某車型怠速開(kāi)空調(diào)壓縮機(jī)噪聲問(wèn)題研究與優(yōu)化

艾鴻根，陳清爽，涂 迪，鄒志輝，洪有明

（1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001；2.江西省汽車噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330001）

汽車空調(diào)系統(tǒng)作為車內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的設(shè)備是必不可少的裝置，在人們對(duì)汽車噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）要求越來(lái)越高的今天，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)等新能源車型背景噪聲的降低，空調(diào)壓縮機(jī)噪聲問(wèn)題逐漸凸顯。同時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)負(fù)荷隨著環(huán)境溫度的升高而變大，負(fù)荷增大往往噪聲也會(huì)增大，在夏季高溫地區(qū)，異常的壓縮機(jī)噪聲更加令駕駛者難以接受，使汽車的駕駛舒適性急劇下降。

徐鑫莉等[1]通過(guò)對(duì)變排量活塞式壓縮機(jī)工作原理的闡述，分析了噪聲源的產(chǎn)生和壓縮機(jī)工作原理，在優(yōu)化壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過(guò)加消聲器、隔聲罩等，可進(jìn)一步達(dá)到降低噪聲的良好效果。王翔[2]通過(guò)研究斜盤式變排量壓縮機(jī)，結(jié)合結(jié)構(gòu)理論分析及實(shí)際試驗(yàn)的方式給出了在吸氣口增加單向閥和提高閥板環(huán)槽的加工精度的方案，改善吸排氣脈動(dòng)。LUKEN等[3]提出一種測(cè)量和分析壓力脈動(dòng)的方法，通過(guò)建立計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）模型來(lái)研究壓縮機(jī)冷媒壓力脈動(dòng)的影響因子，并且對(duì)影響因子進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，降低車內(nèi)乘客所感知到的脈動(dòng)噪聲。

本文以某款前置前驅(qū)承載式車型搭載的皮帶傳動(dòng)斜盤式變排量壓縮機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)該車型在怠速開(kāi)空調(diào)工況下車內(nèi)出現(xiàn)的低頻噪聲，從源-路徑的角度進(jìn)行分析，通過(guò)測(cè)試手段確認(rèn)問(wèn)題由壓縮機(jī)管路傳遞導(dǎo)致，最終通過(guò)優(yōu)化壓縮機(jī)吸、排氣管路設(shè)計(jì)，使問(wèn)題得到明顯改善。

1 空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與問(wèn)題特征

1.1 空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

汽車空調(diào)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)對(duì)車廂內(nèi)空氣進(jìn)行制冷、加熱、換氣和空氣凈化的裝置，它可為車內(nèi)人員提供舒適的環(huán)境；其主要結(jié)構(gòu)包括制冷系統(tǒng)、暖風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)與空氣凈化系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分。

本文分析的問(wèn)題車型空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示，壓縮機(jī)固定在發(fā)動(dòng)機(jī)，冷凝器固定在車身前端，膨脹閥固定在車身前圍鈑金，空調(diào)箱布置在駕駛室儀表臺(tái)內(nèi)，空調(diào)管路通過(guò)三個(gè)安裝點(diǎn)與車身相連接。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)布置形式

1.2 問(wèn)題特征描述

樣車在開(kāi)發(fā)階段駕評(píng)發(fā)現(xiàn)，高溫環(huán)境下，怠速開(kāi)空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)低擋位，壓縮機(jī)吸合后，車內(nèi)存在明顯異常噪聲，前排比后排明顯，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，主觀感受較差，關(guān)閉壓縮機(jī)后聲音消失。

利用LMS公司Test Lab軟件及設(shè)備，對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)、膨脹閥振動(dòng)、車內(nèi)及壓縮機(jī)近場(chǎng)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)工況采集（如圖2所示），并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波回放分析，確認(rèn)車內(nèi)噪聲抱怨的問(wèn)題頻率為126 Hz（如圖3所示），且壓縮機(jī)、膨脹閥本體126 Hz振動(dòng)明顯，結(jié)合問(wèn)題表現(xiàn)及主觀感受，判斷該問(wèn)題與空調(diào)壓縮機(jī)管路系統(tǒng)相關(guān)性高。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置

