一种电动冷却风扇振动噪声的测算评价方法与流程

1.本发明属于汽车零部件技术领域，涉及一种零部件参数的测算评价方法。


背景技术：

2.电动冷却风扇是保证汽车发动机正常工作的重要部件之一，其主要功能是使发动机冷却模块前后产生压差，促进空气流通，以增强热交换器的散热能力，确保整车在某些特殊工况如城市怠速、山区爬坡情况下的空气流量需求。由于电动冷却风扇是旋转运动件，风扇旋转运动产生的噪声及振动会通过车身传递到驾驶舱，给驾乘人员带来抱怨，所以对冷却风扇振动噪声的控制尤其重要。
3.然而，目前很少在设计阶段就能准确确定风扇的振动噪声水平是否满足整车振动噪声性能要求，就算对风扇的振动噪声水平进行评价，也只是基于模糊的经验值，可靠性不高。因此，一旦装车进行整车测试后，电动冷却风扇振动噪声往往可能满足不了整车振动噪声性能要求，从而电动冷却风扇的结构需要进行调整，需要对其模具进行修模甚至再次开模，浪费了大量的时间，提升了风扇以及整车的开发成本。


技术实现要素：

4.为解决背景技术中所述的问题，本发明提出了一种电动冷却风扇振动噪声的测算评价方法。
5.本发明的测算评价方法，包括以下步骤：
6.步骤一、获取电动冷却风扇的转速-卡滞力值数据；
7.步骤二、对电动冷却风扇的转速-卡滞力值数据进行拟合，得到卡滞力目标公式和卡滞力测算公式；
8.步骤三、通过卡滞力测算公式测算设计的电动冷却风扇在不同转速下的卡滞力测算值；
9.步骤四、基于转速-卡滞力测算值生成卡滞力测算曲线，基于卡滞力目标公式生成卡滞力目标曲线，将卡滞力测算曲线与卡滞力目标曲线进行对比：若卡滞力测算值小于等于卡滞力目标值，则设计的电动冷却风扇满足整车振动噪声要求；若卡滞力测算值大于卡滞力目标值，则设计的电动冷却风扇不满足整车振动噪声要求。
10.进一步地，所述的步骤一中，选取多个在使用的转速范围内可满足整车振动噪声要求的电动冷却风扇，将电动冷却风扇通过护风圈上的多个安装固定点安装到刚性台架上，在台架的多个安装固定点安装位置上均安装力传感器，将力传感器连接至电荷放大器，将电动冷却风扇的转速传感器连接转速信号转换器，将电荷放大器和转速信号转换器均连接至电脑，在不同转速条件下测量电动冷却风扇的卡滞力值。
11.进一步地，在不同转速条件下，通过力传感器测量出各电动冷却风扇安装固定点x、y、z三个方向的振动力，根据各电动冷却风扇安装固定点x、y、z三个方向的振动力计算得到电动冷却风扇的卡滞力值。
12.进一步地，所述的步骤二中，对多个电动冷却风扇的转速-卡滞力值数据进行拟合，得到卡滞力目标公式：电动冷却风扇的转速小于等于特定转速时，其卡滞力目标值是一个定值；电动冷却风扇的转速大于特定转速时，其卡滞力目标值随着转速线性增加。
13.进一步地，所述的卡滞力目标公式通过matlab软件结合最小二乘法得到：
14.0＜x≤1200rpm，fm＝a n，
15.x＞1200rpm，fm＝(b*x-c)n，
16.其中x为转速，fm为卡滞力目标值，a、b、c均为常数。
17.更进一步地，所述的步骤二中，对每个电动冷却风扇的转速-卡滞力值数据进行拟合，利用高斯函数概率密度函数，得到拟合公式，并通过电动冷却风扇的参数对拟合公式进行有效性验证，直到有效性达到要求为止，得到卡滞力测算公式。
18.更进一步地，所述拟合公式通过使用三个高斯函数无限逼近和 matlab软件结合最小二乘法拟合得到：
[0019][0020][0021][0022]
其中，a1为电动冷却风扇的最大允许不平衡量，单位为g.mm； m1为一阶固有频率转速，单位r/min；m2为二阶固有频率转速，单位r/min；m3为三阶固有频率转速，单位r/min；s1为一阶固有频率转速的方差，单位r/min；s2为二阶固有频率转速的方差，单位r/min；s3为三阶固有频率转速的方差，单位r/min；x为转速，单位rpm；fc为卡滞力测算值，单位n；
