[摘要]對(duì)某款汽車空調(diào)的NVH問題進(jìn)行研究，結(jié)合3種優(yōu)化方案，改進(jìn)了汽車空調(diào)NVH性能。首先，優(yōu)化箱體的動(dòng)剛度解決箱體結(jié)構(gòu)噪聲，分別從箱體的材料屬性、表面加筋、自由邊界約束3個(gè)方面增強(qiáng)箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。其次，在不同部位添加隔振材料優(yōu)化管路輻射噪聲，分別采用隔振橡膠、黑膠泥以及XPE+PUR復(fù)合海綿等材料進(jìn)行隔振隔音處理，有效改善了管路結(jié)構(gòu)輻射噪聲。最后，優(yōu)化冷媒流動(dòng)噪聲，通過優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)管路和膨脹閥以及設(shè)計(jì)管路消音器等辦法，有效解決了制冷劑流動(dòng)噪聲。

引言

汽車空調(diào)作為駕駛艙的環(huán)境控制系統(tǒng)，其NVH 性能表現(xiàn)影響著乘客的駕駛和乘坐體驗(yàn)。汽車空調(diào)噪聲主要分為機(jī)械噪聲、氣動(dòng)噪聲、制冷劑流動(dòng)噪聲、電磁噪聲等。在空調(diào)箱體結(jié)構(gòu)噪聲優(yōu)化方面，宋魯濤等提出了一種有效的用于吹腳風(fēng)道內(nèi)的氣流場(chǎng)分析和控制方法，解決了吹腳模式下地板振動(dòng)問題。本文通過調(diào)整固有頻率和動(dòng)剛度優(yōu)化箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，解決箱體的結(jié)構(gòu)噪聲。在空調(diào)管路輻射噪聲優(yōu)化方面，張敬東等增加約束條件優(yōu)化空調(diào)管路的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其固有振動(dòng)特性的改善。本文通過對(duì)管路安裝點(diǎn)與支撐點(diǎn)進(jìn)行處理，使管路與箱體硬接觸變成軟接觸，并且在傳播路徑上通過施加吸音棉進(jìn)行阻隔等手段，有效解決了管路輻射噪聲問題。在冷媒噪聲優(yōu)化方面，李偉等通過縮小管路安裝間隙的方法解決了流激噪聲。本文通過在消音室內(nèi)對(duì)目標(biāo)噪聲進(jìn)行復(fù)現(xiàn)與采集，定位噪聲源，設(shè)計(jì)了適用于高壓管路的管路消聲器，穩(wěn)定可靠地解決了此類噪聲問題。

本文以空調(diào)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、輻射噪聲、冷媒流動(dòng)噪聲等典型噪聲作為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的手段，制定噪聲優(yōu)化方法，對(duì)各類噪聲進(jìn)行改善優(yōu)化。

1 箱體結(jié)構(gòu)噪聲優(yōu)化

汽車空調(diào)箱體受到的激勵(lì)主要分為2 部分：一是外部激勵(lì)傳遞到整個(gè)空調(diào)箱體上；二是內(nèi)部高速氣流引起的箱體振動(dòng)。改善箱體動(dòng)剛度可有效地減緩箱體表面在內(nèi)部氣流脈動(dòng)沖擊下的振動(dòng)強(qiáng)度，從而改善箱體表面輻射噪聲。

一般來說，外部各激勵(lì)源均在40 Hz 以下，因此調(diào)整箱體的第1 階模態(tài)頻率，使其遠(yuǎn)高于激勵(lì)頻率即可避免共振風(fēng)險(xiǎn)；而對(duì)于箱體內(nèi)部的激勵(lì)，通過改變固有頻率解決的難度較大。本文通過改善結(jié)構(gòu)件的剛度，很好地控制了箱體受到激勵(lì)后的振動(dòng)幅度，進(jìn)而改善箱體振動(dòng)問題，因此需要獲取結(jié)構(gòu)的固有頻率和動(dòng)剛度這兩個(gè)參數(shù)。結(jié)構(gòu)振動(dòng)的功率譜曲線無法保證功率密度曲線的峰值處頻率是固有頻率還是受迫振動(dòng)頻率，而頻響函數(shù)的峰值必定為結(jié)構(gòu)的固有頻率，所以固有頻率需要通過頻率響應(yīng)函數(shù)（FRF）的力振傳遞函數(shù)（VTF）獲得。動(dòng)剛度可直接通過錘擊法測(cè)得，然后源點(diǎn)動(dòng)剛度可以通過換算得到。本文使用的2 種頻率響應(yīng)函數(shù)的形式是以力為輸入、振動(dòng)加速度信號(hào)為輸出的力振傳函（VTF），和以力為輸入、聲信號(hào)為輸出力聲傳函（NTF）。