圖3 P擋怠速開(kāi)空調(diào)噪聲與振動(dòng)圖

2 問(wèn)題分析與解決思路

2.1 問(wèn)題分析

該車匹配皮帶傳動(dòng)式、外控變排量活塞式壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)主要參數(shù)如表1所示，P擋怠速開(kāi)空調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為810 r/min。

表1 壓縮機(jī)主要參數(shù)

式中，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；a為壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸速比；b為壓縮機(jī)缸數(shù)。

根據(jù)式（1）計(jì)算壓縮機(jī)階次頻率為126 Hz，與開(kāi)空調(diào)車內(nèi)異常噪聲問(wèn)題頻率相對(duì)應(yīng)。

對(duì)問(wèn)題頻率數(shù)據(jù)分析（如圖4所示）發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)近場(chǎng)噪聲126 Hz峰值低于車內(nèi)噪聲峰值，因此，判斷該問(wèn)題主要為結(jié)構(gòu)傳遞；進(jìn)一步分析振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)殼體126 Hz振動(dòng)幅值只為膨脹閥本體的35%左右，因此，懷疑該問(wèn)題為空調(diào)管路和冷媒傳遞并放大，經(jīng)膨脹閥進(jìn)入車內(nèi)，引起抱怨。

圖4 車內(nèi)噪聲及壓縮機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)頻譜圖

2.2 解決思路

通過(guò)上述分析，初步鎖定是空調(diào)管路和冷媒傳遞、放大導(dǎo)致。針對(duì)此原因，可從表2所列方面進(jìn)行排查、分析。

表2 126 Hz問(wèn)題排查點(diǎn)

2.3 問(wèn)題點(diǎn)確認(rèn)

2.3.1 膨脹閥

橫向?qū)Ρ韧脚_(tái)無(wú)此問(wèn)題的車型發(fā)現(xiàn)，兩車型匹配的膨脹閥結(jié)構(gòu)尺寸一樣，為共用樣件，初步判斷膨脹閥對(duì)此問(wèn)題影響不大。

2.3.2 管路車身固定點(diǎn)

該空調(diào)壓縮機(jī)吸、排氣管路共有三個(gè)安裝點(diǎn)（如圖1所示），且均有隔振墊與車身相隔離，初步判斷隔振墊非關(guān)鍵因素。

2.3.3 空調(diào)管路

分析、測(cè)量壓縮機(jī)吸、排氣管結(jié)構(gòu)，如表3所示。

表3 空調(diào)管路參數(shù)

從結(jié)果來(lái)看該段壓縮機(jī)吸、排氣管膠管長(zhǎng)度均達(dá)到總長(zhǎng)度的50%（如圖5所示），且膠管硬度為55 shore，從布置和工程可行性來(lái)看，膠管加長(zhǎng)的可能性不大。

圖5 原狀態(tài)空調(diào)管路

從管道壓力脈動(dòng)的角度來(lái)看，壓縮機(jī)排氣管無(wú)擴(kuò)張腔以及吸氣管較粗、內(nèi)徑達(dá)到19 mm，這兩點(diǎn)均不利于降低管路冷媒壓力脈動(dòng)。

3 整改驗(yàn)證

3.1 方案一：排氣管加擴(kuò)張腔（優(yōu)化排氣管壓力脈動(dòng)）

為降低空調(diào)冷媒壓力脈動(dòng)，在壓縮機(jī)管路上增加擴(kuò)張腔是一種較為有效的措施。一般根據(jù)制冷劑壓力脈動(dòng)峰值頻率及有關(guān)制冷劑的參數(shù)，來(lái)設(shè)計(jì)擴(kuò)張腔的長(zhǎng)度和擴(kuò)張比。

