某車型空調(diào)風(fēng)管振動問題試驗研究與優(yōu)化

李 智，龍書成，付玉樂，常文瑞，黃 毅

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州511434）

0 引言

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，人們對汽車各類振動越來越關(guān)注，對汽車的駕駛及乘坐體驗要求越來越高。汽車暖通空調(diào)系統(tǒng)也是汽車振動噪聲的重要來源，HVAC（Heating，Ventilation and Air Conditioning）系統(tǒng)帶來的振動噪聲日益被重視。當(dāng)前對HVAC系統(tǒng)振動噪聲問題的研究，主要集中在風(fēng)管氣動噪聲分析與控制、鼓風(fēng)機振動和噪聲控制、制冷劑流動音等方面［1-5］，對風(fēng)管系統(tǒng)振動方面的研究相對較少。吹腳風(fēng)管振動過大，會使駕駛員及副駕乘客腳底發(fā)麻，影響乘坐舒適性甚至行車安全。宋魯濤等［6］借助CFD手段對吹腳風(fēng)管流場進行分析，通過改善氣流走向，優(yōu)化了吹腳風(fēng)管振動問題。本文作者針對某車型吹腳模式地板振動大的問題，通過試驗手段，分析鼓風(fēng)機振動、傳遞路徑振動以及吹腳風(fēng)管自身振動和頻響函數(shù)，發(fā)現(xiàn)問題原因是風(fēng)管剛度不足導(dǎo)致局部模態(tài)被激起產(chǎn)生共振，通過優(yōu)化風(fēng)管結(jié)構(gòu)，提高了風(fēng)管剛度，最終將問題解決。

1 問題描述

某車型開發(fā)過程中，空調(diào)系統(tǒng)吹腳模式鼓風(fēng)機2擋以上風(fēng)量時主駕和副駕腳底有較明顯的發(fā)麻感，鼓風(fēng)機風(fēng)量越大，發(fā)麻感越強烈。關(guān)閉A／C，或關(guān)閉發(fā)動機，現(xiàn)象依然存在，因此，該問題與發(fā)動機及壓縮機是否工作無關(guān)，主要由HVAC系統(tǒng)引起。

2 原因分析

拆開前排地毯，發(fā)現(xiàn)后排吹腳風(fēng)管的末段放置于前排地毯下方的地板上，出風(fēng)口在前排座椅底下。鼓風(fēng)機2擋以上風(fēng)量時，吹腳風(fēng)管和地板振動都較大，此時將風(fēng)管從地板拿開，地板振動消失，風(fēng)管振動依舊大。因此判斷，吹腳模式前排腳底發(fā)麻，原因是后排吹腳風(fēng)管振動大，振動傳遞至地毯。

2.1 吹腳風(fēng)管振動測試

為分析吹腳風(fēng)管振動大的原因，先對風(fēng)管振動進行測試。選取副駕吹腳風(fēng)管上表面作為振動加速度測點 （圖1），鼓風(fēng)機風(fēng)量分別從1擋調(diào)節(jié)至7擋 （最高7擋），振動頻譜如圖2所示。

從風(fēng)管的振動加速度頻譜可以看出：隨著鼓風(fēng)機擋位增大，風(fēng)管振動幅值變大，從2擋開始，振動幅值突變明顯，1擋最大振動幅值為0.07 m／s2，2擋為0.28 m／s2，增大了4倍，與主觀感受相符。盡管風(fēng)管振動幅值隨鼓風(fēng)機擋位增大，但振動的主要頻率并未發(fā)生變化，兩個主要峰值的頻率始終為55 Hz與 100 Hz。

圖1 風(fēng)管振動測點 （副駕）

圖2 鼓風(fēng)機各擋位吹腳風(fēng)管振動頻譜

2.2 問題分析

NVH問題一般從激勵源-傳遞路徑-響應(yīng)三方面依次排查。結(jié)構(gòu)上，吹腳風(fēng)管放置在地板，與地毯直接接觸，另一端則通過暖通箱上伸出的一段過渡風(fēng)管與暖通箱連接，暖通箱再連接到鼓風(fēng)機，結(jié)構(gòu)見圖3。鼓風(fēng)機是整個吹腳風(fēng)管系統(tǒng)上的激勵源，暖通箱及過渡風(fēng)管則是傳遞路徑。

圖3 吹腳風(fēng)管及暖通箱結(jié)構(gòu)

針對吹腳風(fēng)管系統(tǒng)的上述振動傳遞特征，測試鼓風(fēng)機殼體和過渡風(fēng)管振動。由于問題現(xiàn)象為鼓風(fēng)機風(fēng)量越大，吹腳風(fēng)管振動幅值越大，因此選取現(xiàn)象最明顯的7擋風(fēng)量作分析工況。7擋風(fēng)量時，各測點振動結(jié)果如圖4所示。