1.1 汽車空調(diào)箱體固有頻率和動(dòng)剛度試驗(yàn)

綜合分析箱體表面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱和易承受力沖擊的位置，本文布置了13 個(gè)加速度傳感器。通過用力錘激勵(lì)箱體，得到箱體的頻率響應(yīng)函數(shù)（FRF），根據(jù)其共振頻率得到箱體的各階模態(tài)頻率。原始箱體部分測(cè)點(diǎn)（以1 號(hào)測(cè)點(diǎn)為例）的局部FRF 曲線如圖1 所示，其中曲線1 表示FRF 曲線，曲線2 表示相干曲線。

圖1 原始狀態(tài)部分測(cè)點(diǎn)的FRF 曲線（1 號(hào)測(cè)點(diǎn)）

通過分析各個(gè)FRF 曲線圖可知，該空調(diào)箱體結(jié)構(gòu)的固有頻率較為達(dá)標(biāo)，只需稍加優(yōu)化即可。部分測(cè)點(diǎn)（12、13 號(hào)測(cè)點(diǎn)）的動(dòng)剛度曲線如圖2 所示，其中曲線表示動(dòng)剛度，直線表示標(biāo)準(zhǔn)線98 N，動(dòng)剛度曲線在標(biāo)準(zhǔn)曲線以上滿足要求。

圖2 原始狀態(tài)部分測(cè)點(diǎn)的動(dòng)剛度曲線

（a）12 號(hào)測(cè)點(diǎn)（b）13 號(hào)測(cè)點(diǎn)

根據(jù)動(dòng)剛度曲線分析，在目標(biāo)頻段（20～200 Hz）內(nèi)動(dòng)剛度完全達(dá)標(biāo)的只有2 個(gè)點(diǎn)，而完全不達(dá)標(biāo)的點(diǎn)有4 個(gè)，如測(cè)點(diǎn)12 和13，因此該空調(diào)箱體動(dòng)剛度水平嚴(yán)重不合格。

綜上分析，針對(duì)箱體結(jié)構(gòu)的固有頻率和動(dòng)剛度問題，動(dòng)剛度存在的問題嚴(yán)重得多，而結(jié)構(gòu)的固有頻率隨著剛度的增大而增加，因此本文從提升動(dòng)剛度角度對(duì)箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基本達(dá)標(biāo)和勉強(qiáng)達(dá)標(biāo)點(diǎn)在目標(biāo)頻段內(nèi)，不達(dá)標(biāo)的頻段幾乎均為低頻段。而在低頻段，如果靜剛度值越大，則動(dòng)剛度也就越大。本文將從箱體的材料屬性、表面加筋、自由邊界約束3 個(gè)方面增大結(jié)構(gòu)的靜剛度，從而對(duì)箱體的動(dòng)剛度進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.1 材料屬性優(yōu)化

用強(qiáng)度更大的材料對(duì)結(jié)構(gòu)的靜剛度提升最大，原始箱體所用材料為PP 型塑料，改為ABS 型塑料。PP 型和ABS 型塑料對(duì)比如表1 所示。

表1 PP 型塑料與ABS 型塑料屬性對(duì)比

塑料產(chǎn)品對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升始終是有限的，而此空調(diào)箱體動(dòng)剛度不足的問題較為嚴(yán)重，單純更換成ABS 型塑料并不能完全解決，需要施加輔助手段進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

1.2.2 表面加筋優(yōu)化

在結(jié)構(gòu)件材料既定的情況下，表面加筋處理是很好的架構(gòu)強(qiáng)度改進(jìn)方式。直接表面加筋可在板的垂直方向增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但在結(jié)構(gòu)水平面上的振動(dòng)傳遞需要考慮筋的表面分布方式，經(jīng)過綜合考慮，加交叉筋是比較合適的方式，可以在原有矩形筋的基礎(chǔ)上直接設(shè)計(jì)交叉筋。

