汽車空調壓縮機噪聲異常問題的診斷與試驗*

陳志勇，毛 陽，史文庫，施 騰，黎曉燕，楊家宏

(1. 吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室 長春，130022)(2. 牡丹江富通汽車空調有限公司 牡丹江，157000)

?

汽車空調壓縮機噪聲異常問題的診斷與試驗*

陳志勇1，毛 陽1，史文庫1，施 騰1，黎曉燕2，楊家宏2

(1. 吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室 長春，130022)(2. 牡丹江富通汽車空調有限公司 牡丹江，157000)

某國產轎車存在空調開啟時車內噪聲較大及怠速時車內出現間歇性異常噪聲問題，為尋找振源，對樣車及其壓縮機系統進行了試驗診斷與分析，包括樣車摸底試驗、壓縮機安裝狀態的剛體模態試驗、壓縮機在消聲室中的臺架試驗等，最終確定壓縮機噪聲較大原因為空調管路制冷劑沖擊導致的管路振動噪聲向車內的直接傳遞，間歇性異常噪聲原因為壓縮機工作頻率與發動機8階工作頻率的拍頻。根據診斷結果，提出了相應的改進措施，并進行了改進后樣車的試驗驗證，結果表明改進效果比較明顯。

汽車； 空調壓縮機； 噪聲； 試驗診斷

引 言

隨著乘客對車輛振動噪聲要求的不斷提高，噪聲、振動與聲振粗糙度(nosie,vibration,harshness,簡稱NVH)特性逐漸成為車輛乘坐舒適性的一個重要評價指標。空調壓縮機作為汽車空調系統的心臟，在車輛溫度調節的過程中起著相當重要的作用，但其同時也作為一個不可忽略的振動源，影響著整車的乘坐舒適性[1-2]。

軸向活塞式壓縮機目前廣泛應用于汽車空調系統上，由于活塞的往復慣性力和制冷劑在壓縮機及管路中的振動，使得壓縮機噪聲往往成為除了發動機噪聲外的第一大噪聲源，這一問題在汽車怠速或低速時表現的尤為突出。空調壓縮機負荷隨著環境溫度的升高而變大，負荷增大往往噪聲也會增大，使汽車的駕駛舒適性急劇下降[3-4]。國內外對空調壓縮機的異響問題已有一定的研究。Niranjan[5]基于車輛空調系統和臺架噪聲測試提出了適用于空調系統氣流噪聲的評價測試方法。Christopher[6]利用人工頭、麥克風和加速度傳感器提出了適用于車輛空調熱膨脹閥的嘶嘶聲和流動聲的測試方法。朱愛武[7]通過對壓縮機的試驗研究，得出了開空調時車內的怠速異響和加速轟鳴噪聲的解決方案。郭紅旗等[8]通過在壓縮機系統上粘貼阻尼來尋找壓縮機振動、噪聲主要來源，并對阻尼最優化進行了探討。張立軍等[9]對斜盤式壓縮機怠速工況下的噪聲問題進行試驗研究，得出了壓縮機引起的車內噪聲特性以及影響車內噪聲的一些機理。潘軍等[10]建立了壓縮機的ADAMS動力學仿真模型，分析了不同轉速下各關鍵零件的運動特性、受力情況和整機的動不平衡量，進而指導產品設計和開發能力。

筆者針對某自主品牌轎車空調開啟時車內噪音較大且怠速時出現周期約為3 s的間歇性異常噪聲等問題，對整車及臺架進行試驗研究與診斷，提出了改進方案并進行方案驗證。

1 噪聲異常問題描述

問題樣車如圖1所示，其所用空調壓縮機為7缸變排量軸向活塞式壓縮機。

圖1 問題樣車

為了分析異常噪聲原因，對問題樣車進行了摸底試驗，試驗工況為：怠速空調開/關；駐車發動機升轉速空調開/關；在壓縮機本體、車內乘員座椅導軌布置加速度傳感器；在車外壓縮機近場和車內駕駛員右耳處布置傳聲器測量加速度信號和聲壓信號，如圖2所示。

圖2 測試傳感器位置

怠速工況開/關空調車內聲壓值分別為46.75和43.76 dB(A)，如圖3所示，可以看出空調開啟后車內噪聲提高3 dB(A)，造成車內噪聲環境惡化。

圖3 怠速工況空調開/關車內聲壓值

為了研究噪聲的頻率成分，進行噪聲源的識別，對車內噪聲進行了譜分析。由圖4可以看出，車內噪聲101.5 Hz峰值達到43.6 dB(A)，甚至高于發動機2階工作頻率峰值。怠速開空調壓縮機工作頻率為

