[摘要] ：散熱器總成用于汽車上冷卻部件散熱，這些部件包括散熱器，冷凝器，中冷器以及電子風扇等。散熱器總成通過軟墊安裝于車身的最前端，電子風扇旋轉過程中的不平衡力產生的振動激勵傳遞到車內從而導致振動噪聲問題。本文基于隔振理論討論了散熱器總成軟墊的剛度設計要求，并基于傳遞率得到散熱器總成軟墊車身安裝點的動剛度要求，同時研究了散熱器的質量和軟墊剛度組成的振動系統對整備車身一階彎曲模態影響，最后探討了散熱器總成剛體模態及電子風扇激勵頻率對應的整車模態分布情況。

關鍵詞 ：散熱器總成；電子風扇；整備車身；NVH；模態分布

前言

汽車在運行過程中，為使汽車動力總成能在所有工況下都保持在適當的溫度范圍內，并且滿足空調系統的正常使用，需要對各系統的冷卻液進行冷卻。整車包括多個冷卻系統：發動機通過散熱器進行冷卻；自動變速箱通過變速箱油冷器進行冷卻；增壓發動機的增壓器通過中冷器進行冷卻；空調系統通過散熱器進行冷卻等。不同配置的車型所包含的冷卻部件不同，如非增壓發動機就沒有中冷器。這些冷卻部件通常一起安裝在汽車的最前端，通過電子風扇來加速冷卻。所有的冷卻部件及電子風扇組成一個總成，本文稱之為散熱器總成。汽車行駛過程中或冷卻風扇開始工作時，空氣從散熱器周圍高速流過以增強對冷卻液的冷卻。

汽車散熱器總成安裝于汽車的前端，通過四個軟墊安裝于車身上。由于冷卻的需求，電動車的散熱器一般為雙風扇（如圖1 所示），汽油車的風扇一般為單風扇。電子風扇旋轉過程中，存在不平衡力產生的振動激勵，振動通過散熱器軟墊傳遞到車身，從而引起振動噪聲及不舒適問題。

本文首先討論了散熱器的激勵，其次基于隔振理論討論了散熱器總成軟墊的剛度設計要求，并基于傳遞率探討散熱器總成軟墊車身安裝點的動剛度設計要求，同時研究了散熱器的質量和軟墊剛度組成的振動系統對整備車身一階彎曲模態影響，最后探討了散熱器總成剛體模態及電子風扇激勵頻率對應的整車模態分布情況。

1 散熱器激勵

由于制造誤差導致的葉片分布不均勻，葉輪孔和旋轉軸在裝配過程中存在的裝配誤差等因素，造成風扇的物理質心與轉軸慣性中心不在同一軸上，便會造成風扇的旋轉不平衡，轉子不平衡造成偏心距，汽車電子風扇轉動時，由于離心力的作用產生作用力到旋轉軸而形成振動，且振動通過旋轉軸傳遞的散熱器總成，并通過散熱器橡膠軟墊傳遞到車身。

風扇葉片的質量不平衡引起的振動頻率基頻為：

式中：f 為風扇葉片質量不平衡時的振動頻率，Hz；n 為葉輪工作時轉速，r/min。風扇的激勵力同風扇的不平衡量有關，不平衡量越大，風扇的激勵越大，所以在前期控制時風扇的不平衡量越小越好，但是過小的不平衡量會影響到樣件的合格率降低，并且導致成本提升，所以需要性能與成本平衡，將風扇的靜不平衡量控制一個范圍內，一般要求為低于15g ? mm。

某電動車雙風扇怠速空調開時運行轉速分別為2310r/min 和2760r/min，對應風扇激勵頻率基頻為38.3Hz 和46Hz，圖2 為散熱器軟墊車身側安裝點的響應，從中可以看出，主要貢獻峰值為散熱器的基頻，響應峰值較高，且頻帶較窄。

2 散熱器的隔振控制

2.1 散熱器總成的隔振率要求

隔振就是物體之間的振動傳遞關系，減少相互間所傳遞的振動量。隔振類型一版分為兩類：第一類是隔力，通過彈性支撐來隔離振源傳遞到基礎的力。第二類是隔幅，即通過彈性支撐減小基礎傳遞到設備的振動幅值。