[0023]
并通过电动冷却风扇的参数对拟合公式进行有效性验证，直到有效性达到要求为止，得到卡滞力测算公式。
[0024]
进一步地，所述的有效性验证中，根据工业化能力确定测量的电动冷却风扇的最大允许不平衡量，利用cae软件对测量的电动冷却风扇的数据进行分析，得到电动冷却风扇的各阶固有频率及其方差，将其代入到拟合公式中计算得到卡滞力测算值，通过对测量的电动冷却风扇同一转速条件下的的卡滞力实测值与卡滞力测算值的对比，对拟合公式进行有效性验证。
[0025]
更进一步地，所述的有效性验证中，针对测量的电动冷却风扇，同一转速条件下，拟合公式计算得到的卡滞力测算值与卡滞力实测值的公差范围≤
±
5％，则拟合公式的有效性达到要求。
[0026]
更进一步地，本发明的测算评价方法还包括：步骤五、若设计的电动冷却风扇不满足整车振动噪声要求，通过提升电动冷却风扇的刚度，提高电动冷却风扇的固有频率，得到改变后的最大允许不平衡量和各阶固有频率及其方差；
[0027]
步骤六、重复步骤三至步骤五，直至改变后的电动冷却风扇满足整车振动噪声要求为止。
[0028]
本发明与现有技术相比，能够在设计阶段测算出风扇的振动噪声水平，并对电动冷却风扇的振动噪声水平进行评价，从而确定电动冷却风扇的振动噪声水平是否满足整车
振动噪声性能要求，以便在电动冷却风扇设计阶段对风扇的振动噪声水平进行控制及时调整，电动冷却风扇企业在自己的试验室即可完成电动冷却风扇振动噪声水平的测算和评价，不需要依赖于整车试验数据，极大提高了验证效率，避免修模及再次开模，解决了电动冷却风扇模具定型后不易更改的难题，节约了时间，降低了风扇以及整车的开发周期及成本。本发明的测算评价方法可适用于普通燃油汽车、纯电动汽车、混合动力汽车等新能源领域的电动冷却风扇。
附图说明
[0029]
图1为电动冷却风扇的卡滞力测试装置示意图。
[0030]
图2为电动冷却风扇的卡滞力目标曲线和卡滞力实测值曲线。图3为电动冷却风扇的卡滞力目标曲线和改善后的电动冷却风扇的 卡滞力测算曲线。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅做举例而已，同时通过说明，将更加清楚地理解本发明的优点。本领域的普通的技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。实施例中所述的位置关系均与附图所示一致，实施例中其他未详细说明的部分均为现有技术。
[0032]
如图1所示，电动冷却风扇t需要测试时，将其通过护风圈上的四个安装固定点t1、t2、t3、t4安装到刚性台架上，由于电动冷却风扇高速旋转时的激振力非常大，为了消除环境件变形引起的测量误差，准确测量电动冷却风扇本体产生的卡滞力，因此选用变形很小甚至变形可以忽略不计的刚性台架；电动冷却风扇跟台架是通过螺栓连接，力传感器跟台架也是通过螺栓连接，台架上每个安装固定点的安装位置均布置一个力传感器，一个力传感器引出三根连接线，分别测试x、y、z方向的振动力，将力传感器连接至电荷放大器，将电动冷却风扇t的转速传感器连接转速信号转换器，将电荷放大器和转速信号转换器均连接至电脑，完成测试装置的安装。
[0033]
在本实施例中，选取30个电动冷却风扇，这30个电动冷却风扇在使用的转速范围内可满足整车振动噪声要求，通过上述实验装置对其进行测量，通过力传感器测量出电动冷却风扇四个安装固定点x、y、z三个方向的振动力，电动冷却风扇的卡滞力为四个安装固定点x、y、z三个方向的振动力合力，则电动冷却风扇的卡滞力为：
[0034][0035]
其中，f为卡滞力，f1为4个安装固定点x方向的振动力合力， f2为4个安装固定点y方向的振动力合力，f3为4个安装固定点z方向的振动力合力。
