风扇噪声及设计资料

发动机噪声 宁波雪龙汽车风扇制造有限公司 一 声学基本知识二 发动机噪声源三 风扇设计四 发动机降噪措施 1 声波的波长 频率和声速声音传播时 由于发声体的振动使周围的空气形成周期性的疏密状态 两个相邻密集或相邻稀疏间的距离称之为波长 即振动经过一个周期 T 声波传播的距离 每秒媒质质点振动的次数 称为频率f 显然 f 1 T 频率和波长的乘积 就是声速 用C表示 单位 m s C f 2 声能量 声功率和声强声波传播中 一方面使媒质质点在平衡位置附近来回振动 获取振动动能 同时在媒质中产生了压缩和膨胀的疏密过程 使媒质具有形变的势能 两部分能量之和 就是声能量 声功率 声源在单位时间内辐射的总能量称为声源的声功率W 单位为瓦 声强 在自由声场中 单位时间在垂直于波的传播方向上单位面积所通过的声能量 称为声场 用I表示 W m2 一 声学的基本知识 3 声波的反射 折射和透射声波入射到两媒质分界处时 一般会在原来的媒质中发生反射声波 同时还有一部分声波将透射到界面另一侧的第二种媒质中 4 声波的叠加设声场中存在P1 P2 P3 Pn n个独立声波 在某点总声压叠加原理为nP P1 P2 Pn Pii 1如果两个声波频率相同 他们之间的相位差仅与空间位置有关 对于固定地点 则相位差恒定 此时将发生声波干涉 在一般的噪声问题中 所遇到的声波频率不同 或不存在固定的相位差 或者两者都有 那么将不发生干涉 5 级与分贝的概念在我们所处的声学环境中 会遇到声场从弱到强范围很宽的各种声音 在如此广阔范围的能量变化 直接使用声功率和声压的数值很不方便 在声学中普遍使用对数坐标来度量声压 声强 声功率 分别成为声压级 声强级和声功率级 单位用分贝 dB 表示 汽车发动机噪声按照其来源分成燃烧噪声 机械噪声 表面辐射噪声和空气动力学噪声 燃油在气缸内燃烧 压力急剧升高 相当于无数个小锤敲击气缸 引发气缸和其他零部件的振动 这就是燃烧噪声 发动机零件运动方向和速度大小的不断变化造成各种冲击力 也引发振动 这是机械噪声 各种振动传到发动机表面而发出的噪声是表面辐射噪声 而空气动力噪声 就是发动机空气流动时产生的噪声 振动与噪声是一对孪生兄弟 发动机噪声主要由振动引起 而发动机振动还会引发汽车车身的振动与噪声 国际上和我国都对内燃机噪声制定了严格的限制标准 跟排放法规一样 如果噪声超过了法规限值 同样不容许出厂销售 所以汽车发动机厂家现在都把降低发动机振动与噪声作为一项头等重要任务 就燃烧噪声而言 柴油机比汽油机更为突出 为了降低柴油机的燃烧噪声 可以推迟喷油 使燃烧平缓 但都会使发动机的动力性能和燃油经济性下降 电子控制可以在这两者之间达到最佳的折衷 匹配 冷发动机的噪声比热发动机更大 一项最重要的解决措施是 在将大量柴油喷入气缸之前先喷入一小部分柴油 也可以将原本一次喷入的柴油分四次甚至五次喷入 二 发动机噪声源 汽车发动机机械噪声的种类很多 提高零件加工精度是降低机械噪声最有效的办法 较大型的发动机还要避免曲轴扭振 否则 不仅发动机自身的噪声大 整车也会受它的影响而产生剧烈的振动 单缸机 两缸机和四缸机还必须配置平衡轴 为降低气门传动链零件之间的噪声 必须采用液压补偿元件 如液压挺杆等 可是 如果机油压力不够 或者机油中混入太多的空气 液压挺杆也会产生噪声 此外 齿轮传动也会发出噪声 发动机的所有零件磨损到一定程度都必须更换 否则噪声更严重 表面辐射噪声跟零件刚度有关 薄壁零件要用加强筋减少振动和噪声 这就跟敲锣一样 如果用手捂住锣面 锣声会立刻止住 设计时可用计算机仿真 预测零件的噪声大小 不断加以改进 空气动力性能噪声主要由排气噪声 冷却风扇 散热水箱 转动主轴震动等引起 降低排气噪声的有效方法是使用消声器 风扇噪声是由旋转噪声和涡流噪声组成 旋转噪声由旋转风扇叶片切割空气气流产生周期性振动而引起 涡流噪声是气流在旋转的叶片截面上分离时 由于气体具有粘性 使滑脱或分裂成一系列的漩涡流 从而辐射一种非稳定的流动噪声 第一节概述汽车冷却风扇是汽车发动机冷却系中的一个重要部件之一 以下简称风扇 风扇消耗功率约占发动机额定功率的3 10 电动风扇除外 如果设计优良 风扇安装及匹配合理 则风扇在工作时消耗功率仅为发动机额定功率的3 5 为保证汽车发动机的正常工作 对风扇设计提出各种要求 