電子風扇旋轉產生的振動，通過彈性元件連接風扇和車身安裝點，從而消減振動傳遞到車身上，達到減震降噪的目的，此為第一類隔力。圖二中散熱器總成質量為m，散熱器軟墊剛度和阻尼為k 和c，車身為基礎。散熱器系統隔力簡化模型如圖3 所示。

可以建立物體的運動方程如式

所以對于單自由度系統而言，隔振系數的計算公式[1]如(2-3)所示。

式中：ζ=c/c0；γ=ωj/ωn；η為隔振系數；ωj為激勵頻率；ωn為隔振系統的固有頻率；c 為粘性阻尼系數；c0臨界阻尼系數

由公式得出振動傳遞率曲線如圖4 所示，從曲線可以看出只有當頻率比ω/ωn 大于√2時，才有 隔振效果，且隨著λ?增加，隔振效果也逐漸增大。根據上述要求，散熱器剛體模態應ωn小于ωj/√2，計算散熱器軟墊的總剛度要求如下，k 為四個軟墊的并聯剛度之和。

2.2 散熱器軟墊的振動傳遞率要求

汽車散熱器通過軟墊連接于車身，散熱器軟墊及車身側剛度和散熱器連接支架剛度共同組成系統如圖5 所示。

散熱器主動端支架、散熱器軟墊與車身被動端共同組成振動傳遞系統簡化如圖6 所示。

以上振動傳遞系統，振動從主動端支架傳遞到隔振器，再傳遞到被動端支架，定義振動傳遞率T 是有隔振器時傳到被動端的力fb1與無隔振器傳到被動端的力fb2的比值，其計算公式為

計算得到振動傳遞率T 和被動端支架剛度Kb，主動端支架剛度Ke以及散熱器軟墊剛度Kr的公式如下

從公式上看，懸置隔振效果取決于系統的總剛度：

（一）當無隔振器Kr時，主被動端的加速度值應相同；

（二）當Kb和Ke的剛度值是橡膠剛度Kr的5 倍時，有隔振器傳遞的力是無隔振器傳遞的力的0.29 倍，此時振動傳遞率為10.75dB，按此計算我們可以得到表1。

從表1 中可看出，為了保證散熱器軟墊有足夠的隔振率，應控制Ke/Kr 和Kb/Kr，也就是控制散熱器軟墊車身安裝點的動剛度和散熱器側動剛度與散熱器軟件剛度的比值，可根據散熱器激勵情況，散熱器安裝點到車內的VTF 等因素綜合考慮。

3 散熱器總成剛體模態對整備車身模態的影響

3.1 二自由度無阻尼系統的特征值計算

二自由度無阻尼系統如圖7 所示，m1和m2分別為二自由度系統的兩個質量，連接剛度分別為k1，k2和k3，其特征值ω1和ω2的計算方程為公式（7）。

式中：K11=K1+K2,K22=K2+K3,K12=K21=-K2

3.2 散熱器總成剛體模態對整備車身模態的

影響在整備車身模型中，散熱器和整備車身可簡化為二自由度系統如圖8，其中：散熱器總成質量為m2，散熱器總成與車身連接軟墊的總剛度為k2，整備車身一階彎曲模態的模態質量為m1，整備車身一階彎曲模態的模態剛度為k1。其兩階模態頻率分別f1和f2。

散熱器質量及散熱器總成與車身連接軟墊的剛度所組成的單自由度系統如圖9 所示。散熱器系統剛體模態f3為

通過二自由度系統特征值公式（7）計算系統模態頻率f1=ω1/2π，f2=ω2/2π。f1，f2和f3三階模態頻率隨散熱器軟墊剛度k2的變化關系如圖10 所示。

從圖10 中可以看出隨著散熱器軟墊剛度的提升，整備車身和散熱器總成系統的模態f1、f2不斷變化。主要分為以下三個區：

（一）剛度控制區

當散熱器軟墊剛度k2較低時，散熱器對整備車身模態表現為剛度主要作用，散熱器在整備車身安裝時所表現的模態同散熱器系統接地時Z 向剛體模態k3基本一致，此時，散熱器剛體模態和整備車身一階彎曲模態為解耦狀態，散熱器剛體模態對整備車身模態影響較低。