1.2.3 自由邊界約束

原始箱體設(shè)計(jì)僅靠金屬卡扣結(jié)合板塊（圖3 圓圈所示），使得板塊接合處在垂直于面板的方向仍存在可移動(dòng)的空間。本文將卡扣設(shè)計(jì)成相互咬合的形式（如圖4 所示），同時(shí)在結(jié)合槽內(nèi)施加閉孔海綿，保證其有一定壓縮量的同時(shí)仍有一定硬度反饋，使得板塊結(jié)合更加緊密，還避免了箱體內(nèi)氣流從板塊間竄出，產(chǎn)生縫隙噪聲。

圖3 板塊結(jié)合方式

圖4 相互咬合式卡扣

綜上，本文從箱體的材料屬性、表面加筋、約束自由邊界3 個(gè)方面嘗試增大結(jié)構(gòu)的靜剛度，從而對(duì)箱體的動(dòng)剛度進(jìn)行了優(yōu)化。

1.3 箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證與分析

在保證樣機(jī)安裝、測(cè)點(diǎn)布置、軟件設(shè)置以及測(cè)試方式不變的前提下，實(shí)施1.2 節(jié)所述3 種優(yōu)化方案，仍使用錘擊法以源點(diǎn)動(dòng)剛度（IPI）對(duì)13 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化評(píng)價(jià)。為直觀看出整體優(yōu)化結(jié)構(gòu)以及各測(cè)點(diǎn)前后動(dòng)剛度值變化，計(jì)算優(yōu)化前后13 個(gè)測(cè)點(diǎn)在目標(biāo)頻段（20-200 Hz）的動(dòng)剛度均值，如表2 所示。

表2 優(yōu)化前后目標(biāo)頻段動(dòng)剛度均值

由表2 可以直觀看出，優(yōu)化方案實(shí)施后，各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)剛度均有了大幅度提升，而且均滿足了標(biāo)準(zhǔn)，均在10 (kg·f)/mm 以上。

2 管路輻射噪聲優(yōu)化

對(duì)于汽車空調(diào)制冷管路系統(tǒng)，其激勵(lì)不僅受到與之相連的箱體振動(dòng)影響，還受到發(fā)動(dòng)機(jī)艙、壓縮機(jī)以及膨脹閥的影響，故其輻射噪聲較難處理，本文從以下幾方面處理：在膨脹閥處施加減振手段和吸音棉；以膨脹閥為界限，通過隔振處理減少發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的振動(dòng)和噪聲傳遞到箱體內(nèi)；在管路與箱體的硬性結(jié)合處，施加阻尼材料，衰減箱體傳遞給管路的振動(dòng)。暖風(fēng)水管管路系統(tǒng)實(shí)際只是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液循環(huán)管路系統(tǒng)的一部分，核心部件為暖風(fēng)芯子和熱水閥，其降噪只需考慮暖風(fēng)芯子的隔振與抑制管路振動(dòng)。

本文利用力錘法做NTF 測(cè)試，以主機(jī)廠內(nèi)部項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)判定輻射噪聲是否達(dá)標(biāo)。以車輛坐標(biāo)系為標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，分X、Y、Z 三個(gè)方向敲擊，敲擊位置為膨脹閥處制冷劑管路與空調(diào)箱體側(cè)暖風(fēng)水管，并在敲擊位置布置一個(gè)加速度傳感器，用于測(cè)量輸入與響應(yīng)的相干系數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)人員通用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，本次測(cè)量要求相干系數(shù)＞0.8。

2.1 制冷劑系統(tǒng)管路輻射噪聲測(cè)試

原始狀態(tài)制冷劑管路輻射噪聲測(cè)試結(jié)果如圖5所示，其中曲線1 為6 個(gè)聲級(jí)計(jì)所測(cè)得的VTF 的均方根值，直線為標(biāo)準(zhǔn)判定線73 dB，曲線2 為相干系數(shù)，根據(jù)公司項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)分析頻帶為100～500 Hz，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：制冷劑管路輻射噪聲需小于73 dB，暖風(fēng)水管輻射噪聲需小于75 dB。

