某純電動(dòng)汽車用HVAC 空調(diào)箱轟鳴聲優(yōu)化方案研究

李 鵬，趙淵博，孫 放

（航空工業(yè)新航豫新汽車熱管理科技有限公司a.研發(fā)二所，b.研發(fā)四所，c.研發(fā)三所，河南 新鄉(xiāng) 453049）

1 項(xiàng)目背景

目前，汽車生產(chǎn)廠商對(duì)各種汽車零部件，尤其對(duì)整車安全性與舒適性有重要影響的零部件的要求越來越高。汽車空調(diào)作為直接影響整車舒適性的重要零部件，其制冷、制熱、聲品質(zhì)等受到了客戶更多的關(guān)注。隨著科技的發(fā)展，小型、高效、節(jié)能已成為汽車空調(diào)發(fā)展的主流趨勢(shì)［1］。

汽車駕駛艙在汽車行駛過程中易產(chǎn)生各種噪音，進(jìn)而增加駕駛員及乘員的疲勞感，顯著影響整車的舒適性。空調(diào)箱作為汽車車身的重要部件，其自身的噪音必然會(huì)降低整車舒適性［2］。空調(diào)箱噪音的一個(gè)典型來源就是轟鳴聲，轟鳴聲的產(chǎn)生能給駕駛員及乘員帶來主觀上的不舒適，易使人焦躁不安，甚至出現(xiàn)頭暈惡心的現(xiàn)象。因此為了保證駕駛艙的聲品質(zhì)，提高整車的舒適性，保證行車安全，HVAC自身轟鳴聲的優(yōu)化就顯得尤為重要［3］。

電動(dòng)汽車的一個(gè)重要指標(biāo)就是節(jié)能、高效，因此對(duì)電動(dòng)汽車用空調(diào)箱的小型、高效、節(jié)能也提出了更高的要求。在相同性能指標(biāo)下，在更小的空間，實(shí)現(xiàn)更高效的空調(diào)箱性能發(fā)揮，就需要對(duì)汽車空調(diào)箱內(nèi)外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行更多的優(yōu)化。純電動(dòng)汽車車用空調(diào)箱相比于傳統(tǒng)汽油車車用空調(diào)箱，由于其加熱系統(tǒng)熱力源由發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)檐囕d電池，換熱載體也由暖風(fēng)芯體變?yōu)镻TC，相同通風(fēng)面積下，為了提高電動(dòng)車的功效，PTC結(jié)構(gòu)相比于暖風(fēng)芯體就顯得更為緊湊。在相同換熱效率下，PTC結(jié)構(gòu)的緊湊必然會(huì)增加HVAC空調(diào)箱內(nèi)部的通風(fēng)阻力，就會(huì)造成空調(diào)箱自身噪聲的增大，轟鳴聲也會(huì)變得更加明顯。與此同時(shí)，由于純電動(dòng)汽車相比于傳統(tǒng)汽油車，動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)榱穗妱?dòng)機(jī)，動(dòng)力源的噪聲顯著降低，在相同使用環(huán)境下空調(diào)箱的轟鳴聲會(huì)表現(xiàn)得更加突出［4］。為此，本文以某純電動(dòng)汽車用HVAC空調(diào)箱為研究對(duì)象，通過CFD仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)行轟鳴聲優(yōu)化方案研究，探索出一種轟鳴聲的優(yōu)化方案。

2 空調(diào)箱轟鳴聲產(chǎn)生機(jī)理

HVAC空調(diào)箱的主要框架為塑料件結(jié)構(gòu)，厚度一般為1.2～1.8mm，其工作的原理是通過空氣作為媒介，經(jīng)由空調(diào)箱內(nèi)部的空氣流道，進(jìn)行熱量的交換與傳輸。而空氣作為彈性體，在汽車空調(diào)箱塑料件殼體內(nèi)部流道內(nèi)更易產(chǎn)生渦流以及振動(dòng)和聲腔模態(tài)［5］。空氣在汽車空調(diào)箱塑料件殼體內(nèi)部流道內(nèi)流通的過程中，隨著塑料件流道體積的不斷變化，相同質(zhì)量的空氣，其體積會(huì)不斷發(fā)生變化。隨著空氣體積的波動(dòng)，其與空調(diào)箱殼體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)在低頻范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的耦合作用。這種低頻的耦合作用在一定的激勵(lì)下，如果產(chǎn)生的響應(yīng)較大，便會(huì)在空調(diào)箱內(nèi)產(chǎn)生很高的壓力脈動(dòng)，進(jìn)而使空調(diào)箱產(chǎn)生轟鳴聲，影響整車聲品質(zhì)，降低整車舒適性［6］。

