車用空調(diào)制冷劑流動(dòng)噪聲分析和性能改進(jìn)研究

周滋鋒，王丹瑜，鄭國(guó)勝

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

車用空調(diào)制冷劑流動(dòng)噪聲分析和性能改進(jìn)研究

周滋鋒*，王丹瑜，鄭國(guó)勝

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

為了解決汽車空調(diào)關(guān)閉后的制冷劑流動(dòng)噪聲問題，本文采用一種簡(jiǎn)單易行的噪聲客觀測(cè)量方法，結(jié)合主觀評(píng)價(jià)方法，得出噪聲的頻率范圍并將噪聲值定量化；然后基于六西格瑪設(shè)計(jì)（DFSS）的方法進(jìn)行了多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化，并得出了最佳的組合。最終的試驗(yàn)效果驗(yàn)證指出制冷劑流動(dòng)噪聲問題得到了解決。

汽車空調(diào)；制冷劑噪聲；六西格瑪設(shè)計(jì)

0　引言

隨著客戶對(duì)于汽車舒適性要求的不斷提升，空調(diào)工作時(shí)的制冷劑噪聲也越來越受到關(guān)注，而如何在設(shè)計(jì)開發(fā)中減少和優(yōu)化制冷劑噪聲，將是擺在汽車研發(fā)工程中的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。制冷劑噪聲，顧名思義，是由于制冷劑在制冷循環(huán)中流動(dòng)所產(chǎn)生的各類異響，有壓縮機(jī)開啟（下文用AC On表示）瞬間的嘶嘶聲，有壓縮機(jī)關(guān)閉（下文用 AC Off表示）時(shí)的汩汩聲等。對(duì)于制冷劑流動(dòng)的嘶嘶聲，很多空調(diào)生產(chǎn)制造商和整車廠都進(jìn)行了比較深入的研究，產(chǎn)生機(jī)理以及解決措施已有比較多的闡述和驗(yàn)證，但是對(duì)于制冷劑流動(dòng)的汩汩聲的研究相對(duì)較少。本文以某車型開發(fā)過程中發(fā)生的壓縮機(jī)關(guān)閉時(shí)制冷劑流動(dòng)汩汩聲問題為研究對(duì)象，旨在探求一種簡(jiǎn)單易行的制冷劑噪聲客觀測(cè)量和評(píng)價(jià)方法，同時(shí)采用六西格瑪設(shè)計(jì)（下文稱 DFSS）方法進(jìn)行優(yōu)化研究，尋找可行的解決措施。

1　制冷劑噪聲產(chǎn)生機(jī)理

根據(jù)以前文獻(xiàn)的研究［1-4］，制冷劑噪聲是個(gè)系統(tǒng)問題。嘶嘶聲一般發(fā)生在壓縮機(jī)吸合階段，制冷劑流量迅速增大，沖擊熱力膨脹閥（TXV）閥針振動(dòng)［5］產(chǎn)生。汩汩聲一般發(fā)生在壓縮機(jī)關(guān)閉階段，制冷劑流量迅速減少，液管上的制冷劑過冷度迅速降低，通過膨脹閥的制冷劑從正常工況下霧化的液滴轉(zhuǎn)變成部分氣化的兩相流，而高速的兩相流容易產(chǎn)生氣動(dòng)/液動(dòng)噪聲如渦流噪聲［6］。

當(dāng)氣流繞流障礙物時(shí)，由于流體分子粘滯摩擦力的影響，具有一定速度的流體與障礙物背后相對(duì)靜止的流體相互作用，在障礙物下游區(qū)形成兩列渦旋（即卡門渦旋）氣流。這些渦旋在障礙物背后兩側(cè)交替出現(xiàn)，并且旋轉(zhuǎn)方向相反地脫離障礙物。當(dāng)它所引起的流體壓強(qiáng)的脈動(dòng)頻率在可聽頻率范圍、且強(qiáng)度足夠大時(shí)，則輻射出的噪聲稱為渦流噪聲。

