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汽車空調(diào)系統(tǒng)噪聲研究及控制
2022-02-28 20:38:41· 來源：汽車熱管理之家
摘要：從汽車用空調(diào)系統(tǒng)的組成，分別對空調(diào)制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的吸合噪聲、階次噪聲、Hissing 噪聲等不同類型的噪聲現(xiàn)象及產(chǎn)生機理進行了闡述。通過分析產(chǎn)生這些噪聲的
摘要：從汽車用空調(diào)系統(tǒng)的組成，分別對空調(diào)制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的吸合噪聲、階次噪聲、Hissing 噪聲等不同類型的噪聲現(xiàn)象及產(chǎn)生機理進行了闡述。通過分析產(chǎn)生這些噪聲的原因及相關(guān)零部件，分別指出了相對應(yīng)的控制要點及措施。最后，展示了通過控制空調(diào)系統(tǒng)噪聲使汽車車內(nèi)噪聲得到優(yōu)化的工程實例。
引言
汽車空調(diào)系統(tǒng)有調(diào)節(jié)溫度、濕度，對駕駛室內(nèi)進行通風(fēng)、換氣，調(diào)節(jié)駕駛員舒適感的作用 。但隨之而來的噪聲問題也成為影響駕駛員舒適性的因素之一。
汽車空調(diào)系統(tǒng)工作原理
汽車空調(diào)系統(tǒng)主要由兩部分組成，即制冷系統(tǒng)和暖通箱。制冷系統(tǒng)主要包括壓縮機、冷凝器、儲液干燥器、膨脹閥、蒸發(fā)器、管路、冷卻風(fēng)扇等，暖通箱主要包括鼓風(fēng)機、風(fēng)道、風(fēng)門等；
高壓液態(tài)冷媒在節(jié)流閥內(nèi)變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊簯B(tài)冷媒，最后進入蒸發(fā)器，完成制冷循環(huán)。而在暖通箱內(nèi)，蒸發(fā)器周邊的冷空氣或者暖風(fēng)水箱周圍的熱空氣被鼓風(fēng)機吹散到車內(nèi)，保證車內(nèi)舒適性。
圖1 制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 暖通箱結(jié)構(gòu)示意圖
本文主要針對汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的噪聲現(xiàn)象開展研究。
空調(diào)系統(tǒng)噪聲現(xiàn)象及產(chǎn)生機理
空調(diào)系統(tǒng)啟動時，會消耗一部分發(fā)動機功率，導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升，彌補損失的功率[2]，使車內(nèi)噪聲增加。除此之外，汽車空調(diào)系統(tǒng)工作時自身產(chǎn)生的噪聲也很明顯，這部分噪聲也已經(jīng)成為影響汽車駕乘人員舒適性的噪聲問題之一。而這些噪聲問題主要來自于空調(diào)制冷系統(tǒng)。其主要噪聲現(xiàn)象如下表1。
空調(diào)系統(tǒng)噪聲控制措施
4.1 壓縮機吸合異響
壓縮機吸合異響，是由于壓縮機離合器吸合時吸盤與皮帶輪產(chǎn)生撞擊而產(chǎn)生的。離合器吸合是利用離合器通電時產(chǎn)生磁場力將吸盤進
表1 空調(diào)制冷系統(tǒng)主要噪聲現(xiàn)象及產(chǎn)生機理
行吸合，且吸合速度快，導(dǎo)致吸盤和皮帶輪產(chǎn)生撞擊，進而產(chǎn)生異響噪聲。
但不同的離合器結(jié)構(gòu)和使用不同的材質(zhì)所產(chǎn)生的吸合異響噪聲程度也會有所不同，如圖3所示。
可以從以下幾方面采取優(yōu)化措施：
（1）從結(jié)構(gòu)和材料上優(yōu)化，緩和壓縮機吸合時銜鐵碰撞產(chǎn)生的異響，如：使用全周橡膠銜鐵；（2）空調(diào)管路采用隔振設(shè)計控制和衰減振動向車身的傳遞，如：空調(diào)低壓管的部分硬管改為橡膠軟管，減小異響向車內(nèi)傳遞 ；（3）通過設(shè)置合理吸合電壓，減弱吸合時的撞擊。
圖3 不同離合器噪聲趨勢
除以上措施外，合理使用電動壓縮機，也是防止吸合異響的有效手段。4.2 壓縮機的階次噪聲
壓縮機階次噪聲是壓縮機最為常見的噪聲之一，該噪聲現(xiàn)象是由壓縮機旋轉(zhuǎn)部件引起的，其噪聲頻率和旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)，如圖4所示。壓縮機結(jié)構(gòu)形式不同，階次噪聲也不盡相同，如：旋葉式壓縮機階次噪聲和葉片數(shù)量相關(guān)，斜盤式壓縮機階次噪聲和活塞數(shù)量相關(guān)。