[0036]
通过振动噪声测量分析系统软件测绘出卡滞力与随转速变化的曲线图。
[0037]
对30组转速-卡滞力值数据进行拟合，得到卡滞力目标曲线如图 2的虚线所示，通过matlab软件结合最小二乘法得到卡滞力目标公式：
[0038]
0＜x≤1200rpm,fm＝1.732n，
[0039]
x＞1200rpm,fm＝(0.00433*x-3.47)n，
[0040]
其中x为转速，fm为卡滞力目标值。
[0041]
电动冷却风扇的运行过程中，在没有共振的理想情况下，卡滞力是随着转速线性增加的，但实际中电动冷却风扇是有固有频率的，固有频率是物体的固有属性，当一个零件结构材料定下来后，n阶固有频率都能够用cae仿真计算出来，n阶固有频率的方差通过常见的数学公式即可得出。
[0042]
因此电动冷却风扇的卡滞力在实际测量时会有共振情况发生，因此得到的卡滞力实测曲线是有峰值的曲线，而卡滞力目标曲线不考虑电动冷却风扇的频率，每个转速下都有一个对应的卡滞力目标值。
[0043]
针对每个电动冷却风扇实测的转速-卡滞力值数据，通过使用三个高斯函数无限逼近和matlab软件结合最小二乘法拟合即可得到卡滞力实测曲线的拟合公式
①
：
[0044][0045]
其中，a1为电动冷却风扇的最大允许不平衡量，单位为g.mm； m1为一阶固有频率转速，单位r/min；m2为二阶固有频率转速，单位r/min；m3为三阶固有频率转速，单位r/min；s1为一阶固有频率转速的方差，单位r/min；s2为二阶固有频率转速的方差，单位r/min；s3为三阶固有频率转速的方差，单位r/min；x为转速，单位rpm；fc为卡滞力测算值，单位n。
[0046]
根据工业化能力确定该电动冷却风扇的最大允许不平衡量，利用 cae软件对满足整车振动噪声的30个电动冷却风扇的数据进行分析，得到30个电动冷却风扇的固有频率，将其代入到拟合公式
①
中，对拟合公式
①
的有效性进行验证。
[0047]
如图2所示，其中实线为一个电动冷却风扇的通过测试装置实测得到的转速-卡滞力曲线，该电动冷却风扇在高速转速为2700rpm时，实测得到的卡滞力值为14.7n。根据工业化能力确定该电动冷却风扇的最大允许不平衡量不为260g.mm，利用cae软件分析得到该电动冷却风扇的一阶固有频率为17.9hz,一阶固有频率转速1074r/min,一阶固有频率的方差为317.2r/min，二阶固有频率为35.5hz，二阶固有频率转速2125r/min,二阶固有频率的方差为635r/min，三阶固有频率为46.2hz，三阶固有频率转速2774r/min,三阶固有频率的方差为808.2r/min，将上述数值代入到拟合公式
①
中，卡滞力测算值的计算结果如下：
[0048][0049]
该卡滞力测算值与实测的卡滞力值的误差为：
[0050]
(14.88-14.7)/14.7＝0.01224＝1.224％。
[0051]
拟合公式计算得到的卡滞力测算值与卡滞力实测值的公差范围≤
±
5％。
[0052]
对不同转速、不同风扇均采用上述计算过程对拟合公式
①
的有效性进行验证，此处不再赘述。通过验证，证明拟合公式
①
切实有效。从而可将上述的拟合公式
①
作为卡滞力测算公式，即卡滞力测算公式
②
为：
[0053][0054]
其中，a1为电动冷却风扇的最大允许不平衡量，单位为g.mm； m1为一阶固有频率转速，单位r/min；m2为二阶固有频率转速，单位r/min；m3为三阶固有频率转速，单位r/min；s1为一阶固有频率转速的方差，单位r/min；s2为二阶固有频率转速的方差，单位 r/min；s3为三阶固有频率转速的方差，单位r/min；x为转速，单位rpm；fc为卡滞力测算值，单位n。
[0055]