轟鳴聲作為低頻噪音，通常發(fā)生在25～100Hz的低頻范圍內(nèi)。不同頻率范圍內(nèi)，激勵(lì)源以及激勵(lì)方式也會(huì)不同。空調(diào)箱轟鳴聲的激勵(lì)方式主要有：鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、葉輪振動(dòng)以及空氣與空調(diào)箱殼體間的壁面振動(dòng)。空調(diào)箱轟鳴聲產(chǎn)生的因素主要有：空調(diào)箱激勵(lì)源、發(fā)生耦合的頻率以及主要響應(yīng)位置［7］。因此，需要通過以上3個(gè)因素的優(yōu)化，來實(shí)現(xiàn)空調(diào)箱轟鳴聲的改善。

3 空調(diào)箱轟鳴聲原因分析

該純電動(dòng)汽車車用空調(diào)為小型、立式、中置式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部流道參照了某款汽油車車用空調(diào)的內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，為全新開發(fā)。由于空間結(jié)構(gòu)的限制，其內(nèi)部非常緊湊，通風(fēng)區(qū)域相對(duì)狹窄，相對(duì)風(fēng)阻較大。冷暖風(fēng)門由全冷模式切換為全熱模式的過程中，主觀評(píng)價(jià)轟鳴聲逐步加重，在全熱吹腳模式表現(xiàn)最為明顯。因此需要從轟鳴聲激勵(lì)源、轟鳴聲發(fā)生的頻率、轟鳴聲產(chǎn)生的位置，逐步確定轟鳴聲產(chǎn)生的具體原因［8］。

3.1 半消音室NVH近場(chǎng)分析

考慮到該汽車空調(diào)轟鳴聲的具體表現(xiàn)，為了初步確認(rèn)空調(diào)總成轟鳴聲產(chǎn)生的原因及其表現(xiàn)形式，我們使用LMS Test.Lab NVH測(cè)試系統(tǒng)，在半消音室進(jìn)行HVAC總成近場(chǎng)噪聲測(cè)試。試驗(yàn)布點(diǎn)（Point D1）方法如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)布點(diǎn)方法

轟鳴聲主要產(chǎn)生于全熱模式，首先進(jìn)行全冷吹腳模式和全熱吹腳模式下的空調(diào)箱總成噪聲差異性分析。如圖2所示，對(duì)比全冷吹腳外循環(huán)和全熱吹腳外循環(huán)的噪聲頻譜，全熱模式與全冷模式的頻譜差異主要體現(xiàn)在63～400Hz頻段，前者幅值較高。此頻段噪聲源復(fù)雜，主要有鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲、氣流流動(dòng)噪聲和鼓風(fēng)機(jī)階次噪聲等。

因?yàn)镠VAC工作時(shí)需要鼓風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)氣流產(chǎn)生風(fēng)量，風(fēng)機(jī)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)是空調(diào)總成的一個(gè)重要激勵(lì)源。為排除該振動(dòng)激勵(lì)，將HVAC總成安裝到半消音室內(nèi)的風(fēng)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，通過臺(tái)架為HVAC送風(fēng)，鼓風(fēng)機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)。鼓風(fēng)機(jī)工作和靜止?fàn)顟B(tài)下的空調(diào)總成近場(chǎng)噪聲測(cè)試結(jié)果如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，63～400Hz頻段的頻譜差異依然存在。與此同時(shí)，我們也進(jìn)行了轟鳴聲的主觀評(píng)價(jià)，鼓風(fēng)機(jī)兩種狀態(tài)下的轟鳴聲無明顯差異，說明此問題的根源不在鼓風(fēng)機(jī)，而是由空調(diào)總成內(nèi)部氣流流動(dòng)產(chǎn)生。

