電動汽車空調壓縮機振動噪聲分析及優化

黃祖勇

摘 要：本文介紹一新開發的電動汽車采用電動壓縮機設計，在開空調時存在車內噪聲及振動過大的問題，經測試數據對比詳細分析及試驗診斷后，排查出壓縮機工作轉速在3250rpm附近時車內振動噪聲舒適性較差，通過傳遞路徑及振動模型分析，得出壓縮機在某特定轉速下與壓縮機支架產生共振;結合樣車實際情況，在不影響性能情況下，提出改進緩沖隔振方案，并提出優化支座結構的方案；通過試驗驗證表明，解決方案能有效降低車內噪聲和振動，提高乘坐舒適性。

關鍵詞：電動汽車 空調壓縮機 振動噪聲

NVH是噪聲（Noise）、振動（Vibration）與聲振粗糙度（Harshness）的英文縮寫。噪聲，是令人感到厭煩的聲音，而人的聽覺范圍主要在20Hz–20000Hz之間，在此區間的噪聲對乘坐和駕駛體驗影響較壞。噪聲主要由頻率、幅值和聲音品質決定，車輛運行過程中諸多部件都會產生噪聲。振動，是人身體感受到的物體運動，我們感知到較敏感的振動范圍集中在0.5Hz—50Hz，它主要是由頻率、幅值和方向決定。當頻率較高時，相同的振動能量下，振幅就會變小，人們感受也不明顯。聲振粗糙度，是粗糙、刺耳、不協調的感受，是噪聲和振動的混合效果，電動汽車主要與電機、空調壓縮機及路面激勵力相關。

近年中國新能源汽車市場迅猛發展，主要得益于國家政策的支持和鼓勵。其中電動汽車是主要增長車型，呈現突破性發展，電動汽車具備獨有優勢，節能環保，沒有發動機振動噪聲，車內靜薏舒適，尤其在低速或停車情況下，主要噪聲源來自車內空調制冷時的壓縮機工作振動噪聲，本文結合具體案例分析論述從傳統燃油車轉向電動汽車時的空調壓縮機振動噪聲分析與解決問題方法及過程。

1 問題描述

開發中某電動車出現開空調時車內感到壓縮機振動和噪聲過大，上市必將引起客戶抱怨，經具體分析該車的布置結構，其壓縮機布置位置在乘員艙副駕座位下方，安裝在座椅的橫梁上，因為是電動空調壓縮機，在停車氣溫高時，壓縮機剛啟動轉速直接達到最高，振動噪聲很大，是開發中重點難題。

應用系統的問題分析方法針對該問題開展原因排查，通過問題樹鎖定問題產生位置及相應的部件，結果是壓縮機在特定轉速時激起車身聲腔模態共振，出現轟鳴聲。

根據問題定義結果，對該車的電動壓縮機進行測試整個轉速范圍的振動及噪聲總值，數據如下圖。

通過噪聲總值和振動總值測試分析，壓縮機在3200轉～3700轉時，車內轟鳴聲大，主觀評價聲品質差，無法接受。

2 原因分析

2.1 振動噪聲傳遞路徑

該車壓縮機安裝在壓縮機支架上，壓縮機支架通過螺栓連接安裝在橫梁，大梁與壓縮機支架通過減震膠實現減振功能，因此振動噪聲傳遞路徑是：電動壓縮機→橡膠襯套→壓縮機支架→減震膠→橫梁→車身鈑金振動輻射→駕駛員耳旁；另一噪聲傳遞路徑是：電動壓縮機→空氣輻射→駕駛員耳旁。

2.2 空調壓縮機振動傳遞特性

將空調壓縮機單側橡膠軟墊和支架系統進行簡化，建立支架與壓縮機二自由度振動模型，如圖5所示。

模型的原點選自各自的平衡位置，其運動微分方程為：

式中：m1為空調壓縮機支架質量；m2為空調壓縮機質量；k1為支架剛度；k2為壓縮機單個橡膠軟墊剛度；c為支架阻尼；Fj為激振力；x1為支架垂直位移；x2為壓縮機垂直位移。