圖4 壓縮機階次引起的噪聲問題
一般情況是通過生產(chǎn)廠家進行壓縮機內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主機廠也可以選用噪聲更為優(yōu)秀的渦旋式或變排量壓縮機或采取以下被動措施，滿足噪聲目標(biāo)要求：
（1）發(fā)動機支撐或懸置進行合理匹配；（2）空調(diào)系統(tǒng)增加減振降噪措施；（3）空調(diào)管路在車身及防火墻安裝采用隔振措施。
4.3 膨脹閥或蒸發(fā)器的 Hissing 噪聲
制冷初期，壓縮機吸排氣壓力差較小，壓縮機內(nèi)冷媒流通量大。同時蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的壓力和溫度會快速下降。因熱傳遞慢，膨脹閥感知溫度變化相對于壓力的改變較慢，因此在膜片上就會形成壓力差，開啟閥門，隨著熱傳遞，壓力逐漸平衡，閥芯會回到正常位置。在此過程中閥芯與頂桿脫離形成自由振動系統(tǒng)，受冷媒激勵產(chǎn)生異響 。
消除或減弱該噪聲，可采用的對策如下：
（1）減小膨脹閥開啟時冷媒壓力；
（2）152 AUTO TIME 控制膨脹閥閥芯與閥座的相對水平運動；（3）空調(diào)管路與車身安裝點的振動隔離；（4）增加隔吸聲材料包覆；（5）增加消聲器。
4.4 冷卻模塊散熱風(fēng)扇噪聲
風(fēng)扇噪聲主要有以下幾種：風(fēng)扇殘余動不平衡產(chǎn)生的低頻噪聲、葉片擾動空氣產(chǎn)生的渦流噪聲、葉片切割空氣引起的階次嘯叫，又稱為旋轉(zhuǎn)或葉片噪聲等。風(fēng)扇噪聲控制思路：
（1）控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。風(fēng)扇噪聲的聲壓級
（SPL）計算方法如下：SPL=K1Qn/D式中：K1-常量，Q-風(fēng)量，D-直徑，n-轉(zhuǎn)速。由此，在同一風(fēng)量Q下，為了降低風(fēng)扇噪聲，可增加直徑D，或降低轉(zhuǎn)速n；（2）優(yōu)化風(fēng)扇葉片形狀，使之有較好的流線型和合適的彎曲度，減小渦流噪聲；（3）采用護風(fēng)環(huán)可減小風(fēng)扇頂端的渦流噪聲；（4）葉片非均勻分布可降低風(fēng)扇噪聲中突出的峰值頻率成分；（5）采用有機合成材料（玻璃鋼、高強度尼龍等）葉片比金屬葉片噪聲小；（6）適當(dāng)?shù)倪x擇風(fēng)扇（2）與散熱器的距離也可減小風(fēng)扇噪聲。
4.5 拍頻噪聲
該拍頻噪聲是在值兩個頻率接近的噪聲調(diào)制引起的強弱變化的聽覺現(xiàn)象。這里涉及的拍頻噪聲包括雙風(fēng)扇引起的拍頻，以及壓縮機階次噪聲、風(fēng)扇階次噪聲、發(fā)動機階次噪聲引起的拍頻噪聲。
在進行系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮的因素有：
（1）壓縮機單體噪聲、振動；（2）風(fēng)扇單體噪聲振動；（3）轉(zhuǎn)速比（發(fā)動機與壓縮機的轉(zhuǎn)速比）；（4）發(fā)動機、壓縮機、風(fēng)扇之間階次頻率的分布及頻率間隔。
案例
某車型怠速開空調(diào)工況下車內(nèi)存在明顯的周期性拍頻現(xiàn)象。經(jīng)測試及互動濾波得出結(jié)論：該拍頻噪聲由于106Hz噪聲（發(fā)動機8階）與112Hz噪聲（壓縮機7階）頻率接近而產(chǎn)生，測試數(shù)據(jù)如圖5所示。
針對以上問題，采取如下措施：
（1）更換小帶輪壓縮機，即改變壓縮機傳動比；（2）空調(diào)管路管夾優(yōu)化，增加與車身連接處隔振橡膠。
經(jīng)過優(yōu)化處理，壓縮機7階頻率上升至 117Hz，且其噪聲峰值降低約5dB（A），如圖6所示。
實車評價，優(yōu)化后車內(nèi)拍頻現(xiàn)象消失，車內(nèi)聲品質(zhì)得到明顯提升，該問題得到有效解決。
結(jié)語
本文針對汽車空調(diào)噪聲問題，從空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主要噪聲現(xiàn)象及其產(chǎn)生機理進行分析，并針對空調(diào)系統(tǒng)不同零部件產(chǎn)生的噪聲提供了相對應(yīng)的控制措施。
作者：靳豹,王朝陽,曹子亮,劉建廣
單位：長城汽車股份有限公司
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