渦流噪聲的頻率或兩相渦街脫落頻率：

式中：

St——斯特勞哈爾數(shù)，一般取0.145～0.2；

V——流速的流動(dòng)速度；

D——特征長(zhǎng)度，對(duì)圓管內(nèi)流動(dòng)， 取管內(nèi)徑；

I——諧波數(shù)。

由公式可見，渦流頻率和特征直徑成反比，和流速成正比。

2　制冷劑噪聲測(cè)試

某車型在開發(fā)過程中，發(fā)現(xiàn)低負(fù)荷工況下，關(guān)閉壓縮機(jī)后數(shù)秒鐘內(nèi)可以清晰聽到汩汩的制冷劑流動(dòng)聲，主觀GMUTs打分只有5.5分左右（10分滿分），屬于不能接受的程度。空調(diào)系統(tǒng)采用的是定排量壓縮機(jī)，在低負(fù)荷工況下，壓縮機(jī)會(huì)頻繁啟停，制冷劑噪聲和壓縮機(jī)離合器吸放聲音混雜在一起，更加惡化了乘客的主觀感受。為了解決這個(gè)問題，我們?cè)谝蕾囍饔^評(píng)估的同時(shí)，還需要一種可靠易行的試驗(yàn)方法在整車環(huán)境下進(jìn)行客觀測(cè)量，以便識(shí)別和鎖定噪聲。

2.1常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)的思路和方法

首先這種聲音屬于異響的范疇，不是穩(wěn)態(tài)的，持續(xù)小段時(shí)間就消失了，聲音強(qiáng)度比較低（一般壓縮機(jī)關(guān)閉，最小檔位風(fēng)量，怠速情況時(shí)，車內(nèi)噪聲大概只有40 dB左右），而且這個(gè)噪聲顯然和空調(diào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有關(guān)。由于一般的空調(diào)箱制冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)容量大，壓縮機(jī)、冷凝器、空調(diào)管等主要部件不能采用同原車相同的零件和布置，并且機(jī)房背景噪聲大，根本不可能模擬和檢測(cè)到這個(gè)瞬態(tài)噪聲。理想情況下，只有在有空調(diào)箱單獨(dú)靜音房［7］，并且能夠布置和采用實(shí)車零件的系統(tǒng)臺(tái)架才能用來研究這個(gè)問題。

圖1所示臺(tái)架，除了所有零件都用實(shí)車零件之外，需要一個(gè)背景噪聲30 dB左右的靜音房單獨(dú)布置空調(diào)箱和麥克風(fēng)，目前國(guó)內(nèi)主機(jī)廠及空調(diào)箱主流供應(yīng)商都還不具備這個(gè)條件。因此，需要尋找另外一種比較簡(jiǎn)單易行的基于整車環(huán)境的測(cè)量方法。

圖1　測(cè)量制冷劑噪聲的臺(tái)架示意圖

2.2基于整車環(huán)境的比較測(cè)試法

通過摸索我們發(fā)現(xiàn)，可以使用 B&K 2250聲級(jí)計(jì)或者 Head-Acoustic聲壓四通道設(shè)備在非試驗(yàn)室條件下測(cè)量和對(duì)比噪聲，就可以很好地解決這個(gè)問題。首先把車輛放置到相對(duì)空曠的環(huán)境，整體背景噪聲30 dB以下。然后把測(cè)量設(shè)備布置在駕駛員右耳位置（同整車鼓風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行測(cè)量。以B&K 2250為例，調(diào)整聲級(jí)計(jì)到加強(qiáng)型時(shí)序測(cè)量檔位，這樣可以同時(shí)輸出時(shí)序整體噪聲和1/3倍頻程圖，記錄下從發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)到壓縮機(jī)吸合以及壓縮機(jī)關(guān)閉整個(gè)過程的數(shù)據(jù)。

