某純電動(dòng)汽車空調(diào)振動(dòng)分析與優(yōu)化

金 明，劉偉宏，曹兢哲，王亞琦

（大運(yùn)汽車股份有限公司，山西 運(yùn)城044000）

隨著我國汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對汽車NVH 性能的要求也越來越高[1]。近幾年來，傳統(tǒng)燃油車NVH性能的研究已經(jīng)取得了重大突破，但對于目前處于快速發(fā)展中的純電動(dòng)汽車而言，由于沒有了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)本底噪聲振動(dòng)的掩蓋效應(yīng)，各系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng)會更為突出[2]。空調(diào)作為汽車中重要的舒適調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不僅要滿足基本的制冷性能，還需要有對其本身產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)加以控制的功能，避免對駕乘舒適性產(chǎn)生重大的影響。

近些年，國內(nèi)對空調(diào)系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲問題研究比較多。譚雨點(diǎn)等和何呂昌等[3-4]對純電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)特性進(jìn)行研究，通過優(yōu)化空調(diào)壓縮機(jī)支架改變其模態(tài)頻率，從避免產(chǎn)生共振角度提高了車內(nèi)舒適性。邱琳[5]通過優(yōu)化空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略，從控制振動(dòng)源角度改善了車內(nèi)乘客的舒適性。孫強(qiáng)等[6]通過優(yōu)化空調(diào)管路隔振性能，使壓縮機(jī)到車內(nèi)的振動(dòng)傳遞得到了一定程度的衰減。

目前對于空調(diào)系統(tǒng)NVH 性能的研究大多是基于傳統(tǒng)燃油車型開展，對于純電動(dòng)汽車空調(diào)NVH性能的研究較少；同時(shí)，純電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)自身作為激勵(lì)源，大多數(shù)模態(tài)和激勵(lì)頻率的分布優(yōu)化，主要是為了規(guī)避空調(diào)壓縮機(jī)支架以及車內(nèi)關(guān)鍵部件的固有頻率，很少考慮去規(guī)避壓縮機(jī)自身的安裝模態(tài)，即空調(diào)壓縮機(jī)自身的剛體模態(tài)。

本文通過路徑分離對振動(dòng)傳遞路徑進(jìn)行識別，并結(jié)合模態(tài)分析手段，確定了空調(diào)壓縮機(jī)在問題轉(zhuǎn)速下車內(nèi)振動(dòng)較大的原因，提出了調(diào)整轉(zhuǎn)速策略和同時(shí)提高空調(diào)壓縮機(jī)自身剛體模態(tài)頻率的優(yōu)化思路，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證，取得了良好效果。

1 整車振動(dòng)測試

1.1 試驗(yàn)工況及測點(diǎn)布置

該純電動(dòng)汽車在怠速開空調(diào)時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速是由車內(nèi)溫度T車內(nèi)和空調(diào)面板設(shè)定溫度T設(shè)定的差值T差決定，同時(shí)為了使鼓風(fēng)機(jī)噪聲能夠完全掩蓋壓縮機(jī)的工作噪聲，控制策略中對鼓風(fēng)機(jī)各檔位下的最高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速加以限制，具體控制策略見表1。試驗(yàn)時(shí)，為了便于數(shù)據(jù)能夠被穩(wěn)定采集，通過標(biāo)定軟件來控制壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，依次測試控制策略中的轉(zhuǎn)速工況。測試時(shí)，空調(diào)選擇制冷模式，溫度設(shè)置為最低，鼓風(fēng)機(jī)檔位置于1 檔且出風(fēng)口為吹頭模式。

表1 怠速開空調(diào)時(shí)空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略

試驗(yàn)時(shí)采用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，配合兩個(gè)三向加速度傳感器，對方向盤12點(diǎn)位置和駕駛員座椅導(dǎo)軌外側(cè)分別進(jìn)行振動(dòng)測試，具體測點(diǎn)位置如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)設(shè)定工況，測得怠速開空調(diào)時(shí)壓縮機(jī)各工作轉(zhuǎn)速下的車內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)見表2。

圖1 車內(nèi)振動(dòng)測點(diǎn)示意圖

表2 空調(diào)壓縮機(jī)各工作轉(zhuǎn)速下的車內(nèi)振動(dòng)幅值

結(jié)合主觀評價(jià)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在2 300 r/min時(shí)，方向盤振動(dòng)明顯，且存在明顯的拍振感；當(dāng)空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在5 000 r/min時(shí)，車內(nèi)無論是方向盤還是地板均存在明顯振動(dòng)，與測試數(shù)據(jù)趨勢表現(xiàn)一致。因此，需要對空調(diào)壓縮機(jī)在2 300 r/min 和5 000 r/min 工作時(shí)的振動(dòng)特性分別進(jìn)行測試與分析。