需要风扇提供足够的风量 有一定的风扇压头值以克服系统阻力 风扇直径对散热器芯部的覆盖面积要足够大 使通过散热器的风速均匀 在要求风量大的同时要求风扇消耗功率要小 静效率要高且等效率区域宽阔要求风扇尽可能在高效率区域工作 要求风扇结构紧凑 质量轻 噪音小 适合大量生产 成本低 采用风扇护风罩避免回流损失等 因此风扇设计和安装条件 匹配合理与否对汽车发动机有效的工作起着至关重要的作用 需要指出的是由于汽车工业及相关工业的发展 进入80年代以来 在风扇的结构设计及驱动方式上有很大的发展 并取得了明显的效果 三 风扇设计 首先是由于有优异的工程塑料 先进的三坐标测量和数控加工设备及塑料模具和高精度大型注塑机械的发展 使塑料风扇在汽车上的应用成为现实 当今工业发达国家均采用塑料风扇 其次 多数风扇的驱动方式是和发动机有一定的传动比 风扇的转速是随发动机的转速而变 但发动机工作时需要冷却系带走的热量和发动机的转速并无直接关系 它主要是和发动机负荷有关 风扇设计都是冷却系遇到最恶劣 最苛刻工况作为设计依据 这样设计的风扇 发动机在其他工况工作时必然带来一些缺点 如过多消耗发动机有效功率和燃料 在冬季冷态磨损增加 起动预热时间长 噪音大等 为克服这些缺点 改变传统的驱动方式 根据发动机的温度来自动控制风扇的风量 采用风扇离合器 电动风扇 挠性风扇等达到这种目的 本章主要是叙述汽车轴流式风扇的结构参考选择 设计计算方法 平衡计算等 关于风扇的基本理论见 通风机手册 一书 第二节风扇结构型式及其特点1 按结构型式分类 离心式风扇 离心式风扇其轮毂比较大 叶片数较多 比转速 100 离心式风扇虽然效率较低 但能使气流转向 总布置方便 产生的压头较高 故在风冷发动机中应用较广泛 轴流式风扇 轮毂比只有0 2 0 5 叶片数4叶 10叶 比转速 100的风扇为轴流式风扇 轴流式风扇效率较高 结构紧凑 安装性好 布置方便 在低压头情况下风量较大 在汽车 拖拉机 工程机械 内燃机车上应用较广 螺旋式风扇 螺旋式风扇在航空及船舶中使用 汽车上很少见到 2 按布置型式分类 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 汽车 拖拉机大多采用吸风式风扇 吹风式 在没有气流冲击效应时 采用吹风式布置 如发电设备 固定动力 工程机械等 3 按传动方式分类 直接传动式 风扇固定在曲轴前端 这种方式结构简单 但需要橡胶减震传动 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 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 由于受电动机功率的限制 在载货车中应用较少 在轿车中电动风扇应用较广 4 按材料 制造工艺分类 薄板冲压 薄钢板容易冲压成形 结构简单 生产效率高 成本低 在50年代 70年代汽车上广泛应用 由于对钢板材料要求高 质量重 制造工艺复杂 能耗大 结构设计不合理等因素 80年代后逐渐被塑料风扇所替代 铝合金铸造 单位生产 生产效率低 汽车上很少使用 塑料压注 塑料风扇比钢板风扇轻1 3 5 6 结构设计合理 效率高 噪音小 工艺性好 适合大量生产 成本低和使用可靠寿命长 在汽车上使用日益广泛 5 按叶片形状分类 刚性叶片风扇 刚性叶片是指风扇叶片在工作时 没有可见的弹性变形 其叶片的断面型式又可分为薄板圆弧型 机翼型及导流型等 1 薄板型 这种叶片结构简单 便于冲压成型 生产效率高 成本低 在早期汽车中应用 其叶片形状可分为三种 直叶片风扇 叶片等宽 等安装角圆 弧形叶片 结构简单 便于组织生产 是早期使用较广的叶片形状 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周向安装时 顶端有较大空间的特点 并利用叶片顶端效率高的特点 适当增加风扇煽风面积而设计的 汽车上大多采用此叶片形状 前弯叶片风扇 由于叶片顶端有一部分向前弯曲 所以运转时它所排除的空气不完全为轴流 而有部分气流与轴向近45 方向排出 这样就能减少叶片顶部空气的涡流损失 减少排风时的背压 提高使用效率 它的缺点是结构比较复杂 安装时轴向尺寸较大 2 机翼型 机翼型叶片在风扇其叶片断面形状 结构设计合理 