圖5 原始狀態(tài)制冷劑管路輻射噪聲測(cè)試結(jié)果

（a）敲擊X 方向（b）敲擊Y 方向（c）敲擊Z 方向

由測(cè)試結(jié)果可知，所有測(cè)試結(jié)果的相干系數(shù)均在0.94 以上，表明測(cè)試結(jié)果可靠性很高，且敲擊X 方向所得結(jié)果滿足要求，Y 方向在160～340 Hz頻段輻射噪聲超標(biāo)，Z 方向在140～200 Hz 頻段輻射噪聲超標(biāo)。

2.2 暖風(fēng)水管輻射噪聲測(cè)試結(jié)果

原始狀態(tài)暖風(fēng)水管輻射噪聲測(cè)試結(jié)果如圖6 所示，其中曲線1 為6 個(gè)聲級(jí)計(jì)所測(cè)得的VTF 的均方根值，直線為標(biāo)準(zhǔn)判定線75 dB，曲線2 為相干系數(shù)，根據(jù)公司項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)分析頻帶為400～1 000 Hz。

圖6 原始狀態(tài)暖風(fēng)水管輻射噪聲測(cè)試結(jié)果

（a）敲擊X 方向（b）敲擊Y 方向（c）敲擊Z 方向

由測(cè)試結(jié)果可知，暖風(fēng)水管測(cè)量的相干系數(shù)不如制冷劑測(cè)量時(shí)好，考慮到是由于制冷劑管路由膨脹閥處的法蘭固定，而且法蘭上還有海綿壓縮固定，因此受激勵(lì)后自振衰減快，導(dǎo)致其測(cè)試的相關(guān)性較高，因此暖風(fēng)水管的相干性稍低可以理解。且由測(cè)試結(jié)果表明，在X、Y、Z 三個(gè)方向激勵(lì)過程中，暖水水管的輻射噪聲均符合標(biāo)準(zhǔn)。

由以上測(cè)試可得，暖風(fēng)水管輻射噪聲達(dá)標(biāo)，制冷劑管路輻射噪聲不達(dá)標(biāo)，且不達(dá)標(biāo)頻段較低，與結(jié)構(gòu)關(guān)系較大，因此本文針對(duì)該空調(diào)制冷劑管路引起的輻射噪聲進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 管路輻射噪聲改進(jìn)

本文制冷劑系統(tǒng)管路的輻射噪聲優(yōu)化分為2 個(gè)方面：一是箱體內(nèi)部管路，特別是蒸發(fā)器及其與膨脹閥之間管路振動(dòng)噪聲；二是發(fā)動(dòng)機(jī)艙部分傳來的振動(dòng)噪聲。

考慮到蒸發(fā)器在空調(diào)箱內(nèi)安裝類問題，在芯體和箱體上的各限位安裝點(diǎn)使用減振橡膠避免芯體與箱體的硬性接觸。對(duì)于芯體上沿及周圍的振動(dòng)衰減，則可以用海綿包裹保證更好的吸聲性能。同樣，由于仍要考慮一定的限位作用，因此外側(cè)直接接觸處用硬度較大的海綿，而中部非直接接觸位置則可用壓縮量較大的海綿，保證更強(qiáng)的隔振吸聲能力。

制冷劑在經(jīng)過膨脹閥后，必然引起制冷劑管路的振動(dòng)。針對(duì)膨脹閥至蒸發(fā)器這段管路的振動(dòng)問題，黑膠泥作為一種強(qiáng)阻尼材料，能使管路振動(dòng)快速衰減，同時(shí)其類似瀝青具有強(qiáng)附著性，可直接附著在管路上，因此本文使用黑膠泥施加在管路上，解決此段管路振動(dòng)問題。

2.4 箱體外管路優(yōu)化

箱體外管路優(yōu)化主要是膨脹閥位置的優(yōu)化，關(guān)鍵是抑制管路中制冷劑對(duì)膨脹閥的壓力脈動(dòng)傳遞給箱體所引起的箱體振動(dòng)這種輻射噪聲，同時(shí)膨脹閥是駕駛艙與發(fā)動(dòng)機(jī)艙之間防火墻上的開孔，對(duì)從發(fā)動(dòng)機(jī)艙傳來的噪聲的隔聲處理。

