導(dǎo)讀

空調(diào)系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng)是基車NVH性能開發(fā)的重要考核項(xiàng)目之一,相比普通非熱泵空調(diào)系統(tǒng),熱泵空調(diào)系由于功能的需求使壓縮機(jī)排出管路成為新的噪聲振動(dòng)傳遞路徑,而傳統(tǒng)的質(zhì)量塊方案由于帶來管路疲勞耐久問題無法工業(yè)實(shí)施?本文針對熱泵空調(diào)系統(tǒng)案聲振動(dòng)傳遞路徑進(jìn)行研究,提出傳遞路徑為:壓縮機(jī)一排出管一TXV一車內(nèi)冷凝器一空調(diào)箱體一車內(nèi)?根據(jù)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了全新的排出管布置方案和隔振空調(diào)箱體,測試選定軟管材料和箱體隔振料,并最終在整車上進(jìn)行主客觀測試驗(yàn)證?試驗(yàn)結(jié)果表明采用優(yōu)化方案馨車噪聲振動(dòng)明顯什么?確定傳諾路經(jīng)判斷的正在性,同時(shí)為整車熱系空調(diào)系統(tǒng)NVH優(yōu)化提供了可工業(yè)化的方案,為后續(xù)車型搭載熱泵空調(diào)系統(tǒng)莫定基礎(chǔ)?

關(guān)鍵詞：NVH，熱泵空調(diào)系統(tǒng)，壓縮機(jī)排出管，隔振空調(diào)箱體

作者：黃曉強(qiáng)，劉鳳琴，陳曉新

比亞迪汽車工業(yè)有限公司

目前新能源車市場的空調(diào)系統(tǒng)以傳統(tǒng)非熱泵為主,但傳統(tǒng)非熱泵系統(tǒng)僅具備制冷功能,車輛冬季使用時(shí)需使用PTC制熱維持用戶舒適性?由于PTC制熱的功耗較高,對整車電他的冬季續(xù)航影響大,現(xiàn)新能源車的空調(diào)逐漸往熱泵系統(tǒng)方向發(fā)展,隨之而來的熱泵空調(diào)系統(tǒng)NVH問題也需分析解決目前熱泵空調(diào)系統(tǒng)在新能源汽車上逐漸開始大規(guī)模的應(yīng)月,因此相關(guān)研究處于起步階段,特別是關(guān)于整車熱泵空調(diào)系統(tǒng)NVH問題的研究大多處于空白階段?盧均宇等針對熱泵空調(diào)系統(tǒng)的循環(huán)原理進(jìn)行分析,對比熱泵系統(tǒng)低溫工況下的制熱性能[1];武衛(wèi)東等探討了制冷模式下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各關(guān)鍵參數(shù)的影響[2]?以上可對整車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的選型及NVH控制策略提供參考?羅穎等對電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)噪聲振動(dòng)問題的識(shí)別與排查進(jìn)行了綜述[3],胡世健?王理楠?張靜等針對汽車空調(diào)箱體的氣動(dòng)噪聲?電磁噪聲進(jìn)行分析與研究[3-5],單國偉?張曉偉等針對空調(diào)管路傳遞的振動(dòng)問題進(jìn)行仿真建模分析[6-7]?以上僅針對熱泵空調(diào)系統(tǒng)部分子部件進(jìn)行優(yōu)化,并未對整車熱泵系統(tǒng)的噪聲振動(dòng)問題的完整傳遞路徑進(jìn)行分析與研究

本文針對某車型熱泵空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)的噪聲振動(dòng)問題,不比分析熱泵空調(diào)系統(tǒng)及普通非熱泵空調(diào)系統(tǒng)傳遞路徑的差異,確認(rèn)熱泵空調(diào)系統(tǒng)噪聲振動(dòng)問題的傳遞路徑及問題點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種全新的空調(diào)管路及隔振空調(diào)箱體方案,最終在整車上進(jìn)行客觀測試及主觀評價(jià),為后續(xù)車型的熱泵空調(diào)系統(tǒng)NVH設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)?

01 問題現(xiàn)象及驗(yàn)證問題現(xiàn)象

某熱泵車型空調(diào)系統(tǒng)制冷時(shí),車內(nèi)噪聲轟鳴并伴隨方應(yīng)盤及儀表臺(tái)擬動(dòng)明顯,主觀體驗(yàn)不可接受?對該車熱泵空調(diào)傳遞路徑進(jìn)行排查確認(rèn),發(fā)現(xiàn)空調(diào)工作時(shí)壓縮機(jī)排出管管路抖動(dòng)明顯,手握排出管管路后,主觀體驗(yàn)車內(nèi)噪聲及方向盤?儀表臺(tái)抖動(dòng)改善?

