CN113051798A - 一种汽车冷却风扇总成不平衡振动优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车冷却风扇总成不平衡振动优化设计方法，包括冷却风扇护风罩、冷却风扇、驱动电机等CAD数据，定义不平衡载荷输入方法，冷却风扇罩边界固定方法，电机及风扇固定方法。涵盖以下的详细技术方案：1、定义了电机风扇质心的设置方法；2、定义了惯性载荷的设置方法；3、定义了边界设置方法；4、定义了载荷输入及传递的求解方法；本发明解决了冷却风扇总成由于风扇旋转不平衡导致冷却风扇系统振动，并传导至汽车前段冷却模块及整车，而出现车辆启停及怠速状态时的抖动，在低速行驶时，冷却风扇总成模块由于振动引起的噪声往往较冷却风扇气动噪声引起的噪声更大。采用CAE仿真方法设计及预测冷却风扇传递的载荷，进而优化批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及汽车冷却风扇设计技术领域，具体涉及一种汽车冷却风扇总成不平衡振动优化设计方法。
背景技术
汽车冷却风扇由于制造、使用等多方面因素而出现质量静不平衡及动不平衡，车辆在启停及怠速时会由于该不平衡而出现车辆抖动，为降低这种振动，主机厂对相应的振动进行要求限制。一般有两种方法对该振动进行测定，一种为扫频试验，测定相应性能，一种为测定支座反力，测定冷却风扇不平衡量传递到冷却模块的振动载荷值，通过降低这些载荷值来达到减少车身振动的目的。目前尚未有更多的文章对使用CAE方法解决相应的振动不平衡问题进行阐述。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种汽车冷却风扇总成不平衡振动优化设计方法，该方法设计合理，采用CAE仿真方法设计及预测冷却风扇传递的载荷，进而优化批量生产。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种汽车冷却风扇总成不平衡振动优化设计方法，所述冷却风扇总成包括冷却风扇、冷却风扇护风罩、驱动电机、控制电路、驱动电机线束、风门，所述的汽车冷却风扇总成不平衡振动优化设计方法包括：
(1)将所述冷却风扇护风罩、所述冷却风扇、所述驱动电机的CAT IA模型导入有限元软件Ansys Workbench，其中，采用质量点代替所述冷却风扇和所述驱动电机的CAT IA模型，输入所述驱动电机和所述冷却风扇的质量及质量惯性矩；
(2)将冷却风扇护风罩的CAT IA模型进行前处理，所述前处理包括网格划分、材料属性设置、接触设置；
(3)经过所述前处理后，根据冷却风扇总成在整车及冷却系统散热器的装配结构，进行边界条件施加；
(4)模态分析求解，得到所述冷却风扇护风罩固有频率及各阶模态振型；
(5)进行谐响应分析，所述冷却风扇和所述驱动电机形成的二者总成的不平衡量由平衡测试仪测定，并测定所述冷却风扇及所述驱动电机单体质量及总体质量，采用谐响应分析求解所述冷却风扇护风罩在0～50Hz下的振动情况，将平衡仪测定的所述冷却风扇和所述驱动电机形成的二者总成的不平衡量作为偏心载荷，定义所述冷却风扇护风罩的材料阻尼比，输入至有限元软件，求解动态反力响应函数；
(6)输出动态反力响应均方根值和三个方向动态反力响应均方根值，三个方向为以冷却风扇总成重心为原心，与车辆坐标系同方向建立的坐标系方向；
(7)通过CAE分析得到所述冷却风扇护风罩模态及谐响应下的力响应值，若显示均方根值及三个方向均方根值超过不平衡振动标准值，则提出改进结构的优化方案，否则完成冷却风扇总成最终设计。
进一步的，所述网格划分是将所述冷却风扇护风罩的结构尺寸设置在1000毫米范围内时，网格单元尺寸选择2～3mm，网格单元质量在0.7以上，并且在结构截面突变位置进行网格细化；
