汽車空調(diào)壓縮機噪聲異常問題的診斷與試驗*

陳志勇，毛 陽，史文庫，施 騰，黎曉燕，楊家宏

(1. 吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室 長春，130022)(2. 牡丹江富通汽車空調(diào)有限公司 牡丹江，157000)

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汽車空調(diào)壓縮機噪聲異常問題的診斷與試驗*

陳志勇1，毛 陽1，史文庫1，施 騰1，黎曉燕2，楊家宏2

(1. 吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室 長春，130022)(2. 牡丹江富通汽車空調(diào)有限公司 牡丹江，157000)

某國產(chǎn)轎車存在空調(diào)開啟時車內(nèi)噪聲較大及怠速時車內(nèi)出現(xiàn)間歇性異常噪聲問題，為尋找振源，對樣車及其壓縮機系統(tǒng)進行了試驗診斷與分析，包括樣車摸底試驗、壓縮機安裝狀態(tài)的剛體模態(tài)試驗、壓縮機在消聲室中的臺架試驗等，最終確定壓縮機噪聲較大原因為空調(diào)管路制冷劑沖擊導致的管路振動噪聲向車內(nèi)的直接傳遞，間歇性異常噪聲原因為壓縮機工作頻率與發(fā)動機8階工作頻率的拍頻。根據(jù)診斷結果，提出了相應的改進措施，并進行了改進后樣車的試驗驗證，結果表明改進效果比較明顯。

汽車； 空調(diào)壓縮機； 噪聲； 試驗診斷

引 言

隨著乘客對車輛振動噪聲要求的不斷提高，噪聲、振動與聲振粗糙度(nosie,vibration,harshness,簡稱NVH)特性逐漸成為車輛乘坐舒適性的一個重要評價指標?？照{(diào)壓縮機作為汽車空調(diào)系統(tǒng)的心臟，在車輛溫度調(diào)節(jié)的過程中起著相當重要的作用，但其同時也作為一個不可忽略的振動源，影響著整車的乘坐舒適性[1-2]。

軸向活塞式壓縮機目前廣泛應用于汽車空調(diào)系統(tǒng)上，由于活塞的往復慣性力和制冷劑在壓縮機及管路中的振動，使得壓縮機噪聲往往成為除了發(fā)動機噪聲外的第一大噪聲源，這一問題在汽車怠速或低速時表現(xiàn)的尤為突出?？照{(diào)壓縮機負荷隨著環(huán)境溫度的升高而變大，負荷增大往往噪聲也會增大，使汽車的駕駛舒適性急劇下降[3-4]。國內(nèi)外對空調(diào)壓縮機的異響問題已有一定的研究。Niranjan[5]基于車輛空調(diào)系統(tǒng)和臺架噪聲測試提出了適用于空調(diào)系統(tǒng)氣流噪聲的評價測試方法。Christopher[6]利用人工頭、麥克風和加速度傳感器提出了適用于車輛空調(diào)熱膨脹閥的嘶嘶聲和流動聲的測試方法。朱愛武[7]通過對壓縮機的試驗研究，得出了開空調(diào)時車內(nèi)的怠速異響和加速轟鳴噪聲的解決方案。郭紅旗等[8]通過在壓縮機系統(tǒng)上粘貼阻尼來尋找壓縮機振動、噪聲主要來源，并對阻尼最優(yōu)化進行了探討。張立軍等[9]對斜盤式壓縮機怠速工況下的噪聲問題進行試驗研究，得出了壓縮機引起的車內(nèi)噪聲特性以及影響車內(nèi)噪聲的一些機理。潘軍等[10]建立了壓縮機的ADAMS動力學仿真模型，分析了不同轉(zhuǎn)速下各關鍵零件的運動特性、受力情況和整機的動不平衡量，進而指導產(chǎn)品設計和開發(fā)能力。

筆者針對某自主品牌轎車空調(diào)開啟時車內(nèi)噪音較大且怠速時出現(xiàn)周期約為3 s的間歇性異常噪聲等問題，對整車及臺架進行試驗研究與診斷，提出了改進方案并進行方案驗證。