2 振動(dòng)特性分析

2.1 拍振機(jī)理[7-8]

假設(shè)系統(tǒng)中存在兩個(gè)頻率接近且做簡諧運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)源，每一個(gè)振動(dòng)源單獨(dú)作用時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)為

式中：A1、A2分別為兩個(gè)簡諧振動(dòng)的振幅，ω1、ω2分別為兩個(gè)簡諧振動(dòng)的角頻率，且ω1＜ω2；φ1、φ2分別為兩個(gè)簡諧振動(dòng)的初相位。

那么系統(tǒng)的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)為兩個(gè)振動(dòng)單獨(dú)作用響應(yīng)的疊加，即：

由式（1）和式（2），可得：

式中：

系統(tǒng)經(jīng)x1和x2兩個(gè)簡諧運(yùn)動(dòng)疊加后的振動(dòng)波形如圖2所示，可以看出合成后的振動(dòng)仍為簡諧振動(dòng)，其振幅隨時(shí)間呈周期性緩慢變化，即為“拍振現(xiàn)象”。拍振的幅值和頻率取決于A，由式（4）可以得出，A的變化頻率為ω1-ω2，A的幅值在最大值|A1+A2|和最小值|A1-A2|之間變化。

圖2 拍振信號波形

2.2 拍振測試與分析

從采集到的方向盤振動(dòng)信號中，提取空調(diào)壓縮機(jī)在2 300 r/min工作時(shí)的方向盤時(shí)域圖譜和頻域線性譜，如圖3所示。

圖3 方向盤振動(dòng)信號

以上測試數(shù)據(jù)表明，方向盤拍振是由于受38.10 Hz和38.33 Hz兩個(gè)頻率的振動(dòng)激勵(lì)所導(dǎo)致，拍振頻率為兩個(gè)頻率之差0.23 Hz，與時(shí)域的振幅變化周期4.34 s對應(yīng)。激勵(lì)基頻與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

式中：n為轉(zhuǎn)速。

當(dāng)壓縮機(jī)在2 300 r/min 工作時(shí)的激勵(lì)基頻為38.33 Hz，同時(shí)測得壓縮機(jī)未工作時(shí)，冷卻風(fēng)扇本體振動(dòng)頻率為38.10 Hz，對應(yīng)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 286 r/min，如圖4所示。

圖4 冷卻風(fēng)扇本體振動(dòng)頻譜

由此可以確定，空調(diào)壓縮機(jī)在2 300 r/min 工作時(shí)，與冷卻風(fēng)扇工作轉(zhuǎn)速2 286 r/min激勵(lì)頻率接近，導(dǎo)致方向盤產(chǎn)生明顯的拍頻振動(dòng)。

2.3 壓縮機(jī)振動(dòng)機(jī)理[9]

該純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)采用電動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)，其主要工作原理是利用動(dòng)、靜渦旋盤相對轉(zhuǎn)動(dòng)，引起內(nèi)部密閉腔體的連續(xù)變化，從而實(shí)現(xiàn)氣體壓縮，如圖5所示。當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)渦旋盤由一個(gè)偏心距很小的曲柄軸驅(qū)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)繞靜渦旋盤旋轉(zhuǎn)。

圖5 渦旋壓縮機(jī)動(dòng)、靜渦盤結(jié)構(gòu)

由于這種特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生不平衡的旋轉(zhuǎn)慣性力，這種周期性的不平衡力激發(fā)了壓縮機(jī)的高頻率振動(dòng)。而如果其主要零部件的固有頻率恰好等于此周期性不平衡力頻率的整數(shù)倍時(shí)，就會使壓縮機(jī)本體進(jìn)一步產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振。因此必須通過改善曲軸的動(dòng)平衡以及改變壓縮機(jī)主要零部件的固有頻率，方可達(dá)到降低渦旋壓縮機(jī)本體振動(dòng)的目的。

2.4 振動(dòng)傳遞路徑分析

針對空調(diào)壓縮機(jī)在5 000 r/min工作時(shí)的車內(nèi)振動(dòng)問題，根據(jù)“激勵(lì)源-傳遞路徑-接受者”模型，建立如圖6所示的空調(diào)壓縮機(jī)振動(dòng)傳遞路徑示意圖，可以看出，空調(diào)壓縮機(jī)本體振動(dòng)主要由兩條路徑傳遞至車身，從而引起車內(nèi)的振動(dòng)響應(yīng)。第一條路徑，壓縮機(jī)本體產(chǎn)生的振動(dòng)由空調(diào)管路安裝點(diǎn)傳遞至車身；第二條路徑，壓縮機(jī)本體產(chǎn)生的振動(dòng)由空調(diào)壓縮機(jī)支架傳遞至電機(jī)，再由電機(jī)從動(dòng)力總成的3個(gè)懸置傳遞至車身。