所述材料属性设置是确定所述冷却风扇护风罩的材料密度、杨氏模量、泊松比；
所述接触设置是将对不平衡振动有明显贡献的辅助结构件与所述冷却风扇护风罩刚性连接。
进一步的，所述进行边界条件施加包括:
设置所述冷却风扇护风罩与散热器连接处螺栓固定孔为全约束刚性连接，所述冷却风扇护风罩与所述散热器接触面边界为垂直面约束刚性连接；
所述驱动电机与所述冷却风扇护风罩的固定螺栓孔采用刚性连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1、提出了一种建立冷却风扇不平衡引起的振动的CAE方法，可有效预测风扇不平衡引起的振动；
2、采用CAE仿真分析验证风扇不平衡振动的测试系统，从设计层面对产品进行控制，为冷却风扇总成设计提供依据；
3、该方法可有效预测及解决不平衡振动问题，提供汽车零件的市场竞争力。
附图说明
图1是本发明提供的汽车冷却风扇护风罩的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1,本实施例提供了一种汽车冷却风扇总成不平衡振动优化设计方法，所述冷却风扇总成包括冷却风扇、冷却风扇护风罩、驱动电机、控制电路、驱动电机线束、风门，所述的汽车冷却风扇总成不平衡振动优化设计方法包括：
(1)将所述冷却风扇护风罩、所述冷却风扇、所述驱动电机的CAT IA模型导入有限元软件Ansys Workbench，其中，采用质量点代替所述冷却风扇和所述驱动电机的CAT IA模型，输入所述驱动电机和所述冷却风扇的质量及质量惯性矩，可以理解为该步骤是将所述冷却风扇总成的结构进行简化，具体删除对冷却风扇部平衡不产生影响的辅助结构，例如：控制电路、驱动电机线束、风门；
(2)将冷却风扇护风罩的CAT IA模型进行前处理，所述前处理包括网格划分、材料属性设置、接触设置；
(3)经过所述前处理后，根据冷却风扇总成在整车及冷却系统散热器的装配结构，进行边界条件施加；
(4)模态分析求解，得到所述冷却风扇护风罩固有频率及各阶模态振型；
(5)进行谐响应分析，所述冷却风扇和所述驱动电机形成的二者总成的不平衡量由平衡测试仪测定，并测定所述冷却风扇及所述驱动电机单体质量及总体质量，采用谐响应分析求解所述冷却风扇护风罩在0～50Hz下的振动情况，将平衡仪测定的所述冷却风扇和所述驱动电机形成的二者总成的不平衡量作为偏心载荷，定义所述冷却风扇护风罩的材料阻尼比，输入至有限元软件，求解动态反力响应函数；
(6)输出动态反力响应均方根值和三个方向动态反力响应均方根值，三个方向为以冷却风扇总成重心为原心，与车辆坐标系同方向建立的坐标系方向；
(7)通过CAE分析得到所述冷却风扇护风罩模态及谐响应下的力响应值，若显示均方根值及三个方向均方根值超过不平衡振动标准值，则提出改进结构的优化方案，否则完成冷却风扇总成最终设计。
本发明解决了冷却风扇总成由于风扇旋转不平衡导致冷却风扇系统振动，并传导至汽车前段冷却模块及整车，而出现车辆启停及怠速状态时的抖动，在低速行驶时，冷却风扇总成模块由于振动引起的噪声往往较冷却风扇气动噪声引起的噪声更大，控制冷却风扇的振动及振动噪声显得尤为重要。采用CAE仿真方法设计及预测冷却风扇传递的载荷，进而优化批量生产。
本实施例中，所述网格划分是将所述冷却风扇护风罩的结构尺寸设置在1000毫米范围内，网格单元尺寸选择2～3mm，网格单元质量在0.7以上，并且在结构截面突变位置进行网格细化，也可将冷却风扇护风罩其他危险定进行网格细化；
所述材料属性设置是确定所述冷却风扇护风罩的材料密度、杨氏模量、泊松比，具体的，所述冷却风扇护风罩材料一般为尼龙玻纤或者聚丙烯玻纤；
所述接触设置是将对不平衡振动有明显贡献的辅助结构件与所述冷却风扇护风罩刚性连接，例如本实施例中的辅助结构件为风门。
本实施例中，所述进行边界条件施加包括:
设置所述冷却风扇护风罩与散热器连接处螺栓固定孔为全约束刚性连接，所述冷却风扇护风罩与所述散热器接触面边界为垂直面约束刚性连接，如图1中的a2、a3、a4、a5处；
所述驱动电机与所述冷却风扇护风罩的固定螺栓孔采用刚性连接，如图1中的a1处。
图1所示为汽车冷却风扇护风罩的结构示意图，根据注塑工艺成型性分析，提出优化思路如下：
a.电机螺栓孔(附图1中连接点a1处)处添加加强筋
b.调整电机螺栓孔(附图1中连接点a1处)附近加强筋的布局。
优化后，均方根值为8N，小于目标要求。
测试验证：将冷却风扇总成安装在振动台架中，测定冷却风扇护风罩与散热器连接处(图1中的a2、a3、a4、a5处)动态反力响应均方根值。对比有限元值及测试值误差在5％以内时，仿真结束，输出最终结果及设计。
本发明的有益效果包括：
1、提出了一种建立冷却风扇不平衡引起的振动的CAE方法，可有效预测风扇不平衡引起的振动；
2、采用CAE仿真分析验证风扇不平衡振动的测试系统，从设计层面对产品进行控制，为冷却风扇总成设计提供依据；
3、该方法可有效预测及解决不平衡振动问题，提供汽车零件的市场竞争力。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (3)
1.一种汽车冷却风扇总成不平衡振动优化设计方法，所述冷却风扇总成包括冷却风扇、冷却风扇护风罩、驱动电机、控制电路、驱动电机线束、风门，其特征在于，所述的汽车冷却风扇总成不平衡振动优化设计方法包括：
(1)将所述冷却风扇护风罩、所述冷却风扇、所述驱动电机的CATIA模型导入有限元软件Ansys Workbench，其中，采用质量点代替所述冷却风扇和所述驱动电机的CATIA模型，输入所述驱动电机和所述冷却风扇的质量及质量惯性矩；
(2)将冷却风扇护风罩的CATIA模型进行前处理，所述前处理包括网格划分、材料属性设置、接触设置；
(3)经过所述前处理后，根据冷却风扇总成在整车及冷却系统散热器的装配结构，进行边界条件施加；
(4)模态分析求解，得到所述冷却风扇护风罩固有频率及各阶模态振型；
(5)进行谐响应分析，所述冷却风扇和所述驱动电机形成的二者总成的不平衡量由平衡测试仪测定，并测定所述冷却风扇及所述驱动电机单体质量及总体质量，采用谐响应分析求解所述冷却风扇护风罩在0～50Hz下的振动情况，将平衡仪测定的所述冷却风扇和所述驱动电机形成的二者总成的不平衡量作为偏心载荷，定义所述冷却风扇护风罩的材料阻尼比，输入至有限元软件，求解动态反力响应函数；
(6)输出动态反力响应均方根值和三个方向动态反力响应均方根值，三个方向为以冷却风扇总成重心为原心，与车辆坐标系同方向建立的坐标系方向；
(7)通过CAE分析得到所述冷却风扇护风罩模态及谐响应下的力响应值，若显示均方根值及三个方向均方根值超过不平衡振动标准值，则提出改进结构的优化方案，否则完成冷却风扇总成最终设计。
2.根据权利要求1所述的汽车冷却风扇总成不平衡振动优化设计方法，其特征在于，所述网格划分是将所述冷却风扇护风罩的结构尺寸设置在1000毫米范围内时，网格单元尺寸选择2～3mm，网格单元质量在0.7以上，并且在结构截面突变位置进行网格细化；
所述材料属性设置是确定所述冷却风扇护风罩的材料密度、杨氏模量、泊松比；
所述接触设置是将对不平衡振动有明显贡献的辅助结构件与所述冷却风扇护风罩刚性连接。
3.根据权利要求1所述的汽车冷却风扇总成不平衡振动优化设计方法，其特征在于，所述进行边界条件施加包括:
设置所述冷却风扇护风罩与散热器连接处螺栓固定孔为全约束刚性连接，所述冷却风扇护风罩与所述散热器接触面边界为垂直面约束刚性连接；
所述驱动电机与所述冷却风扇护风罩的固定螺栓孔采用刚性连接。
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