汽車空調(diào)吹腳模式地板振動分析與控制

宋魯濤 王雷 王暉 董良

（華晨汽車工程研究院NVH 工程室）

隨著汽車發(fā)展的高速化，振動和噪聲（NVH）成為越來越重要的舒適性評價指標(biāo)。在怠速和穩(wěn)態(tài)低速運行工況，汽車地板作為駕駛員和乘客接觸比較多的車身位置，其振動問題易引起較大的不舒適感，汽車暖通空調(diào)系統(tǒng)也成為車內(nèi)噪聲振動的一個貢獻(xiàn)源。當(dāng)前對暖通空調(diào)系統(tǒng)NVH 性能的研究除了主要集中在暖通箱體本身之外，對吹面、吹腳和除霜風(fēng)管及吹風(fēng)口的噪聲問題也高度重視，并將CFD 技術(shù)應(yīng)用到汽車空調(diào)系統(tǒng)吹風(fēng)管道的設(shè)計，大大縮短了設(shè)計周期和試驗費用[1-4]。相對而言，對吹風(fēng)管道振動引起的舒適性問題關(guān)注較少。文章對汽車空調(diào)系統(tǒng)吹腳模式地板振動問題進(jìn)行研究，詳細(xì)分析了問題的原因，并通過CFD 手段對此問題進(jìn)行了優(yōu)化。

1 吹腳模式風(fēng)道氣流數(shù)學(xué)模型

由于HVAC 吹腳風(fēng)管在結(jié)構(gòu)安裝上與地板地毯直接連接，如果管路設(shè)計不當(dāng)，會引起風(fēng)管有較大振動，并直接通過地毯傳遞給人腳。因此，HVAC 吹腳管路設(shè)計對駕駛室舒適性的提高有比較重要的作用。為了對風(fēng)道內(nèi)的空氣流動進(jìn)行計算，對風(fēng)道模型作如下簡化：風(fēng)道系統(tǒng)密封良好，除進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口外沒有空氣泄漏，空氣為不可壓縮流體，且體積質(zhì)量為常數(shù)，分析模式為吹腳全熱外循環(huán)。

風(fēng)道空氣紊流流動采用不可壓縮流體的k-ε 模型描述。

連續(xù)方程：

動量方程：

則k 方程為：

ε 方程為：

式中：Ui，Uj——第i，j 個節(jié)點的平均速度，m/s；

t——時間，s；

P——壓力，Pa；

Xi，Xj——第i，j 個節(jié)點的位移，m；

k——動能，Pa/s；

ε——耗散能，m2/s3；

ρ——體積質(zhì)量，kg/m3；

vt——粘度，vt=Cμk2/ε。

常數(shù)：Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

2 吹腳模式地板抖動原因分析

2.1 問題描述

在主觀感受上，某車型怠速HVAC 吹腳全熱外循環(huán)模式，駕駛員和副駕駛員地板能夠感覺到比較明顯的抖動。當(dāng)關(guān)閉發(fā)動機(jī)，利用外接電源使鼓風(fēng)機(jī)工作時，相同模式也能夠感覺到比較明顯的地板抖動。因此此問題與發(fā)動機(jī)是否工作無關(guān)，應(yīng)主要由暖通箱工作引起。對此，文章進(jìn)行了客觀測試，其地板振動結(jié)果圖譜，如圖1所示。

由圖1 可以看出，在90 Hz 附近地板存在較大振動峰值，會使人產(chǎn)生不舒適感。

2.2 問題識別

暖通箱及吹腳風(fēng)道模型，如圖2所示。吹腳風(fēng)道放置于地板，與地毯直接連接。

此問題吹腳模式感覺明顯，其他模式無明顯感覺，懷疑此問題由暖通箱和吹風(fēng)管道引起。經(jīng)測試分析為地板及吹腳模式風(fēng)管90 Hz 模態(tài)頻率，排除共振引起振動峰值，判斷風(fēng)道內(nèi)流場分布引起的流速變化可能為此問題主要原因。

脫開吹腳模式風(fēng)道連接位置，使暖通箱氣流無法進(jìn)入吹腳風(fēng)管。基礎(chǔ)狀態(tài)與脫開風(fēng)道后地板振動對比，如圖3所示。

由圖3 可以看出，吹腳管道無氣體進(jìn)入后，地板振動峰值消失，主觀感覺也明顯改善。說明此問題主要由風(fēng)管內(nèi)高速流動氣體產(chǎn)生。

將吹腳風(fēng)管表面粘貼阻尼片（如圖4所示），使風(fēng)管振動響應(yīng)降低，分析地板振動是否改善。

地板振動與基礎(chǔ)狀態(tài)對比，如圖5所示。

由圖5 可以看出，風(fēng)管表面貼阻尼片后，地板振動略有改善，主觀感覺仍不能滿足要求，進(jìn)一步說明此問題由風(fēng)管內(nèi)部高速氣體產(chǎn)生。風(fēng)管振動響應(yīng)降低可以使問題改善，但無法從根本上解決問題。下一步將利用CFD 手段分析問題原因，并改善流場分布使地板振動降低。

3 吹腳風(fēng)道的CFD分析及優(yōu)化

3.1 吹腳風(fēng)道的流場分析

汽車吹腳風(fēng)道模型，如圖6所示。采用k-ε 模型對風(fēng)道模型進(jìn)行描述。先在Hypermesh 中劃分三角形的表面網(wǎng)格，這樣表面的連接和修補(bǔ)相對容易，然后輸出為Patran 格式，再導(dǎo)入到ICEM-CFD 中生成體網(wǎng)格。風(fēng)道網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格。

HVAC 工作模式為吹面全熱外循環(huán)，分析結(jié)果，如圖7所示。由圖7 可以看出，由于吹腳模式進(jìn)風(fēng)口存在擋板，產(chǎn)生很大的湍流，此處氣流的變化可能為產(chǎn)生問題的主要原因。

3.2 吹腳風(fēng)道的優(yōu)化

3.2.1 改進(jìn)方案的流場分析

對吹腳進(jìn)氣口擋板位置進(jìn)行改進(jìn)，改善氣流走向后，風(fēng)管內(nèi)流場分布，如圖8所示。由圖8 可以看出，氣流走向得到一定改善。

3.2.2 改進(jìn)方案的試驗驗證

采用手工方式，將吹腳風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口擋板填平，改善氣流走向。手工填平后進(jìn)風(fēng)口前后對比，如圖9所示。

進(jìn)風(fēng)口擋板填平后，地板振動圖譜，如圖10所示。由圖10 可以看出，地板振動明顯改善，驗證了問題推斷的準(zhǔn)確性。吹腳模式風(fēng)道內(nèi)氣流走向?qū)Φ匕逭駝佑休^大影響。

4 結(jié)論

1）分析問題原因需要主觀和客觀測試有機(jī)的結(jié)合，采用客觀數(shù)據(jù)鎖定問題的特征；2）利用CFD 流場模擬計算能有效直觀地發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)，從對吹腳風(fēng)道進(jìn)行流場分析結(jié)果提出改進(jìn)方案，使問題得到較大改善；3）對地板振動問題的優(yōu)化僅通過風(fēng)道走向進(jìn)行，未涉及暖通箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對成本要求沒有形成突出矛盾，有利于問題的及時解決。