圖2 全冷與全熱模式下空調(diào)總成噪聲頻譜

圖3 鼓風(fēng)機(jī)工作和靜止?fàn)顟B(tài)下的噪聲頻譜

初步判定轟鳴聲產(chǎn)生的原因?yàn)榭照{(diào)箱內(nèi)部產(chǎn)生渦流以及局部的壁面振動(dòng)。

3.2 CFD仿真分析

為了進(jìn)一步確認(rèn)轟鳴聲產(chǎn)生的原因，我們進(jìn)行全熱吹腳外循環(huán)模式下的空調(diào)總成流場(chǎng)CFD仿真，對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析［9］。依據(jù)流道中線截面處速度矢量圖 （圖4），沒有發(fā)現(xiàn)空調(diào)內(nèi)部出現(xiàn)大的渦流。因此，我們進(jìn)一步對(duì)其渦量云圖進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。通過渦量云圖，在黑色輪廓線指示位置，可以看到有2個(gè)明顯的渦流且渦量較大，說明空調(diào)箱內(nèi)部流場(chǎng)渦流可能是引起轟鳴聲的原因。

圖4 流道中線截面處速度矢量圖

圖5 渦量云圖

4 優(yōu)化與驗(yàn)證

4.1 優(yōu)化方案

根據(jù)上述分析結(jié)果，可以初步判定空調(diào)箱總成轟鳴聲產(chǎn)生的原因?yàn)榭照{(diào)總成內(nèi)部產(chǎn)生渦流，進(jìn)而引起氣流流動(dòng)噪聲，產(chǎn)生轟鳴聲。為了驗(yàn)證此分析結(jié)論，我們對(duì)空調(diào)箱內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減小渦流，優(yōu)化全熱模式下氣流流動(dòng)噪音［10］。通過圖5，我們可以看出轟鳴聲的位置為空調(diào)箱內(nèi)部流道導(dǎo)流板處，改善前空調(diào)箱總成全熱吹腳模式下的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部流道圖如圖6所示。

圖6 空調(diào)箱總成全熱吹腳模式下的內(nèi)部流場(chǎng)圖

結(jié)合CFD仿真分析結(jié)果及空調(diào)箱內(nèi)部流道圖，綜合考慮空調(diào)總成的風(fēng)量、混風(fēng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素，初步確定優(yōu)化空調(diào)總成的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)為改善方案。改善前后空調(diào)總成導(dǎo)流隔板結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 導(dǎo)流板優(yōu)化前后的空調(diào)箱總成內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證與主觀評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證優(yōu)化方案結(jié)果，我們對(duì)導(dǎo)流板改善前后的空調(diào)總成分別進(jìn)行了近場(chǎng)噪聲測(cè)試及轟鳴聲主觀評(píng)價(jià)。改善前后的噪聲頻譜對(duì)比見圖8，可以看出，優(yōu)化后的噪聲幅值在63～160Hz的頻率范圍均有降低，特別是在100Hz和125Hz猶為顯著；1/3倍頻程中100Hz和125Hz頻段噪聲值降低了1.8dB。

圖8 HVAC原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)噪聲頻譜

同時(shí)，主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果也表明，該方案轟鳴聲改善明顯，得到了客戶的認(rèn)可。

5 結(jié)束語

從該純電動(dòng)車用空調(diào)系統(tǒng)的轟鳴聲優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果來看，低頻峰值得到顯著降低，轟鳴聲主觀評(píng)價(jià)改善明顯，說明該優(yōu)化方案能顯著優(yōu)化空調(diào)箱轟鳴聲，提高汽車空調(diào)聲品質(zhì)。

與此同時(shí)，探索出了一種空調(diào)箱轟鳴聲優(yōu)化的思路與方案。通過CFD仿真分析、半消音室近場(chǎng)試驗(yàn)分析與驗(yàn)證、主觀評(píng)價(jià)，對(duì)該方案進(jìn)行了一個(gè)系統(tǒng)的研究與驗(yàn)證。試驗(yàn)及主觀評(píng)價(jià)結(jié)果表明該優(yōu)化方案能有效改善轟鳴聲，可為后續(xù)空調(diào)箱的轟鳴聲優(yōu)化提供參考與指導(dǎo)。