圖2　聲級(jí)計(jì)測(cè)量位置圖

測(cè)量方法：停車到空曠區(qū)域，四門車窗緊閉，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，同時(shí)用 VSPY3診斷儀監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，待發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，開始用噪聲設(shè)備測(cè)量，測(cè)量過程需要保證沒有進(jìn)入怠速轉(zhuǎn)速提升狀態(tài)（idle boost），前端風(fēng)扇保持在低檔位，否則噪聲的基準(zhǔn)會(huì)變化，導(dǎo)致無法進(jìn)行壓縮機(jī)吸合和斷開的比較。鼓風(fēng)機(jī)設(shè)定在 1檔，氣流模式吹臉，內(nèi)循環(huán)，按 AC On按鈕啟動(dòng)壓縮機(jī)，保持測(cè)量至少15 s以上，再按AC Off，如此往復(fù)幾個(gè)回合，以得到音頻時(shí)序和1/3倍頻程數(shù)據(jù)。

3　數(shù)據(jù)分析及問題識(shí)別

基于一輛有制冷劑異響問題的車，通過如上方法測(cè)量得到數(shù)據(jù)如圖3～圖5。

圖3　時(shí)序測(cè)量圖

圖4　1/3倍頻程分析圖

圖5　噪聲隨加注量變化圖（截取頻率1000 Hz到20000 Hz）

在AC On的區(qū)域和AC Off的區(qū)域各取一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)，比較1/3倍頻譜發(fā)現(xiàn)，在藍(lán)線1，600 Hz以上區(qū)域，AC Off時(shí)反而幅值比AC On時(shí)高，這個(gè)和AC Off 時(shí)出現(xiàn)制冷劑噪聲相符。

同時(shí)，在同車型的另外一些車輛發(fā)現(xiàn)，如果整車加注量少于名義值 580 g，噪聲加劇。同樣地，對(duì)于同一輛車，分別加注 400 g，580 g，700 g，進(jìn)行3次試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律（見圖5）。

制冷劑越少，1，600 Hz以上反竄越大，噪聲越大，到加注 700 g，噪聲基本消失。至此說明噪聲就是 1，600 Hz以上的流體渦流產(chǎn)生的，并且制冷劑充注量影響很大。但是我們不能把增加充注量作為解決措施。如果把這個(gè)系統(tǒng)的充注量增加到700 g，已經(jīng)很接近警戒線，很容易造成壓縮機(jī)出口壓力過高，損害壓縮機(jī)和系統(tǒng)其他零件［8］。

4　噪聲解決策略

圖6是制冷劑系統(tǒng)圖，主要包含冷凝器、管路、壓縮機(jī)、空調(diào)箱（包含膨脹閥）等。其中空調(diào)箱主體，壓縮機(jī)和冷凝器都是長(zhǎng)周期零件，已經(jīng)完成了各自的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作，調(diào)整它們代價(jià)太大，因此對(duì)于此次的制冷劑噪聲問題，我們考慮的對(duì)象是膨脹閥、空調(diào)管以及膨脹閥的密封墊等短周期零件。

圖6　空調(diào)系統(tǒng)圖

由于噪聲是產(chǎn)生于膨脹閥后的流體渦流，根據(jù)本文段落1中渦流公式，D特征長(zhǎng)度（膨脹閥頂針直徑）為定值，要降低由于這種兩相渦流引起的聲場(chǎng)強(qiáng)度，可以考慮降低膨脹閥關(guān)閉后的制冷劑流速以及一些噪聲隔絕工作。

由于改進(jìn)措施是多方面的，為了以最小的代價(jià)獲知設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)組合以及各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的貢獻(xiàn)大小，我們可以借助DFSS理論和工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

5　使用DFSS方法優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1DFSS優(yōu)化理論簡(jiǎn)述