從公式推出，x1支架垂直位移過大是共振出現主要因素，結合具體測試數據分析得知主要原因是壓縮機支架工作在一定轉速時出現共振，即x1為支架垂直位移過大，這是因為隔振不足，壓縮機一階振動激勵與車身總成剛體模態共振，通過聲腔模態耦合放大導致。

從傳遞路徑上分析，已知壓縮機支架的剛度足夠，由此壓縮機支架隔振不足是由于壓縮機支架的4個減震膠設計不合理，膠量少，并且大振動時會導致直接和車身安裝面接觸，從而產生過大的振動異響。

3 解決方案及驗證

3.1 改進方案

從以上該電動車的振動噪聲傳遞路徑及振動模型分析，并結合測試數據，鎖定解決問題方案增加足夠的減震膠量，確保達到足夠隔振及防止支架支架接觸車身橫梁。

3.2 改進驗證

實施以上改進后進行制作樣件裝車測試，具體測試數據及對比情況如下：

從改進后測試空調壓縮機工作時的振動噪聲前后數據對比得知，噪音通過右耳噪聲總值對比，原狀態支架在3250rpm附近存在明顯峰值65dB（A），改進后在該轉速噪聲為53.5dB（A），降幅達到11.5dB（A）明顯改善噪聲值。

振動在橫梁處振動總值前后對比，原狀態支架在3250rpm附近峰值為1.27m/s2，改善后該轉速振動為0.24m/s2，降低1.03m/s2，改進方案通過實車試駕體驗，達到整車靜音要求，解決了項目問題，改進獲得在該電動車型上實施。

3.3 進一步優化方案

從上面的振動傳遞路徑分析得到問題的解決方案，基本解決了問題，但從設計歷史回顧追溯，燃油發動機的壓縮機機支架結構，材料是鑄鋁，直接安裝在發動機缸體上，共用發動機懸置減震系統，電動車上沒有了發動機減振系統可以共用，電動空調壓縮機通過支架將直接安裝在車身上，壓縮機支架繼續參考燃油車方案設計顯然不是系統的正向設計理念，需要專門設計自身的減振系統，從整車NVH目標分解出空調系統的振動噪聲控制目標，再根據壓縮機的工作頻率范圍確定壓縮機支架及減振結構方案。

一個新的結構設計，必須經過反復思考才能獲得相對完美方案，設計是否還能提高壓縮機支架剛度，制造工藝性是否進一步提升，成本是否還有優化空間，從這些方面考慮出發，項目決定進一步對電動壓縮機支架重新從頭開始設計，為滿足大批量生產工藝及降低零件成本，研究使用鋼板材料替代鑄鋁的壓縮機支架，按可自動化制造要求設計壓縮機支架，經模擬仿真計算，本電動壓縮機支架七階模態要求不低于180Hz。

鑄鋁的壓縮機支架為241.2Hz，設計上已經過余，改為鋼板結構設計按180Hz為目標進行優化減重，計算模態為188.5Hz，滿足設計要求，審核后通過該方案，見下圖：

最后進行完整方案計算，電動壓縮機支架優化前是鑄鋁材料且減震膠不足，優化后是鋼板材料及減震膠改進，下圖11為壓縮機支架優化前后噪聲頻譜值對比，可以看出各階次噪聲顯著降低，低頻轟鳴聲改善明顯。

以上通過分析重新設計壓縮機減振方案外，調整電動壓縮機轉速，使其轉速不落在振動噪聲大的點上，避免產生共振，在軟件標定進一步提升車內靜薏舒適性。

4 結語

隨著電動汽車快速普及，空調壓縮機由原來發動機帶動改為電動空調壓縮機，壓縮機在停車時也會在最高轉速工作，由此帶來振動噪聲較大，并且壓縮機的布置位置也會從發動機上轉移到其它位置，這到將影響車內的振動噪聲水平，本文通過對振動噪聲傳遞路徑分析并得出對壓縮機支架減震膠量調整及重新正向設計壓縮機支架結構和材料，完整計算與驗證方案，避免共振產生，提高了整車舒適性，為電動汽車開發解決振動噪聲問題做出有益的探索。

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