叶片的空气动力性能好 效率高 噪声低 适应于高速旋转 在塑料风扇中广泛使用机翼型叶片 由于它的断面形状要求严格 模具难度大 制造成本高 使用时必须谨慎 设计必须一次成功 3 导流型 导流型风扇是最近发展起来的 其特点是在叶片的工作面上有导流叶片 它的作用是使风扇运转时给气流导向 在结构尺寸相同的条件下 导流风扇比一般风扇能提高风量及静压 使风扇特性得到改善 但这种叶片工艺性差 实际使用较少 挠性叶片风扇 挠性风扇在运转过程中 叶片的投影宽度随转速提高而变窄 叶片在空气中的作用面积也变小 风扇的煽风量随之改变 它可充分利用轿车高速时的迎面风效应 使风扇的驱动功率得到明显的改善 同时降低了噪声 叶片在工作时能变形是由于材质很薄 此外风扇叶片与托板的联系方式促使风扇在运转时叶片的质量中心对托板的支点产生一个力矩 使叶片投影宽度变小 为防止工作过程中叶面的腐蚀损坏 必须进行防腐处理 这种风扇虽然性能很好 但是由于本身的特殊要求 工艺复杂 成本高而没广泛使用 只有极个别要求高的轿车中使用 目前还没有被电动风扇 塑料风扇 风扇离合器的发展而淘汰的可能 第三节风扇材料 1 薄板型 薄板型风扇大多由托板 叶片 铆钉 等组装而成 托板大多由冲压性能好 强度高的钢板冲压成型 材料有08AL 06Ti 10Ti 16Mn 20钢板等 风扇直径大的风扇 有的采用双层托板 叶片的材料有20钢板 为减轻质量用LF6 LY16铝合金板或塑料尼龙叶片 铆钉材料大多为刚质标准件 为减轻质量也有用铝铆钉的 2 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 第四节风扇的主要性能参数 1 风量Q 指风扇在单位时间内所输送的体积流量 为单位m3 s 2 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 3 轴功率N轴 指发动机传递给风扇轴上的功率 通常称风扇所消耗能量 4 静压有效功率Nst 指单位时间内空气从风扇工作中所获得的实际能量 Nst Pst0 Q式中Nst 静压有效功率 kw Q 空气流量 m3 s Pst0 标准状态下的静压 Pa 标准状态 室温t0 20 大气压力p0 101325pa 相对湿度50 空气密度r0 1 2kg m3 5 静压效率 st 静压有效功率于轴功率的比值 常以 表示 st Nst N轴0 100 式中N轴0 标准状态下的轴功率 kw N轴0 N轴 1 2 ra式中ra 试验时的空气密度 kg m3 第五节风扇的无因次参数为了比较各种不同类型风扇的特征 根据气体流动相似要求 两个风扇的几何相似 运动相似 动力相似条件下 导出风扇的主要性能参数 流量Q m3 s 静压Pst Pa 轴功率N轴 kw 转速n r min 与风扇的特征值 风扇外径D2 m 风扇圆周速度u2 m s 以及空气密度r0 kg m3 之间的关系用无因次参数来表示 1 流量系数QQ 4Q D22 u2 式中u2 D22 n 60 m s 2 静压系数PstPst Pst g r0 u22 式中r0 空气密度 r0 1 2kg m3g 重力加速度 g 9 81m s2 3 功率系数N轴N轴 4 N轴 g D22 r0 u23 4 比转速nsns 0 03116n Q 0 5 Pst0 75风扇的无因次参数可用来对风扇相似设计时进行比较和计算 第六节风扇设计方法一 经验统计法1 风扇外径D2汽车 拖拉机发动机风扇直径 可根据发动机排量 散热器的正面积尺寸来初步计算 一般选取D2 0 3 0 7 m 重型和大排量发动机取上值 但风扇圆周线速度不允许超过120m s D2 0 8 0 93 F散F散 B H 散热器面积 D2 2 5 3 1 3 VhVh 发动机排量 m3 2 风扇传动比II 0 9 1 6 合理范围 根据发动机布置 确定风扇传动比 高速发动机去下值 低速发动机取上值 3 风扇轮毂直径dd 0 2 0 5 D2轮毂直径取得过小 使叶片根部处于不合理状态 过大 风扇有效面积小 使容积率下降 一般装风扇离合器的风扇其轮毂比要取大值 约 0 35 0 45 之间 4 风扇叶片安装角 叶片叶弦与风扇安装平面间的夹角称叶片安装角 叶片安装角分等安装角和变安装角两种 圆弧型风扇等安装角的合理范围为 25 35 