DFSS，簡(jiǎn)而言之是基于六西格瑪理論的設(shè)計(jì)工具，其主要目的是通過一定的設(shè)計(jì)組合，通過相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)工具，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)項(xiàng)目，找到最優(yōu)的控制因子組合，使其對(duì)于外在噪聲因子的影響輸出變化最穩(wěn)定（即信噪比 S/N最大），并且對(duì)應(yīng)最優(yōu)的控制因子組合的能量輸出最大或者最?。碝ean值）。

5.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析

為了減少壓縮機(jī)關(guān)閉后的制冷劑流速，可以把膨脹閥沖注方式［9-10］（影響閥關(guān)閉后的流體動(dòng)作）作為一個(gè)主要的控制變量來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；另外考慮到空調(diào)管的設(shè)計(jì)對(duì)于系統(tǒng)壓力的作用進(jìn)而對(duì)于壓縮機(jī)關(guān)閉后的瞬態(tài)流速有影響，可以作為第二個(gè)控制因子；由于噪聲發(fā)生在膨脹閥附近，膨脹閥上采用阻尼層［7，11］作為第三個(gè)控制因子，驗(yàn)證其隔聲效果。

對(duì)于上文提到的3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)（A膨脹閥參數(shù)；B空調(diào)吸氣管材質(zhì)和走向；C膨脹閥處隔聲措施）做了幾種組合設(shè)計(jì)，同時(shí)選取外界溫濕度的組合作為噪聲因子，按照正交列表 L4，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終計(jì)算出3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的貢獻(xiàn)值。

控制因子A、B和C的設(shè)定如表1。噪聲因子設(shè)定如表2。

表1　DFSS控制因子及水平

表2　DFSS噪聲因子和水平

根據(jù)前期研究，噪聲集中在 1，600 Hz以上頻率。故把 DFSS原始數(shù)據(jù)設(shè)定為 1，600 Hz到20，000 Hz各頻率下的 AC On噪聲水平與 AC Off噪聲水平的加權(quán)差值。

加權(quán)計(jì)算公式為：

其中：dBn為1，600 Hz～20，000 Hz間1/3倍頻程中心頻率聲壓。

差值數(shù)值越大，表明1，600 Hz以上的振幅AC Off時(shí)相對(duì)于AC On削減越大，流動(dòng)噪聲越小。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3　DFSS原始數(shù)據(jù)

3個(gè)設(shè)計(jì)因子，各2個(gè)水平，總共有8種組合，按照正交列表，只需要實(shí)驗(yàn)四種組合就可以通過Mean圖和 S/N圖找到最優(yōu)組合。由于我們選取的參數(shù)是AC On和AC Off的噪聲差值，因此選用的是望大特性，Mean值越大越好，另外希望系統(tǒng)對(duì)于外界噪聲的抗干擾性越大越好，因此 S/N也取大值。圖7數(shù)據(jù)表明，配置A1（系統(tǒng)沖注）、B2（3層管）和 C1（TXV包覆）的組合為最優(yōu)設(shè)計(jì)，并且發(fā)現(xiàn)膨脹閥的設(shè)定（A控制因子）對(duì)于噪聲貢獻(xiàn)最大。

圖7　DFSS項(xiàng)目Mean和S/N（信噪比）圖

由于采用了系統(tǒng)沖注的膨脹閥，在 AC Off之后閥可以完全關(guān)閉，從根本上杜絕了壓縮機(jī)關(guān)閉時(shí)，制冷劑從閥到液管的流動(dòng)，阻止了流動(dòng)音的發(fā)生。

6　最優(yōu)方案驗(yàn)證結(jié)果

6.1噪聲驗(yàn)證

上述最優(yōu)措施對(duì)應(yīng)的噪聲復(fù)測(cè)結(jié)果如圖8?？梢钥吹?，1，600 Hz以上頻率的數(shù)據(jù)完全分離，主觀評(píng)價(jià)同時(shí)可以達(dá)到7.5分（10分最優(yōu)），基本聽不到汩汩聲。