鑒于上述2 種情況，選擇海綿，包裹著法蘭，以50%的壓縮量安裝在膨脹閥與箱體之間，選用的海綿種類如表3 所示。

表3 各類型海綿屬性對(duì)比表Tab.3 Comparison of properties of various types of sponges

2.5 管路輻射噪聲改進(jìn)方案驗(yàn)證

空箱內(nèi)部管路優(yōu)化方案為單個(gè)方案，而膨脹閥海綿有4 種方案，因此更換膨脹閥海綿進(jìn)行逐一驗(yàn)證。由測(cè)試結(jié)果可知，所有測(cè)試結(jié)果的相干系數(shù)均在0.94 以上，表明測(cè)試結(jié)果可靠性很高，且敲擊X方向所得結(jié)果滿足要求，而Y 方向在160～340 Hz 頻段輻射噪聲超標(biāo)，Z 方向在140～200 Hz 頻段輻射噪聲超標(biāo)。圖7 是以超標(biāo)的Y 方向?yàn)槔?，采用不同海綿進(jìn)行驗(yàn)證的結(jié)果，其中曲線為6 個(gè)聲級(jí)計(jì)所測(cè)得的VTF 的均方根值，直線為標(biāo)準(zhǔn)判定線73 dB，分析頻帶為100～500 Hz。

圖7 4 種方案在Y 方向的測(cè)試結(jié)果圖

（a）PE 海綿測(cè)試結(jié)果（b）XPE 海綿測(cè)試結(jié)果（c）XPE+PUR 測(cè)試結(jié)果（d）EPDM 測(cè)試結(jié)果

由上各方案測(cè)試結(jié)果可知，各方面實(shí)施后，制冷劑管路引發(fā)的輻射噪聲均已達(dá)到項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)，其中XPE+PUR 復(fù)合海綿與EPDM 復(fù)合方案結(jié)果最好。但就具體對(duì)比而言，XPE+PUR 復(fù)合海綿較EPDM海綿有著更強(qiáng)的強(qiáng)度以及高頻吸聲性能，因此綜合考慮，選用XPE+PUR 復(fù)合海綿作為最終方案。

3 汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑流動(dòng)噪聲改善

針對(duì)汽車怠速熄火時(shí)汽車空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的中低頻冷媒流動(dòng)噪聲的問題，王博等設(shè)計(jì)了適用于高壓管路的管路消聲器，結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)方案，穩(wěn)定可靠地解決了此類噪聲問題。主要措施如下：（1）通過調(diào)整膨脹閥的開度，控制其動(dòng)作值；（2）改進(jìn)管路形狀、走向，優(yōu)化管路變徑處的變徑程度，減少管路的彎曲程度以及將垂直流向的管路更改成水平流向或減緩其角度；（3）設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易可靠的管路消聲裝置，降低傳遞的的聲能量以及約束兩相流中的氣泡尺寸等。參見圖8、圖9。

圖8 部分管路優(yōu)化位置

圖9 改進(jìn)后管路全景

表4 為3 種管路消音器設(shè)計(jì)，管路消音器實(shí)物及安裝位置如圖10 所示。圖11 和圖12 分別是更改前膨脹閥處時(shí)頻圖測(cè)試結(jié)果和實(shí)施綜合方案后時(shí)頻圖測(cè)試結(jié)果。

圖10 綜合改進(jìn)后的系統(tǒng)全景

圖11 更改前膨脹閥處測(cè)試結(jié)果

圖12 綜合方案測(cè)試結(jié)果

表4 3 種管路消音器

由圖11 可以看出，膨脹閥處聲級(jí)計(jì)采集的噪聲信號(hào)中，特征尤其明顯。由圖12 的頻譜分析可得，經(jīng)過綜合方案的實(shí)施后，該型聲音在頻譜上的表現(xiàn)特征幾乎完全消失。

4 結(jié)語

本文針對(duì)汽車空調(diào)箱體結(jié)構(gòu)噪聲、管路輻射噪聲、冷媒噪聲進(jìn)行了分析與優(yōu)化，針對(duì)各個(gè)問題，分別提出了相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化方案，從而改善了汽車空調(diào)的NVH 性能。

作者：王博1，江祖毅1，夏登輝1，許晶2，王路2

1.武漢科技大學(xué)

2.東風(fēng)馬勒熱系統(tǒng)有限公司