（二）模態耦合區

當散熱器軟墊剛度逐漸增加，進入模態耦合區，在此區域，散熱器剛體模態與整備車身一階彎曲模態相互作用，相互影響，此時系統模態識別的兩階模態振型均表現為彎曲模態。在設計過程中，如果整備車身一階彎曲模態無法避頻，可采用模態耦合區控制，將散熱器剛體模態視為動力吸振器，調整整備車身一階彎曲模態。

（三）質量控制區

當散熱器軟墊剛度f2增加到一定程度時，散熱器對整備車身模態表現為質量主要作用，此時，整備車身一階彎曲模態識別公式（9），整備車身一階彎曲模態由于散熱器質量的影響而降低。

從上述討論可以看出，在項目初期設計過程中，根據分析的具體情況，通過調節k2將散熱器剛體模態控制在合理的區域內。

4 散熱器激勵的模態避頻

4.1 模態分布表

汽車各個系統是互相連接在一起的，相連接的系統的模態一定要分開，否則它們之間會發生模態耦合，當有激勵存在時，會因為模態耦合導致響應放大。在設計過程中，散熱器總 成的剛體模態需和其他系統模態進行合理避頻。

同時，這些模態也要和汽車的各個激勵頻率分開，以避免共振。因此需要制定模態分布表。在整車開發過程中，整車模態頻率分布表指導各個系統的設計，調節各個系統的關系，即其中一個系統的頻率發生變化的時候，就必須根據這張表來調整與之相連的系統的模態頻率。模態頻率規劃表與整車噪聲與振動目標一起成為汽車噪聲設計最重要的指南[2]。

4.2 散熱器相關的模態分布

某車型散熱器相關的模態分布表部分信息如圖11 所示。

制定模態分布表時，首先確定激勵，散熱器總成的激勵頻率為電子扇的一階不平衡激勵，如雙風扇應同時考慮兩個風扇的激勵。在燃油車開發過程中應考慮怠速發火頻率的激勵，包括開空調和關空調狀態，從而避免產生怠速共振問題。另外還需考慮輪胎不平衡激勵以及其他旋轉件的激勵。

當模態分布表中激勵確定完成后，就需要考慮各個系統的模態及分布問題。和散熱器總成系統相關的模態主要為散熱器總成的剛體模態，整備車身一階彎曲模態和轉向系統模態。

散熱器剛體模態的避頻

散熱器剛體模態應避開怠速激勵。一般散熱器剛體模態和整備車身一階彎曲模態所組成的兩階模態，應和怠速開空調和關空調發火頻率避頻3Hz。

（二）散熱器激勵頻率的避頻

散熱器激勵頻率一般為固定的頻率，在模態分布時應和整備車身模態，轉向系統模態及散熱器軟墊剛體模態和散熱器激勵頻率避開，一般要求避頻3Hz。

如電子風扇為無級變速風扇時，設計時需要根據上述關鍵件的模態確定風扇無級變速的工作范圍。

5 結論

通過散熱器總成激勵產生機理的討論，散熱總成的隔振、振動傳遞率及模態分布研究，得到以下結論：

（一）為保證散熱器系統的隔振要求，散熱器剛體模態應低于散熱器總成電子風扇激勵頻率的0.707，并以此得出散熱器軟墊的剛度范圍。

（二）為了保證散熱器軟墊有足夠的隔振率，應同時控制散熱器軟墊車身安裝點的動剛度和散熱器側動剛度與散熱器襯套的比值，可根據散熱器激勵情況，散熱器安裝點到車內的VTF 等綜合考慮確定動剛度的要求。

（三）通過二自由度系統理論，研究散熱器剛體模態對整備車身一階彎曲模態的影響，在項目初期設計過程中，一般通過調節將散熱器剛體模態控制剛度區；但是如有遇到整備車身一階彎曲模態無法避頻的時候，可以考慮控制在模態耦合區，將散熱器剛體模態視為動力吸振器。

（四）整車開發過程中散熱器激勵及剛體

模態應合理進行模態分布，散熱器的激勵頻率、發動機怠速發火激勵頻率，散熱器剛體模態，整備車身一階彎曲模態及轉向系統模態應該避頻。