圖6 空調(diào)壓縮機(jī)振動(dòng)傳遞路徑示意圖

針對路徑一，按照圖7中示意的安裝點(diǎn)位置，斷開所有的空調(diào)管路安裝點(diǎn)，同時(shí)對比斷開安裝點(diǎn)前后方向盤、座椅導(dǎo)軌以及管路安裝點(diǎn)車身端的振動(dòng)加速度，以此來判斷路徑一對于車內(nèi)振動(dòng)的貢獻(xiàn)程度，測試結(jié)果見表3。

圖7 空調(diào)壓縮機(jī)管路安裝點(diǎn)示意圖

表3 斷開管路安裝點(diǎn)前后振動(dòng)對比/g

由表3中數(shù)據(jù)分析可得，斷開空調(diào)管路安裝點(diǎn)后，各安裝點(diǎn)車身端振動(dòng)均明顯減小，但車內(nèi)方向盤和座椅導(dǎo)軌處振動(dòng)無明顯變化，因此可以判斷，空調(diào)管路不是空調(diào)壓縮機(jī)振動(dòng)傳遞至車內(nèi)的主要路徑。

針對路徑二，在斷開空調(diào)各管路路徑的基礎(chǔ)上，在圖8所示的位置將壓縮機(jī)從安裝支架下拆除，使得壓縮機(jī)與電機(jī)分離，同時(shí)對比空調(diào)壓縮機(jī)與電機(jī)分離前后方向盤、座椅導(dǎo)軌、壓縮機(jī)本體以及3個(gè)動(dòng)力總成懸置車身端的振動(dòng)加速度，以此來判斷路徑二對于車內(nèi)振動(dòng)的貢獻(xiàn)程度，測試結(jié)果見表4。

圖8 空調(diào)壓縮機(jī)與電機(jī)分離示意圖

表4 空調(diào)壓縮機(jī)與電機(jī)分離前后振動(dòng)對比/g

分析表4中數(shù)據(jù)可得，將空調(diào)壓縮機(jī)與電機(jī)分離后，車內(nèi)方向盤和座椅導(dǎo)軌振動(dòng)明顯減小，同時(shí)監(jiān)測到后懸置車身端振動(dòng)明顯減小，因此可以判斷，空調(diào)壓縮機(jī)本體振動(dòng)是由空調(diào)壓縮機(jī)支架傳遞至電機(jī)，然后由動(dòng)力總成懸置傳遞至車身，從而導(dǎo)致車內(nèi)振動(dòng)較大。由于壓縮機(jī)與電機(jī)分離后，壓縮機(jī)本體振動(dòng)明顯減小，因此需要對壓縮機(jī)安裝狀態(tài)下的模態(tài)進(jìn)行測試，以作進(jìn)一步分析。

2.5 模態(tài)測試與分析

該純電動(dòng)汽車的空調(diào)壓縮機(jī)通過其支架上的4個(gè)襯套安裝于電機(jī)總成上。進(jìn)行模態(tài)測試時(shí)，布置4個(gè)加速度傳感器以反映壓縮機(jī)整體輪廓，如圖9所示。經(jīng)過模態(tài)識別與篩選，發(fā)現(xiàn)空調(diào)壓縮機(jī)存在82.3 Hz的沿Y軸繞動(dòng)模態(tài)（剛體模態(tài)），模態(tài)振型如圖10所示，此頻率與壓縮機(jī)在5 000 r/min工作時(shí)的激勵(lì)基頻83.3 Hz接近，兩者耦合導(dǎo)致壓縮機(jī)本體振動(dòng)變大，從而導(dǎo)致傳遞至車內(nèi)的振動(dòng)較大。

3 優(yōu)化與驗(yàn)證

3.1 確認(rèn)優(yōu)化方向

通過以上振動(dòng)特性的測試與分析，結(jié)合“激勵(lì)源-傳遞路徑-接受者”模型，可以從削弱激勵(lì)源基頻激勵(lì)的角度來改善車內(nèi)振動(dòng)，也可以從傳遞路徑解耦的角度來徹底消除共振。由于優(yōu)化壓縮機(jī)本體振動(dòng)水平需要消耗大量的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，因此，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，同時(shí)為了遵循模態(tài)分離的避頻原則，本文從傳遞路徑解耦的角度來解決該共振問題。