之间 在 30 2 风扇效果最佳 变安装角风扇 从叶根到叶顶 45 25 之间变化 5 叶片弦宽b和拱高f合理范围 b 0 175 0 2 D2拱高f与弦宽b之比 合理范围 0 05 0 1之间 6 叶片圆弧的曲率半径r合理范围 r 0 3 0 4 D2弦宽b与圆弧的曲率半径r之比 0 4 0 8之间 空气动力性能较为合适 7 叶片长度L和叶片厚度 合理范围 L 0 28 0 33 D2 0 015 0 020 b8 风扇叶片数Z因为增加叶片数并不显著增加风扇的流量 一般取Z 4 10 片 从以上分析可知 影响风扇性能的结构参数 彼此都不是孤立的 而是有内在联系的 风扇在空气中旋转 即要风量大 又要使空气阻力小 这样就得合理选择这些参数 以提高风扇效率 满足汽车发动机对冷却风扇的使用要求 二 似设计法经风扇性能试验选定一种性能良好 运转可靠的模型风扇时 可应用相似设计原理与试验相结合的方法设计新风扇 风扇相似准则 无因次的流量 压力系数及性能换算可指导风扇的相似设计 第七节风扇叶片强度和风扇平衡计算1 风扇叶片强度计算 风扇叶片旋转时 叶片上受到的离心力和气体流动压力 前者造成拉伸应力 后着导致弯曲 叶片所受的全部载荷通过叶根传到轮毂 1 叶片上的离心力PCNPC m 2 rc式中PC 叶片上的离心力N 2 叶片质量kgrc 叶片重心至叶轮中心之距离m 风扇角速度red s n 30 2 叶片根部的拉伸应力 cN m2 c PC F式中F 叶片根部的横截面积 m2 3 气体流动切向力PU NPU 1000N轴 Z Um式中N轴 轴功率kwZ 叶片数Um 叶片平均半径处的圆周速度m s 4 轴向力PzNPz Pst L t式中Pst 风扇产生的静压值 N m2 L 叶片全长 m t 叶片平均直径圆周上的节距 m 5 载荷力PhNPh PU2 PZ2 6 弯距MhN mMh Ph L 2 COS h p 式中 h 叶片根部截面的法线与圆周切线之间的夹角 h 90 叶片安装角 p 载荷力Ph与圆周切线之间夹角 7 最大弯曲应力 hN m2 h Mh w式中w 叶片根部断面系数 m3 8 叶片根部总应力 yN m2 y c h 9 安全系数nn s y 4 许用安全系数 式中 s 叶片材料的屈服极限 N m2 2 风扇的静平衡计算 一般风扇为偶数叶片 叶片间夹角为均布或不均布但对称 此时风扇均为静平衡 为了降低气流的共振现象 风扇叶片取奇数 不均布等 此时就需对风扇的静平衡进行计算 按设计图纸或测绘的叶片间夹角 分两边作矢量图 要求两边的离心力合力大小相等 方向相反且在同一直线上 要求矢量差不大于0 02 角度差不大于2 若达不到要求 调整角度重新计算 直到达到要求时为止 第八节风扇安装条件对风扇性能的影响风扇安装条件对风扇性能的影响较大 若设计优良的风扇安装条件差 原有的性能不能充分发挥 所以在整车冷却系布置中必须给予充分的重视 1 径向间隙对风扇性能的影响径向间隙S与风扇直径D之比每增加1 风扇流量下降2 5 4 效率下降2 3 风扇设计条件S D 1 汽车上实际径向间隙大多在20mm左右 径向间隙对风扇性能的影响比较大 在汽车上尽可能采取小的径向间隙 2 轴向间隙对风扇性能的影响试验结果表明 风扇叶片投影宽度的1 2 2 3在风扇护风罩比较有利于风扇性能的发挥 风扇前端与散热器散热带的后端的间隙大于30mm 有利于气流组织的均布 3 风扇对散热器芯部地覆盖面要大 并尽量煽散热器上部分 必须采用风扇护风罩 4 为降低噪声 风扇工作点性能相同时 应避免风扇直径小 转速高 应尽可能采用直径大转速低些的风扇 5 尽量减少散热器的热风回流 减少排风背压 使风扇排风通畅 1 优化风扇结构2 使用硅油离合器3 强化散热强化发动机的散热效率也非常重要 在正常情形下 当发动机的温度上升时 其工作效率必然下降 这就是汽车靠外置水箱循环水流来冷却它的原因 为了使冷却水快速降温 水箱配置了冷却风扇 水箱的盖子其实大有学问 通常 水箱盖的压力有0 9 Kg或1 1 Kg两种数值 在正常的气压下 水的沸点为100 C 而0 9 Kg的水箱盖会将水的沸点控制在105 C左右 1 1 Kg的水箱盖则会将水的沸点提高至110 C左右 而竞技版的水箱盖其压力值则为1 3 Kg 它能将水的沸腾温度大幅提升到126 C 也