根據(jù)上述體驗(yàn),在該車壓縮機(jī)排出管增加360g質(zhì)量塊主駕駛位置的噪聲峰值下降5dBA左右,方向盤振動(dòng)峰值下降5dB左右,初步確認(rèn)車內(nèi)噪聲振動(dòng)問題通過壓縮機(jī)排出管路傳遞(圖1)?但由于壓縮機(jī)排出管增加質(zhì)量塊后,管路疲勞耐久性能下降,路試時(shí)車輛出現(xiàn)排出管管路斷裂問題該方案工業(yè)化實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)高,故需進(jìn)一步排查確認(rèn)傳遞路徑滅噪聲振動(dòng)響應(yīng)源，尋找其他可行的優(yōu)化方案。

傳遞路徑分析

普通空調(diào)系統(tǒng)的“壓縮機(jī)排出管回路”主要由壓縮機(jī)?排管路車外冷凝器電子膨脹閥?空調(diào)箱體組成(圖2a)玉縮機(jī)的排出管連接至車外冷凝器,再通過車外冷凝器?電于嘭脹閥?最后經(jīng)由TXV連接至空調(diào)箱體?壓縮機(jī)本體通過排出管傳遞的振動(dòng)需經(jīng)過車外冷凝器衰減后才傳遞至車內(nèi)空調(diào)箱體。

通過結(jié)構(gòu)分析初步推測熱泵空調(diào)系統(tǒng)噪聲振動(dòng)主要傳這路徑為:壓縮機(jī)一排出管-TXV一車內(nèi)冷凝器芯體一空調(diào)箱體。根據(jù)ＮＶＨ常用源頭 -路徑-響應(yīng)的優(yōu)化機(jī)理,優(yōu)化的主要方式如下:

1)優(yōu)化空調(diào)排出管,降低排出管對壓縮機(jī)本體振動(dòng)的傳遞?

2)優(yōu)化空調(diào)箱體隔振,降低空調(diào)箱體表面的振動(dòng)響應(yīng)?

02 空調(diào)管路及空調(diào)箱體驗(yàn)證方案

空調(diào)管路優(yōu)化

空調(diào)管路的隔振性能受如下因素的影響:

1)空調(diào)軟管的材料?采用越柔軟的軟管材料,則空調(diào)軟管的隔振性能越好,但軟管隔振材料越軟,管路對空調(diào)偉冷劑的承壓能力越弱,故需在兩者之間取得平衡?

2)空調(diào)軟管的長度?相同的軟管材料,軟管的長度越長則空調(diào)管路的隔振性能越好,但管路長度受到整車前艙尺十的限制?

3)空調(diào)管路的約束?在剛度較大位置對空調(diào)鋁管增加約束,可有效抑制管路振動(dòng)幅值,降低空調(diào)管路傳遞的振動(dòng)能量?

軟管材料隔振測試及選型

諸如橡膠之類的隔振材料,一般可用邵氏硬度表征材彩的隔振性能,材料的邵氏硬度越低則材料的隔振性能越好而空調(diào)軟管由多層不同材料復(fù)合組成,軟管的隔振性能取汁于所有材料的組合(圖4)?而邵氏硬度測試僅能測試軟管的表層材料硬度,因此采用隔振傳函VTF作為評價(jià)軟管權(quán)料隔振性能的主要指標(biāo)?

搭建空調(diào)軟管隔振傳函測試工裝?測試工裝主要由激護(hù)器?軟管材料與被動(dòng)端支架組成(圖5)?軟管材料取定300mm,軟管兩端與工裝的連接部位分別布置振動(dòng)傳感器其中布置于激振器側(cè)的振動(dòng)傳感器為主動(dòng)端,布置于被動(dòng)勞支架側(cè)的振動(dòng)傳感器為被動(dòng)端?測試激振器輸出采用100.1000Hz正弦掃頻信號(hào),測試軟管材料主動(dòng)端及被動(dòng)端的傳遞函數(shù),兩者的差值即為軟管的隔振傳函,隔振傳函的值越低則表明軟管材料的隔振性能越好?

對供應(yīng)商提供的三種軟管材料進(jìn)行隔振傳函測試,分別為5層軟管?4層軟管與3層軟管(圖6)?4層軟管相比5層軟管減少了中膠層,3層軟管相比5層軟管同時(shí)減少中膠靈和襯層?由測試數(shù)據(jù)可以看出,軟管層數(shù)每減少一層,軟管材料的隔振性能提高5~10dB?