圖4 車內噪聲與壓縮機振動頻譜

其中：f為發動機轉速：r為壓縮機速比；n為缸數。

為了進一步確認噪聲來源，提取了壓縮機本體振動加速度頻譜(見圖4)。可以看出，壓縮機本體振動以其工作頻率101.5Hz峰值最高，由此可以基本確認，怠速空調開啟時車內噪聲明顯升高是由壓縮機引起。

針對車內間歇性異常噪聲問題，對車內聲壓信號進行了時域跟蹤，如圖5所示。針對101.5Hz進行了頻率切片，如圖6所示。

圖5 車內噪聲時域跟蹤圖

圖6 車內噪聲101.5Hz頻率切片

由圖6可以看出，車內101.5 Hz頻率噪聲隨時間呈周期為3 s、幅值為3 dB(A)的變化，這是造成車內間歇性噪聲的原因。

2 問題診斷與研究

針對怠速空調開啟車內噪聲101Hz峰值最高問題，需要進行壓縮機及其支架系統的模態試驗，以驗證是否共振引起振動噪聲問題。測試狀態為壓縮機在整車安裝狀態，在壓縮機本體上布置8個三向加速度傳感器，以力錘激勵，測試頻響函數進行壓縮機剛體模態的計算。第1階剛體模態振型如圖7所示，其他階模態振型限于篇幅沒有列出。模態頻率如表1所示。

表1 壓縮機剛體模態頻率

圖7 壓縮機第1階剛體模態

模態測試結果顯示，第1階剛體模態頻率為136 Hz，遠大于壓縮機怠速時工作頻率101.5 Hz，所以排除壓縮機共振可能。

由于膨脹閥連接空調低壓管路，是空調管路振動傳遞到車身的直接通道。為了進一步進行振源診斷，測試了膨脹閥位置振動信號，如圖8所示。

圖8 膨脹閥位置振動頻譜

從圖8可以看出，膨脹閥位置101.5Hz峰值最高，與壓縮機工作頻率一致，因此車內噪聲與空調管路振動有關。

針對怠速開空調車內間歇性異常噪聲問題，在消聲室中進行了壓縮機臺架試驗，以驗證異常噪聲是否壓縮機本身發出。臺架試驗中在壓縮機本體布置加速度傳感器，在壓縮機近場布置傳聲器，如圖9所示。臺架試驗中設定壓縮機轉速為860 r/min，以模擬整車怠速狀態。

圖9 壓縮機臺架試驗

在轉速為860 r/min時，壓縮機工作頻率約為100Hz，試驗測得壓縮機的時域跟蹤如圖10所示，壓縮機工作頻率切片如圖11所示。

圖10 壓縮機噪聲時域跟蹤圖

圖11 壓縮機噪聲100 Hz頻率切片

從臺架試驗數據可以看出，壓縮機工作頻率切片僅有約1 dB(A)的幅值變化，壓縮機本身沒有產生間歇性異常噪聲。考慮到怠速時發動機8階工作頻率為100Hz，推斷車內間歇性異常噪聲由壓縮機工作噪聲和發動機8階噪聲拍頻引起。

3 改進措施及效果驗證

針對空調管路振動問題，根據問題診斷試驗結果，提出在低壓管靠近壓縮機位置加裝消聲器，如圖12所示。針對拍頻問題，提出更改壓縮機帶輪直徑，由原來的120 mm改為115 mm，使怠速時壓縮機工作頻率遠離發動機8階工作頻率。

圖12 空調管路消音器

怠速時開/關空調車內的噪聲分別為44.7和43.6 dB(A)，見圖13，兩者相差僅1.1 dB(A)，空調噪聲相對改進前有明顯的改善。

圖13 改進后開/關空調車內噪聲值

由于壓縮機帶輪變小，速比提高，怠速時壓縮機工作頻率變為106Hz，怠速時車內噪聲頻譜如圖14所示。可以看出，壓縮機工作噪聲峰值降為22.1 dB(A)，相對改進前的43.6dB(A)有明顯改善。

圖14 改進后車內噪聲頻譜

圖15 改進后車內噪聲時域跟蹤

圖16 改進后車內噪聲106 Hz頻率切片

根據主觀評價，車內間歇性異常噪聲消失。為客觀驗證，對車內噪聲進行了時域跟蹤，如圖15所示。對壓縮機工作頻率106 Hz進行了切片分析，如圖16所示。可以看出，車內噪聲106Hz頻率成分沒有明顯的周期性變化，這是車內間歇性異常噪聲消失的原因。