设计的电动冷却风扇，根据工业化能力确定最大允许不平衡量，利用cae软件即可得知其固有频率，得到其一阶固有频率及其方差、二阶固有频率及其方差、三阶固有频率及其方差。通过卡滞力测算公式
②
测算设计的电动冷却风扇在不同转速的卡滞力测算值，并将转速
ꢀ‑
卡滞力测算值制成卡滞力测算曲线。
[0056]
将卡滞力测算曲线与卡滞力目标曲线进行对比：若卡滞力测算值小于等于卡滞力目标值，则设计的电动冷却风扇满足整车振动噪声要求；若卡滞力测算值大于卡滞力目标值，则设计的电动冷却风扇不满足整车振动噪声要求。对于不满足整车振动噪声要求的电动冷却风扇，通过增加风扇护风圈支架高度改变刚度，改变风扇固有频率，从而可改善其卡滞力值，以满足整车振动噪声要求。
[0057]
根据图2的实线所示的电动冷却风扇的实测得到的转速-卡滞力曲线，可知该电动冷却风扇在某些转速范围内并不满足整车振动噪声要求，而这一结论并不需要在该电动冷却风扇制成后才可以发现，通过卡滞力测算公式
②
对该电动冷却风扇的卡滞力进行测算即可得知，在该电动冷却风扇的设计阶段就可发现。
[0058]
根据上述测算结果可知，该电动冷却风扇在高速转速为2700rpm 时，卡滞力测算值fc为14.88n，而该转速下卡滞力目标值fm为：
[0059]fm
＝(0.00433*x-3.47)n＝0.00433* 2700-3.47＝8.221n，
[0060]
从而，fc＞fm,该电动冷却风扇在高速转速为2700rpm时，其卡滞力测算值不满足整车振动噪声要求。
[0061]
对于电动冷却风扇，其固有频率fn的计算公式如下：
[0062][0063]
其中，k是电动冷却风扇的刚度，m是电动冷却风扇的质量。
[0064]
为改善该电动冷却风扇的卡滞力以使其满足整车振动噪声要求，需要改变电动冷却风扇的固有频率。而往往电动冷却风扇的质量要求在一定的范围内，由上述固有频率的
计算公式可知，改变电动冷却风扇的刚度是改变电动冷却风扇的固有频率的有效手段。
[0065]
从而，为改善该电动冷却风扇的卡滞力以使其满足整车振动噪声要求，其有效改善方式是：提升电动冷却风扇的刚度，提高电动冷却风扇的固有频率。
[0066]
具体地，增加电动冷却风扇护风圈支架高度、增加电动冷却风扇护风圈支架数量、更改电动冷却风扇护风圈支架形状的方式都可以提升电动冷却风扇的刚度，提高电动冷却风扇的固有频率。而这其中，增加电动冷却风扇护风圈支架高度，即将护风圈支架表面的筋加高是最简单有效的改善方式。
[0067]
在本实施例中，通过增加电动冷却风扇护风圈支架高度，将护风圈支架表面的筋加高，提升了电动冷却风扇的刚度，提高了电动冷却风扇的固有频率，利用cae软件分析得到，改善后该电动冷却风扇的一阶固有频率为25hz,一阶固有频率转速1500r/min,一阶固有频率的方差为447.2r/min，二阶固有频率为55.8hz，二阶固有频率转速3350r/min,二阶固有频率的方差为981.4r/min，三阶固有频率为76.7hz，三阶固有频率转速4600r/min,三阶固有频率的方差为1342.3r/min，最大允许不平衡量不为260g.mm。将上述数值代入到卡滞力测算公式
②
中，改善后卡滞力测算值的计算结果如下：
[0068][0069]
从而，fc
′
＜fm，改善后的电动冷却风扇在高速转速为2700rpm 时，其卡滞力测算值满足整车振动噪声要求。通过卡滞力测算公式
②
测算改善后的电动冷却风扇在不同转速的卡滞力测算值，并将转速
‑ꢀ
卡滞力测算值制成卡滞力测算曲线，如图3的实线所示，改善后的电动冷却风扇在1000-2700rpm的转速范围内，其卡滞力测算值均满足整车振动噪声要求。
[0070]
以上结合附图及具体实施例详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。