控制 5.案例：某车型风扇与BM车型对比
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风扇类型
1.按结构型式分类
①离心式风扇； ②螺旋式风扇； ③轴流式风扇 轴流式风扇：叶片数4～10叶，效率较高、结构紧凑、安装性好、布置方便，风 量较大。在汽车上应用较广。
RAV4/BYDG6/H6: 护风圈，保证扇叶末
端旋转的整体性， 减小因末端变形 引起的噪声； 减
少风量损失；
XXX 4条对称分布的主
要加强筋
RAV4: 13条不等间距加强
筋：减小谐波 噪声，增加结 构刚度
PS：
1.增加护风圈；2.增加加强筋数量，采用非固定间距形式的加强筋
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TOP 3：密封性
轴功率
指发动机传递给风扇轴上的功率，通常称风扇所消耗能量。
…
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风扇噪声产生机理
旋转噪声
由风扇旋转的叶片周期性打击空气质点，引起的压力脉动激发出的噪声，这种周期性的压 力脉动是由一个稳态的基频和一系列谐波分量的叠加而成。这些脉动分量可用下式表示：
f＝inz／60(Hz) 式中：z——风扇叶片数； n——风扇转速，(r／min)； i——1，2，3…。
BYD /G6
根据水温变化实施无级调速，噪声增大是 逐 渐的，不突然，最高转速出现比率很小
PS： 驱动电机形式直接影响了冷却风扇工作转速，改变驱动电机形式，改为 多级式或无级变速形式，能够降低高转速出现的比率，从而减小最大噪 声的出现比率
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TOP 2：风扇造型
护风圈
加强筋
XXX 不带护风圈
2.按布置型式分类
①吸风式：风扇向后排风与汽车行驶方向一致，有利于迎面风的利用； ②吹风式：在没有气流冲击效应时，采用吹风式布置。
3.按传动方式分类
①直接传动式：风扇固定在曲轴前端，这种方式结构简单，但需要橡胶减振。 ②间接传动：通过V型皮带、多契带、齿轮、风扇离合器等驱动风扇。风扇往往 和水泵装在同一根轴上，由于传动比可以选定，确定风扇外径比较方便。但由于悬 伸部分较长，从可靠性考虑必须减轻风扇质量。 ③电动风扇：由于这种传动方式与发动机本身没有直接的关系，所以风扇尺寸 、布置的自由度较大。用水温开关传感器等进行自动控制，可降低驱动功率损失及 噪声。
0.02
F
AutoPower 147mm:S (A) 5 blades fan with star 12V 2359RPM 4ok
Pa Amplitude(A)
0.00
198.05
20.00
Hz
2000.00
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涡流噪声： 由于风扇旋转时使周围的空气产生涡流，这些涡流又因粘滞力的作用分裂成一系列独
护风罩延伸
起隔离作用的EPDM海绵
闭孔海绵
RAV4/H6： 护风罩延伸较长，对散热器形 成包裹，且左右两侧加闭孔海面加强 密封；
PS：增强前端密封性,延长护风罩
XXX：护风罩无明显延伸，仅在散热器与冷 凝器间局部加隔离材料，两风扇结合 处及该总成与车身接触面无密封材料
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护风罩
护风罩是风扇和散热器之间的导风段。从减小涡流和气流阻力来说，以出风口与散热器正面 渐变连接并带有“钟口式” 扩散口的形式为最好，护风罩与散热器的连接不得有过大的空隙 因 为工作时护风罩内的压力低于大气压力，从空隙进人的空气不仅未参与发动机冷却，还使噪声增 加。某一护风罩的试验结果表明，将护风罩上下部的漏气空隙堵死，通过散热器的风量增加了9 ％ ，噪声下降2 dB(A)；当降低转速恢复到原有的风量时，噪声又下降3 dB(A)。
增强聚丙烯类。塑料风扇可制作成全塑型的小型风扇或带有金属嵌件的复合型塑料 风扇。为便于风扇的安装及传动功率，汽车风扇大多为带有金属嵌件的复合型塑料 风扇
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风量
风扇在单位时间内所输送的体积流量，为单位m3/s。
静压pst
指风扇克服冷却系空气流动阻力的能力，即风扇进口处的负压与大气压力之差 ，单位为Pa
立的小涡流，这些涡流和涡流的分裂会使空气发生扰动，形成压力波动，从而激发出噪声。 当该涡流引起的振动频率与叶片的固有频率接近时，产生共振，噪声增加，久而久之，风 扇叶片极易折断。涡流噪声是宽频带噪声，主要取决于叶片形状和风扇的工作条件(即转速、 流量和气流阻碍)
共振引起的噪声 风扇的护风圈、叶片等结构由于共振也会产生结构噪声。