圖8　新措施噪音測(cè)量結(jié)果

6.2其他方面影響驗(yàn)證

為了驗(yàn)證新措施是否對(duì)于系統(tǒng)的其他性能有不良影響，增做了零件級(jí)制冷能力試驗(yàn)以及臺(tái)架級(jí)別的蒸發(fā)器表面溫度分布試驗(yàn)。

6.2.1零件級(jí)制冷試驗(yàn)報(bào)告

對(duì)應(yīng)不同的膨脹閥，在不同的風(fēng)量測(cè)試工況下，制冷能力相當(dāng)?？照{(diào)箱制冷能力對(duì)比見表3。

表3　空調(diào)箱制冷能力對(duì)比

6.2.2蒸發(fā)器表面溫度分布試驗(yàn)結(jié)果

如圖9在蒸發(fā)器下風(fēng)向用K型熱電偶均布16個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，不同的膨脹閥對(duì)應(yīng)的溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)在各個(gè)工況下作對(duì)比（風(fēng)量 280 kg/h，進(jìn)風(fēng)溫度38 ℃和 25 ℃）。蒸發(fā)器表面溫度分布表明，用系統(tǒng)沖注的TXV相比較交叉沖注的TXV，無論在高溫低溫都變化很小，無結(jié)霜風(fēng)險(xiǎn)。

圖9　蒸發(fā)器表面測(cè)點(diǎn)圖和數(shù)據(jù)對(duì)比

7　結(jié)論

1）通過對(duì)本案問題的解決，找到一種簡(jiǎn)單有效的整車測(cè)量制冷劑流動(dòng)噪聲的方法，不僅可以定性而且可以定量比較制冷劑流動(dòng)噪聲的大小。

2）壓縮機(jī)關(guān)閉時(shí)的水流聲不同于一般的制冷劑嘶嘶聲，采用膨脹閥包覆效果不明顯，所以處理不同制冷劑噪聲要區(qū)分對(duì)待。

3）制冷劑沖注量對(duì)于制冷劑流水聲影響顯著，反過來可以作為判斷系統(tǒng)沖注是否足夠的標(biāo)志。分析系統(tǒng)匹配對(duì)于制冷劑噪聲的影響首先需要排除沖注量的影響。

4）對(duì)于定排量壓縮機(jī)應(yīng)該盡量匹配系統(tǒng)沖注膨脹閥，否則有汩汩聲的風(fēng)險(xiǎn)。

5）DFSS是一個(gè)有效的設(shè)計(jì)工具，可以幫助我們通過有限的實(shí)驗(yàn)找到最優(yōu)組合，并且計(jì)算出各個(gè)設(shè)計(jì)因子的貢獻(xiàn)值，值得應(yīng)用推廣。

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Investigation on Refrigerant Flow Noise Analysis and Performance Improvement for Automotive Air Conditioner

ZHOU Zi-feng*， WANG Dan-yu， ZHENG Guo-sheng
（Pan Asia Technical Automotive Center， Shanghai 201201， China）

In order to solve the refrigerant flow noise problem after the automotive air conditioner is turned off， a simple and practical objective measurement method combining with subjective evaluation method was adopted and the noise frequency range was obtained and the noise level was quantitatively analyzed. Then based on Design for Six Sigma（DFSS）tool， several design factors were optimized and the best design combination was obtained. The final validation result shows that the problem of refrigerant flow noise was solved.

Automotive air conditioner； Refrigerant noise； Design for Six Sigma

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.201

*周滋鋒（1975-），男，碩士。研究方向：汽車空調(diào)系統(tǒng)。聯(lián)系地址：上海龍東大道 3999號(hào)，郵編：201201。聯(lián)系電話：021-50161483，E-mail：Zifeng_zhou@patac.com.cn。