消聲器的長(zhǎng)度：

管道聲速：

式中，f為需優(yōu)化的問(wèn)題頻率；k為氣體的比熱容；R為氣體常數(shù)；T為制冷劑的溫度，K。

擴(kuò)張腔消聲量（近似值）：

式中，m為擴(kuò)張腔的擴(kuò)張比。

本次整改方案中，計(jì)劃在排氣管靠近壓縮機(jī)端蓋附近增加擴(kuò)張腔，在布置空間允許的前提下，尺寸盡量大，本方案擴(kuò)張腔尺寸為80 mm×45 mm（長(zhǎng)×直徑），如圖6所示。

圖6 壓縮機(jī)排氣管加擴(kuò)張腔

經(jīng)過(guò)實(shí)車驗(yàn)證，在排氣管靠近壓縮機(jī)端蓋處增加擴(kuò)張腔后，主觀車內(nèi)異常噪聲優(yōu)化明顯，數(shù)據(jù)顯示車內(nèi)駕駛員外耳126 Hz峰值降低7 dB(A)，說(shuō)明排氣管路壓力脈動(dòng)是主要影響因素。

3.2 方案二：吸氣管內(nèi)徑降低（優(yōu)化吸氣管壓力脈動(dòng)）

根據(jù)流體流動(dòng)過(guò)程中的質(zhì)量守恒定律可知，單位時(shí)間流經(jīng)管路任一有效斷面的流體質(zhì)量為常數(shù)，因此，當(dāng)管道截面面積減小時(shí)，流體流速將增大。

式中，ρ為流體密度，kg/m3；A為管路有效斷面面積，m2；v為有效斷面上的平均速度，m/s。

根據(jù)伯努利定理可知，當(dāng)流體流速增加時(shí)，流體的壓力將減小，因此，降低管道內(nèi)徑可優(yōu)化流體壓力脈動(dòng)。

為快速驗(yàn)證并解決問(wèn)題，本次在現(xiàn)有尺寸系列中，選擇將壓縮機(jī)吸氣管膠管段內(nèi)徑由19 mm降低至16 mm進(jìn)行驗(yàn)證；主觀感受車內(nèi)異常噪聲有明顯優(yōu)化，數(shù)據(jù)顯示車內(nèi)駕駛員外耳126 Hz峰值降低6 dB(A)，說(shuō)明吸氣管路壓力脈動(dòng)也有很大影響。

3.3 方案三：排氣管加擴(kuò)張腔、吸氣管內(nèi)徑降低

將方案一和方案二措施同時(shí)進(jìn)行疊加驗(yàn)證，主觀優(yōu)化效果非常明顯，達(dá)到可接受水平，客觀數(shù)據(jù)顯示車內(nèi)駕駛員外耳126 Hz峰值降低10.1 dB(A)。如圖7所示。

圖7 方案三車內(nèi)駕駛員外耳噪聲對(duì)比

4 結(jié)論

空調(diào)系統(tǒng)NVH問(wèn)題包括機(jī)械、流體噪聲，且受車內(nèi)和車外環(huán)境溫度的影響，需要在開(kāi)發(fā)前期密切關(guān)注空調(diào)壓縮機(jī)、冷凝器、管路、膨脹閥、蒸發(fā)器、空調(diào)管路擴(kuò)張腔等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、布置及相關(guān)匹配。

本文為了解決開(kāi)空調(diào)壓縮機(jī)吸合后車內(nèi)壓縮機(jī)噪聲問(wèn)題，通過(guò)系統(tǒng)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，鎖定空調(diào)管路冷媒壓力脈動(dòng)為主要原因。最終通過(guò)在壓縮機(jī)排氣管增加擴(kuò)張腔以及降低吸氣管內(nèi)徑的低成本方案，優(yōu)化空調(diào)吸、排氣管路冷媒壓力波動(dòng)，最終解決車內(nèi)噪聲問(wèn)題。此研究對(duì)解決冷媒壓力波動(dòng)引起的壓縮機(jī)問(wèn)題具有指導(dǎo)意義，為后續(xù)類似問(wèn)題提供快速進(jìn)行驗(yàn)證的思路及方案。