圖4 吹腳風(fēng)管振動頻譜與鼓風(fēng)機、過渡風(fēng)管振動頻譜對比

通過數(shù)據(jù)分析，吹腳風(fēng)管的振動頻譜與鼓風(fēng)機及過渡風(fēng)管的振動頻譜相差較大。吹腳風(fēng)管的振動幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鼓風(fēng)機及過渡風(fēng)管振動幅值，在吹腳風(fēng)管的問題頻率55 Hz和100 Hz處，鼓風(fēng)機及過渡風(fēng)管上振動頻譜并沒有對應(yīng)關(guān)系。由此判斷，吹腳風(fēng)管振動并非從鼓風(fēng)機-過渡風(fēng)管傳遞，極有可能是其自身結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致。

2.3 吹腳風(fēng)管頻響測試

為了更直接確定問題原因，運用測試手段調(diào)查風(fēng)管結(jié)構(gòu)特性。整車約束狀態(tài)下，測試吹腳風(fēng)管上表面的原點頻響函數(shù)，頻率響應(yīng)可以表征結(jié)構(gòu)的振動特性，是系統(tǒng)的固有屬性，測試結(jié)果如圖5曲線2所示。

圖5 風(fēng)管頻響

從測試結(jié)果可以看出：風(fēng)管頻響曲線上55 Hz和100 Hz處有2個明顯峰值，與風(fēng)管振動峰值頻率吻合。進一步確定了問題是由于風(fēng)管剛度不足，存在局部模態(tài)，風(fēng)管在氣流激勵下，局部共振，導(dǎo)致腳底板發(fā)麻感。

3 優(yōu)化方案制定及實施

3.1 優(yōu)化方案

風(fēng)管的頻響特性取決于風(fēng)管的形狀、材料及安裝狀態(tài)。風(fēng)管形狀受布置空間約束，樣車調(diào)校階段，由于周邊零件已設(shè)計完成，風(fēng)管布置空間及安裝位置已定，風(fēng)管形狀的可調(diào)整空間一般較小；風(fēng)管壁厚增加，可在一定程度上降低風(fēng)管頻率響應(yīng)幅值，但質(zhì)量及成本會隨之增加。最終結(jié)合現(xiàn)有風(fēng)管結(jié)構(gòu)形狀，盡可能改動小的前提下，將風(fēng)管上下表面用加強筋連接，如圖6所示。連接后，測試頻響如圖5中曲線1所示。

圖6 風(fēng)管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

從圖5可以看出：風(fēng)管上下表面用加強筋連接后，頻響測試結(jié)果的峰值頻率有變化，幅值降低明顯，表明風(fēng)管在單位力激勵下的響應(yīng)變小，風(fēng)管結(jié)構(gòu)得到加強，剛度提升。

3.2 優(yōu)化方案效果驗證

樣件裝車驗證，測試鼓風(fēng)機各風(fēng)量擋位風(fēng)管振動頻譜，結(jié)果見圖7。與圖1對比，最高擋7擋的最大振動幅值從1.0 m／s2左右降低至0.35 m／s2左右。進一步計算各風(fēng)量擋位下風(fēng)管優(yōu)化前后的振動總值，如表1所示。

圖7 風(fēng)管結(jié)構(gòu)優(yōu)化后振動頻譜

表1 風(fēng)管優(yōu)化前后振動總值 （0～200 Hz）

風(fēng)管結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，各風(fēng)量擋位工況下，風(fēng)管振動總值均降低60%以上，主觀評價腳底振動改善明顯，可以接受，問題解決。

4 總結(jié)

對某車型空調(diào)系統(tǒng)吹腳模式2擋以上風(fēng)量地板振動大的問題進行研究：

（1）通過關(guān)閉壓縮機和發(fā)動機，使鼓風(fēng)機單獨工作，判斷地板振動由HVAC系統(tǒng)引起。將吹腳風(fēng)管脫離地板，結(jié)合主觀評價，鎖定振動來自吹腳風(fēng)管。

（2）從激勵源-傳遞路徑上對吹腳風(fēng)管振動進行測試排查，并測試吹腳風(fēng)管頻率響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)振動并非從鼓風(fēng)機傳遞過來，而是風(fēng)管自身結(jié)構(gòu)剛度較弱，在氣流激勵下，吹腳產(chǎn)生共振。

（3）對吹腳風(fēng)管結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使吹腳風(fēng)管剛度大幅提升，振動改善明顯。并且，風(fēng)管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化僅通過優(yōu)化加強筋深度實現(xiàn)，未改變風(fēng)管主體結(jié)構(gòu)及走向，易于實現(xiàn)，成本低，有利于問題快速解決。