圖9 空調(diào)壓縮機(jī)安裝模態(tài)測點(diǎn)示意

圖10 壓縮機(jī)沿Y軸繞動(dòng)模態(tài)（82.3 Hz）振型圖

3.2 轉(zhuǎn)速策略優(yōu)化

針對空調(diào)壓縮機(jī)在2 300 r/min時(shí)的拍振現(xiàn)象，須通過調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速策略，加大壓縮機(jī)與冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速差來避免拍振的產(chǎn)生。為了使對應(yīng)鼓風(fēng)機(jī)檔位下（2、3檔）鼓風(fēng)機(jī)噪聲仍然能夠完全掩蓋壓縮機(jī)的工作噪聲，選擇將空調(diào)壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速由2 300 r/min降低至2 000 r/min。

3.3 支架襯套結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對空調(diào)壓縮機(jī)在5 000 r/min時(shí)的共振耦合，可通過改變空調(diào)壓縮機(jī)整體的安裝模態(tài)來解決。單自由度無阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率計(jì)算公式為

式中：ω為系統(tǒng)的固有頻率，k和m分別為系統(tǒng)的剛度和質(zhì)量。

可以看出，為了使壓縮機(jī)的安裝模態(tài)頻率提高到常用轉(zhuǎn)速區(qū)間（1 500 r/min～5 000 r/min）以外，須提高空調(diào)壓縮機(jī)支架的安裝襯套剛度。為了進(jìn)一步確定襯套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向，將該支架使用的圓形襯套模型簡化為兩個(gè)不等半徑圓形襯套的串聯(lián)形式，如圖11所示。

圖11 圓形襯套結(jié)構(gòu)簡化模型

彈性元件串聯(lián)時(shí)，其總剛度與各串聯(lián)元件剛度的關(guān)系為

式中：K1和K2分別為兩個(gè)串聯(lián)圓形襯套的剛度，K為其串聯(lián)后的總剛度，因此K小于K1以及K2。

由此可知，可通過減小襯套尺寸來提高其安裝剛度，具體尺寸優(yōu)化見表5，其安裝支架的結(jié)構(gòu)變化如圖12所示。

表5 襯套優(yōu)化前后關(guān)鍵尺寸對比/mm

圖12 空調(diào)壓縮機(jī)支架優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對比

對優(yōu)化支架襯套后的空調(diào)壓縮機(jī)安裝模態(tài)進(jìn)行測試驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)沿Y軸繞動(dòng)的模態(tài)頻率由優(yōu)化前的82.3 Hz提高到125.6 Hz，模態(tài)振型如圖13所示。

3.4 整車綜合優(yōu)化驗(yàn)證

將轉(zhuǎn)速策略和支架襯套同時(shí)優(yōu)化后，對整車開空調(diào)工況進(jìn)行振動(dòng)測試，車內(nèi)振動(dòng)結(jié)果見表6。

圖13 壓縮機(jī)沿Y軸繞動(dòng)模態(tài)（125.6 Hz）振型圖

表6 優(yōu)化后空調(diào)壓縮機(jī)各轉(zhuǎn)速下的車內(nèi)振動(dòng)幅值

由表6可以發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速由2 300 r/min切換至2 000 r/min 后，對應(yīng)的方向盤振動(dòng)幅值由0.049 g 減小至0.015 g；壓縮機(jī)剛體模態(tài)提升后，5 000 r/min時(shí)的方向盤振動(dòng)幅值由0.178 g 減小至0.029 g，座椅導(dǎo)軌振動(dòng)幅值由0.013 g 減小至0.006 g，且其他各轉(zhuǎn)速下的車內(nèi)振動(dòng)無明顯變化，主觀評價(jià)都在可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

（1）通過對開空調(diào)時(shí)激勵(lì)源的振動(dòng)特性和傳遞路徑進(jìn)行分析，結(jié)合拍振機(jī)理以及模態(tài)分析手段，確認(rèn)壓縮機(jī)在2 300 r/min工作時(shí)車內(nèi)振動(dòng)較大是由于壓縮機(jī)和冷卻風(fēng)扇拍振引起；5 000 r/min時(shí)車內(nèi)振動(dòng)較大是由于壓縮機(jī)安裝狀態(tài)下的剛體模態(tài)與自身激勵(lì)頻率耦合所導(dǎo)致。

（2）試驗(yàn)研究結(jié)果表明：對于純電動(dòng)汽車所使用的電動(dòng)壓縮機(jī)，自身作為激勵(lì)源，其激勵(lì)頻率不僅要避開其他旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)頻，還需要充分避開自身的各階剛體模態(tài)。文中通過優(yōu)化激勵(lì)頻率和相關(guān)模態(tài)的分布，有效解決了各轉(zhuǎn)速下的共振耦合問題。