1 噪聲異常問題描述

問題樣車如圖1所示，其所用空調(diào)壓縮機為7缸變排量軸向活塞式壓縮機。

圖1 問題樣車

為了分析異常噪聲原因，對問題樣車進行了摸底試驗，試驗工況為：怠速空調(diào)開/關；駐車發(fā)動機升轉(zhuǎn)速空調(diào)開/關；在壓縮機本體、車內(nèi)乘員座椅導軌布置加速度傳感器；在車外壓縮機近場和車內(nèi)駕駛員右耳處布置傳聲器測量加速度信號和聲壓信號，如圖2所示。

圖2 測試傳感器位置

怠速工況開/關空調(diào)車內(nèi)聲壓值分別為46.75和43.76 dB(A)，如圖3所示，可以看出空調(diào)開啟后車內(nèi)噪聲提高3 dB(A)，造成車內(nèi)噪聲環(huán)境惡化。

圖3 怠速工況空調(diào)開/關車內(nèi)聲壓值

為了研究噪聲的頻率成分，進行噪聲源的識別，對車內(nèi)噪聲進行了譜分析。由圖4可以看出，車內(nèi)噪聲101.5 Hz峰值達到43.6 dB(A)，甚至高于發(fā)動機2階工作頻率峰值。怠速開空調(diào)壓縮機工作頻率為

圖4 車內(nèi)噪聲與壓縮機振動頻譜

其中：f為發(fā)動機轉(zhuǎn)速：r為壓縮機速比；n為缸數(shù)。

為了進一步確認噪聲來源，提取了壓縮機本體振動加速度頻譜(見圖4)。可以看出，壓縮機本體振動以其工作頻率101.5Hz峰值最高，由此可以基本確認，怠速空調(diào)開啟時車內(nèi)噪聲明顯升高是由壓縮機引起。

針對車內(nèi)間歇性異常噪聲問題，對車內(nèi)聲壓信號進行了時域跟蹤，如圖5所示。針對101.5Hz進行了頻率切片，如圖6所示。

圖5 車內(nèi)噪聲時域跟蹤圖

圖6 車內(nèi)噪聲101.5Hz頻率切片

由圖6可以看出，車內(nèi)101.5 Hz頻率噪聲隨時間呈周期為3 s、幅值為3 dB(A)的變化，這是造成車內(nèi)間歇性噪聲的原因。

2 問題診斷與研究

針對怠速空調(diào)開啟車內(nèi)噪聲101Hz峰值最高問題，需要進行壓縮機及其支架系統(tǒng)的模態(tài)試驗，以驗證是否共振引起振動噪聲問題。測試狀態(tài)為壓縮機在整車安裝狀態(tài)，在壓縮機本體上布置8個三向加速度傳感器，以力錘激勵，測試頻響函數(shù)進行壓縮機剛體模態(tài)的計算。第1階剛體模態(tài)振型如圖7所示，其他階模態(tài)振型限于篇幅沒有列出。模態(tài)頻率如表1所示。

表1 壓縮機剛體模態(tài)頻率

圖7 壓縮機第1階剛體模態(tài)

模態(tài)測試結果顯示，第1階剛體模態(tài)頻率為136 Hz，遠大于壓縮機怠速時工作頻率101.5 Hz，所以排除壓縮機共振可能。

由于膨脹閥連接空調(diào)低壓管路，是空調(diào)管路振動傳遞到車身的直接通道。為了進一步進行振源診斷，測試了膨脹閥位置振動信號，如圖8所示。

圖8 膨脹閥位置振動頻譜

從圖8可以看出，膨脹閥位置101.5Hz峰值最高，與壓縮機工作頻率一致，因此車內(nèi)噪聲與空調(diào)管路振動有關。

針對怠速開空調(diào)車內(nèi)間歇性異常噪聲問題，在消聲室中進行了壓縮機臺架試驗，以驗證異常噪聲是否壓縮機本身發(fā)出。臺架試驗中在壓縮機本體布置加速度傳感器，在壓縮機近場布置傳聲器，如圖9所示。臺架試驗中設定壓縮機轉(zhuǎn)速為860 r/min，以模擬整車怠速狀態(tài)。