排出管布置優(yōu)化

另一方面需針對管路走向布置進(jìn)行優(yōu)化,原優(yōu)化方案為排出管軟管增加360g質(zhì)量塊,但由于質(zhì)量塊導(dǎo)致的管路疲勞斷裂問題而無法工業(yè)化應(yīng)用?熱泵空調(diào)箱體相比普通非熱泵空調(diào)系統(tǒng)新增集成閥體,主要用于熱泵空調(diào)系統(tǒng)中制冷劑流向的控制?集成閥體具備如下特點(diǎn):

1)質(zhì)量大?閥體質(zhì)量達(dá)到55kg左右(不計(jì)入閥體工作時(shí)內(nèi)含的冷卻水質(zhì)量)?

2)剛度高?集成閥體的閥座本體為實(shí)心鑄鋁部件

3)帶隔振?集成閥體與車身之間采用隔振支架連接可避免集成閥體上的振動(dòng)傳到至車身,成為新的傳遞路徑問題點(diǎn)(圖7)?

如圖8所示,基于集成閥體以上的特點(diǎn),可將壓縮機(jī)排出管與集成閥體剛性連接,使集成閥體替代管路質(zhì)量塊對管路振動(dòng)傳遞產(chǎn)生抑制效果,降低排出管傳遞的振動(dòng)?同時(shí)由于集成閥體與車上支架采用隔振支架連接,可避免排出管振動(dòng)經(jīng)由集成閥體傳遞至車身產(chǎn)生新的傳遞路徑風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)規(guī)避管路上質(zhì)量附加導(dǎo)致的耐久斷裂風(fēng)險(xiǎn)?而且通過管路走向優(yōu)化,可進(jìn)一步增加排出管軟管長度?增加軟管的隔振性能?

整車管路傳函測試

基于上述思路在某車型上設(shè)計(jì)優(yōu)化排出管方案,軟管材料由5層軟管改為3層軟管,管路與集成閥體剛性連接,壓縮機(jī)管口至TXV之間的軟管長度由410mm增加至500mm(圖9)?

在整車上驗(yàn)證壓縮機(jī)排出管的振動(dòng)傳函VTF,振動(dòng)敲擊點(diǎn)為壓縮機(jī)的排出管管口,振動(dòng)拾取點(diǎn)為前圍TXV?管路振動(dòng)傳函VTF表征管路對振動(dòng)能量的傳導(dǎo)特性,傳函幅值越低表明管路傳遞的振動(dòng)能量越少,管路的隔振性能越好測試結(jié)果如圖10所示?與原方案相比,采用優(yōu)化排出管方案的傳函幅值下降10dB左右,優(yōu)化效果明顯?

空調(diào)箱體優(yōu)化

空調(diào)箱體結(jié)構(gòu)分析

由上述分析可知空調(diào)箱體為車內(nèi)壓縮機(jī)噪聲及方向盤抖動(dòng)的響應(yīng)源?空調(diào)箱體振動(dòng)的主要傳遞路徑為車內(nèi)冷凝器與箱體壁面的接觸位置,主要為車內(nèi)冷凝器芯體與箱體壁面的接觸面,冷凝器管路與箱體壓板的接觸面,可在上述接觸面(綠色區(qū)域)增加隔振材料,降低車內(nèi)冷凝器傳遞至空調(diào)箱體壁面的振動(dòng)(圖11?圖12)?

空調(diào)箱體隔振驗(yàn)證

采用空調(diào)箱體的壁面振動(dòng)傳函VTF與近場噪聲傳函NTF評價(jià)箱體的隔振性能?測試時(shí)空調(diào)箱體采用橡膠彈性繩懸掛于支架上,并在箱體表面布置振動(dòng)振動(dòng)傳感器如圖13a所示?箱體6個(gè)方向距離壁面10cm位置布置傳聲器,如圖13b所示?采用力錘敲擊箱體TXV位置,測試各振動(dòng)測點(diǎn)與傳聲器測點(diǎn)的傳函,將所有振動(dòng)傳函與噪聲傳函平均之后獲得空調(diào)箱體平均振動(dòng)傳函與平均啤聲傳函?

對比測試三種不同的箱體隔振材料,分別為PU60?EPDM與硅膠?測試結(jié)果如圖14所示,PU60材料的隔振效果最優(yōu),故最終選定空調(diào)箱體的隔振材料為PU60?

03 整車驗(yàn)證結(jié)果分析與討論

整車測試驗(yàn)證

在某熱泵車型上驗(yàn)證排出管優(yōu)化及隔振空調(diào)箱體的綜合優(yōu)化方案,整車空調(diào)箱體壁面布置10個(gè)振動(dòng)點(diǎn)測點(diǎn),箱體近場布置6個(gè)傳聲器測點(diǎn),測點(diǎn)位置與空調(diào)箱體臺(tái)架傳函測試相同?測試壓縮機(jī)升速掃頻工況下的空調(diào)箱體各測點(diǎn)的噪吉與振動(dòng),并最終獲得箱體的噪聲與振動(dòng)均值?