由于改進的措施主要針對怠速工況實施，為驗證對其他轉速的影響，進行了駐車發動機升轉速工況試驗。空調開啟車內噪聲值隨發動機轉速變化曲線如圖17所示，可以看出，改進措施對其他轉速工況也是有效的。

圖17 空調開啟駐車勻加轉速工況車內噪聲值

4 結束語

針對空調開啟時車內噪聲較大及怠速時車內出現間歇性異常噪聲問題，對樣車及其壓縮機進行了試驗診斷與分析，最終確定壓縮機噪聲較大原因為空調管路冷媒沖擊導致的管路振動噪聲向車內的直接傳遞，間歇性異常噪聲問題原因為壓縮機工作頻率與發動機8階工作頻率的拍頻。

根據試驗診斷結論，提出兩種改進措施：在壓縮機低壓管路加裝消音器；改變壓縮機皮帶輪直徑。對實施改進措施的樣車進行了試驗驗證，結果表明，改進效果較為明顯，不僅怠速工況，發動機其他轉速工況的車內噪聲也有所下降。

[1] 孫啟甲.實車空調系統異響診斷技術研究[D]. 重慶：重慶大學，2012.

[2] 盧喜，楊誠. 旋葉式汽車空調壓縮機的噪聲源識別[J]. 重慶大學學報：自然科學版，2006,29(8): 70-73.

Lu Xi, Yang Cheng. Identifying research on noise sources of rotary vane compressor[J]. Journal of Chongqing University: Nature Science Edition, 2006,29(8): 70-73.(in Chinese)

[3] 黃鎖成，靳曉雄，張立軍，等. 汽車空調用壓縮機的振動和噪聲分析[J]. 汽車技術，2003(5): 20-23.

Huang Suocheng, Jin Xiaoxiong, Zhang Lijun, et al. Analysis of vibration and noises of automotive air-conditioner compressor[J]. Automobile Technology, 2003(5): 20-23.(in Chinese)

[4] 房師毅，李連生，束鵬程，等. 無油潤滑渦旋式空調壓縮機的工作過程研究[J]. 中國機械工程，2005,16(2):123-127.

Fang Shiyi, Li Liansheng, Shu Pengcheng, et al. Study on working process of an oil-free scroll air compressor[J]. China Mechanical Engineering, 2005,16(2):123-127.(in Chinese)

[5] Niranjan H. Automotive HVAC noise measurements and analysis[J]. Automotive Engineering,2011,1(4): 209-309.

[6] Christopher L. Automotive HVAC hiss noise measurements[J]. Automotive Engineering,2011,1(4): 263-271.

[7] 朱愛武. 空調壓縮機對車內噪聲的影響[J].噪聲與振動控制,2010(4):47-49.

Zhu Aiwu. Influence of air conditioner′s compressor on vehicle interior noise[J]. Noise and Vibration Control, 2010(4):47-49.(in Chinese)

[8] 郭紅旗，王太勇，孟長虹.空調壓縮機阻尼減振降噪研究[J]. 河北工業大學學報，1999,28(1):89-93.

Guo Hongqi, Wang Taiyong, Meng Changhong. A study on decreasing the vibration and noise by damping for hermetic compressor[J]. Journal of Heibei University of Technology, 1999,28(1):89-93.(in Chinese)

[9] 張立軍，靳曉雄，黃鎖成,等. 汽車空調壓縮機引起的車內噪聲試驗研究[J]. 汽車工程，2002,24(5): 398-402.

Zhang Lijun, Jin Xiaoxiong, Huang Suocheng, et al. Experimental reaserch on the car interior noise caused by air conditioning compressor[J]. Automotive Engineering, 2002,24(5): 398-402.(in Chinese)

[10]潘軍，王屹，蔣祖華，等. 斜盤式汽車空調壓縮機動力特性仿真[J]. 流體機械, 2002， 30(1) : 44-48.

Pan Jun ,Wang Yi, Jiang Zuhua, et al. Dynamic simulation of swach plate compressor in automotive air conditioning system[J].Fluid Machinery, 2002， 30(1): 44-48.(in Chinese)

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.06.010

*國家自然科學基金資助項目(51205158)；中國博士后科學基金資助項目(2013M541294)

2014-02-12；

2014-02-24

U463.8

陳志勇，男，1980年10月生，博士、講師。主要研究方向為汽車系統動力學與控制。曾發表《輕型客車車身車架整體結構有限元模態分析》(《振動與沖擊》2010年第29卷第10期)等論文。

E-mail:Chen_zy@jlu.edu.cn