圖9 壓縮機臺架試驗

在轉(zhuǎn)速為860 r/min時，壓縮機工作頻率約為100Hz，試驗測得壓縮機的時域跟蹤如圖10所示，壓縮機工作頻率切片如圖11所示。

圖10 壓縮機噪聲時域跟蹤圖

圖11 壓縮機噪聲100 Hz頻率切片

從臺架試驗數(shù)據(jù)可以看出，壓縮機工作頻率切片僅有約1 dB(A)的幅值變化，壓縮機本身沒有產(chǎn)生間歇性異常噪聲?？紤]到怠速時發(fā)動機8階工作頻率為100Hz，推斷車內(nèi)間歇性異常噪聲由壓縮機工作噪聲和發(fā)動機8階噪聲拍頻引起。

3 改進措施及效果驗證

針對空調(diào)管路振動問題，根據(jù)問題診斷試驗結果，提出在低壓管靠近壓縮機位置加裝消聲器，如圖12所示。針對拍頻問題，提出更改壓縮機帶輪直徑，由原來的120 mm改為115 mm，使怠速時壓縮機工作頻率遠離發(fā)動機8階工作頻率。

圖12 空調(diào)管路消音器

怠速時開/關空調(diào)車內(nèi)的噪聲分別為44.7和43.6 dB(A)，見圖13，兩者相差僅1.1 dB(A)，空調(diào)噪聲相對改進前有明顯的改善。

圖13 改進后開/關空調(diào)車內(nèi)噪聲值

由于壓縮機帶輪變小，速比提高，怠速時壓縮機工作頻率變?yōu)?06Hz，怠速時車內(nèi)噪聲頻譜如圖14所示?？梢钥闯?，壓縮機工作噪聲峰值降為22.1 dB(A)，相對改進前的43.6dB(A)有明顯改善。

圖14 改進后車內(nèi)噪聲頻譜

圖15 改進后車內(nèi)噪聲時域跟蹤

圖16 改進后車內(nèi)噪聲106 Hz頻率切片

根據(jù)主觀評價，車內(nèi)間歇性異常噪聲消失。為客觀驗證，對車內(nèi)噪聲進行了時域跟蹤，如圖15所示。對壓縮機工作頻率106 Hz進行了切片分析，如圖16所示。可以看出，車內(nèi)噪聲106Hz頻率成分沒有明顯的周期性變化，這是車內(nèi)間歇性異常噪聲消失的原因。

由于改進的措施主要針對怠速工況實施，為驗證對其他轉(zhuǎn)速的影響，進行了駐車發(fā)動機升轉(zhuǎn)速工況試驗?？照{(diào)開啟車內(nèi)噪聲值隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線如圖17所示，可以看出，改進措施對其他轉(zhuǎn)速工況也是有效的。

圖17 空調(diào)開啟駐車勻加轉(zhuǎn)速工況車內(nèi)噪聲值

4 結束語

針對空調(diào)開啟時車內(nèi)噪聲較大及怠速時車內(nèi)出現(xiàn)間歇性異常噪聲問題，對樣車及其壓縮機進行了試驗診斷與分析，最終確定壓縮機噪聲較大原因為空調(diào)管路冷媒?jīng)_擊導致的管路振動噪聲向車內(nèi)的直接傳遞，間歇性異常噪聲問題原因為壓縮機工作頻率與發(fā)動機8階工作頻率的拍頻。

根據(jù)試驗診斷結論，提出兩種改進措施：在壓縮機低壓管路加裝消音器；改變壓縮機皮帶輪直徑。對實施改進措施的樣車進行了試驗驗證，結果表明，改進效果較為明顯，不僅怠速工況，發(fā)動機其他轉(zhuǎn)速工況的車內(nèi)噪聲也有所下降。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.06.010

*國家自然科學基金資助項目(51205158)；中國博士后科學基金資助項目(2013M541294)

2014-02-12；

2014-02-24

U463.8

陳志勇，男，1980年10月生，博士、講師。主要研究方向為汽車系統(tǒng)動力學與控制。曾發(fā)表《輕型客車車身車架整體結構有限元模態(tài)分析》(《振動與沖擊》2010年第29卷第10期)等論文。

E-mail:Chen_zy@jlu.edu.cn