測試結(jié)果如圖15所示,采用排出管與隔振箱體綜合優(yōu)化整車空調(diào)箱體的近場平均噪聲總值下降2~4dBA,同時(shí)箱體壁面的平均振動(dòng)總值下降5~10dB?表明通過排出管走向的優(yōu)化與箱體的隔振設(shè)計(jì),可降低空調(diào)箱體表面的振動(dòng)及輻射噪聲。

測試整車熱泵壓縮機(jī)掃頻升速工況下的車內(nèi)噪聲與方向振動(dòng),測試結(jié)果如圖16所示?采用綜合優(yōu)化方案,整車前排主駕位置的噪聲總值下降6dBA,后排噪聲OA峰值下降4dBA,方向盤振動(dòng)峰值下降8dB?測試結(jié)果驗(yàn)證了如上路徑分析的正確性及優(yōu)化方案的有效性?

整車主觀評價(jià)

同時(shí)整車主觀評價(jià)測試部在牙克石冬季試車場對該熱泵車型進(jìn)行對比主觀評價(jià),確認(rèn)-15C環(huán)境溫度下整車熱泵空調(diào)制熱工況的NVH體驗(yàn)?評價(jià)結(jié)果見表1?搭載綜合優(yōu)化方案后各鼓風(fēng)機(jī)檔位下的車內(nèi)熱泵壓縮機(jī)噪聲振動(dòng)體驗(yàn)均有改善,隨著鼓風(fēng)機(jī)檔位的提高改善效果更明顯?鼓風(fēng)機(jī)高檔位下的車內(nèi)噪聲振動(dòng)主觀評分可提高1分?采用優(yōu)化方案后,整車熱泵空調(diào)系統(tǒng)NVH體驗(yàn)主觀體驗(yàn)改善明顯,車內(nèi)轟鳴噪聲及方向盤抖動(dòng)問題消失?

04  結(jié)論

本文針對某車型的熱泵空調(diào)系統(tǒng)噪聲振動(dòng)問題進(jìn)行分析確認(rèn)主要傳遞路徑為壓縮機(jī)一排出管-TXV一車內(nèi)與斫獗酪鑒臍媧宴唆診'嚴(yán)亢涪融藩烹董醋冷凝器一空調(diào)箱體一車內(nèi)?

其次提出空調(diào)排出管的優(yōu)化方案,設(shè)計(jì)測試工裝對軟管材料隔振性能進(jìn)行驗(yàn)證,選取軟管材料型號(hào),并根據(jù)熱泵集成閥體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)優(yōu)化排出管布置,改善壓縮機(jī)排出管的隔振生能?

進(jìn)一步根據(jù)熱泵空調(diào)箱體結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)隔振空調(diào)箱體方案,并搭建臺(tái)架驗(yàn)證箱體的隔振效果,選定最優(yōu)隔振材料?

最后,針對優(yōu)化方案進(jìn)行整車主觀評價(jià)和客觀測試,驗(yàn)證結(jié)果表明優(yōu)化方案對車內(nèi)壓縮機(jī)噪聲及方向盤振動(dòng)改善顯著,證實(shí)了優(yōu)化方法的可行性?同時(shí)也為其他車型熱泵空調(diào)系統(tǒng)NVH開發(fā)提供了可工業(yè)化優(yōu)化方案,規(guī)避質(zhì)量塊方案帶來的管路耐久斷裂問題,為提升整車熱泵空調(diào)系統(tǒng)NVH性能奠定基礎(chǔ)?

【參考文獻(xiàn)】

[1]盧俊宇,孫人杰.空調(diào)熱泵技術(shù)在電動(dòng)汽車的應(yīng)用1[J].汽車技術(shù),2016(4):95-98.

[2]武衛(wèi)東,余強(qiáng)元,吳佳瑋,等.壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對新能源汽車空調(diào)制冷性能的影響[J].制冷空調(diào),201745(11):61-65.

[3]胡世健,敬文博,范金永,等.汽車空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)降噪優(yōu)化[]].汽車實(shí)用技術(shù),2015(10):17-19,21.

[4]王理楠,張振宇,孫強(qiáng),等?某車型空調(diào)HVAC總成氣動(dòng)噪聲的分析與研究[J].制冷學(xué)報(bào),2019(2):74-84

[5]張靜,王洪強(qiáng),張繼鑫,等.汽車空調(diào)箱鼓風(fēng)機(jī)噪聲源5識(shí)別的實(shí)驗(yàn)研究[J].噪聲與振動(dòng)控制,2019(5):73-77.

[6]單國偉,穆平安,徐劍峰.空調(diào)管路系統(tǒng)的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].噪聲與振動(dòng)控制,2017(1):26-29.

[7]張曉偉,李蘇洋.空調(diào)管路的振動(dòng)分析[J].測試與診斷,2012(4):120-122.