車內(nèi)空調(diào)壓縮機異響的控制實驗

常晶晶，丁 康，李永焯

（華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641）

車內(nèi)空調(diào)壓縮機異響的控制實驗

常晶晶，丁 康，李永焯

（華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641）

某車型空調(diào)開啟后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速升至2 400 r/min附近時車內(nèi)產(chǎn)生明顯的異響聲。試驗排除了壓縮機本體振動過大、壓縮機振動經(jīng)空調(diào)管路放大的可能性后，通過傳遞函數(shù)測試及發(fā)動機懸置支架模態(tài)測試，確定右懸置支架的一階固有頻率與壓縮機在該工況下的工作頻率耦合產(chǎn)生共振，是導(dǎo)致車內(nèi)產(chǎn)生異響聲的根本原因。通過改進(jìn)支架結(jié)構(gòu)提高其一階固有頻率，避開了常用轉(zhuǎn)速下壓縮機的工作頻率范圍。將改進(jìn)后的懸置支架裝車驗證，結(jié)果表明車內(nèi)異響得以明顯改善。這種研究方法對改善同類汽車異響問題具有重要的實際意義。

聲學(xué)；車內(nèi)噪聲；壓縮機；傳遞函數(shù)；耦合共振

隨著人們對汽車舒適性要求的不斷提高，各大汽車廠商均致力于改善汽車的噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise Vibration And Harshness，簡稱NVH），并以此作為企業(yè)的核心競爭力。空調(diào)壓縮機直接或通過支架安裝在發(fā)動機上，其振動直接傳遞到車內(nèi)或引起其它附件的共振進(jìn)而傳遞到車內(nèi)，因此壓縮機引起的振動噪聲問題日益被重視[1-3]。

Naga Suresh等通過改變壓縮機與發(fā)動機的傳動比來改變壓縮機的工作頻率，從而解決了壓縮機的4階工作頻率與車架共振所導(dǎo)致的車內(nèi)地板振動問題[4]。朱武愛通過重新匹配壓縮機與發(fā)動機的傳動比解決壓縮機與發(fā)動機的拍頻問題[5]。李嘉通等通過填充減重挖孔及改變結(jié)構(gòu)表面的筋條布置有效提高了支架總成的低階固有頻率，避開了發(fā)動機工作下的共振頻帶[6]。李冰通過給空調(diào)管路加裝消聲器解決了一定發(fā)動機轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的轟鳴噪聲問題[7]。目前對壓縮機引起的振動噪聲研究主要集中在壓縮機支架引起的共振、空調(diào)系統(tǒng)管路的減振降噪和發(fā)動機與壓縮機造成的拍頻問題等方面，通過發(fā)動機懸置支架的改進(jìn)來解決壓縮機異響的實例較少。

針對某車型在發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 400 r/min附近時開空調(diào)產(chǎn)生的異響噪聲問題進(jìn)行研究。通過定置升速測試和傳遞函數(shù)測試等方法，找到了導(dǎo)致該異響問題的根本原因。在對懸置支架進(jìn)行改進(jìn)后，通過頻響函數(shù)測試和定置升速測試等方法驗證了懸置支架的改進(jìn)對開空調(diào)導(dǎo)致的異響問題的改善效果。尋找車內(nèi)異響源的方法可適用于其他汽車產(chǎn)生的振動噪聲問題，同時為汽車工程領(lǐng)域懸置支架導(dǎo)致的空調(diào)壓縮機NVH問題研究提供了案例支持。

1 異響源的診斷與研究

某車型汽車在開空調(diào)加速到2 400 r/min附近時，車內(nèi)聽到明顯的異響聲，使乘客感覺不適，乘坐舒適性較差。該車型空調(diào)系統(tǒng)使用的壓縮機為7缸軸向活塞式壓縮機，壓縮機與發(fā)動機缸體之間通過螺栓剛性連接。

1.1 定置升速車內(nèi)噪聲測試結(jié)果分析

對樣車進(jìn)行定置升速試驗。試驗要求整車在開空調(diào)工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1 000 r/min提升到3 200 r/min，整個過程相當(dāng)于一次激勵掃頻過程，主要考察發(fā)動機激勵是否引起車身系統(tǒng)共振以及由哪些階次的頻率引發(fā)共振。試驗過程中用麥克風(fēng)測量駕駛員右耳和壓縮機近場聲壓級，用加速度傳感器測試壓縮機本體振動。

圖1為開空調(diào)定置升速過程中測試所得駕駛員右耳噪聲瀑布圖，車內(nèi)噪聲出現(xiàn)以346 Hz為中心的共振頻帶，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2 400 r/min附近時噪聲共振非常明顯。該轉(zhuǎn)速下壓縮機工作頻率為

圖1 定置升速駕駛員右耳噪聲瀑布圖

由于該頻率與共振頻率非常接近，由此初步估計2 400 r/min時車內(nèi)出現(xiàn)的異響與壓縮機工作有關(guān)[8]。

在研究旋轉(zhuǎn)部件時，定義參考軸轉(zhuǎn)頻為基頻（1階），其它軸或部件頻率為參考軸轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，稱為階次。將發(fā)動機曲軸設(shè)為參考軸，壓縮機工作相對曲軸的階次為

壓縮機速比（1.22）×缸數(shù)（7）=8.54

對瀑布圖進(jìn)行階次切片，得到車內(nèi)噪聲、壓縮機近場噪聲以及壓縮機本體振動的8.5階階次曲線如圖2所示。

圖2 定置升速車內(nèi)噪聲、壓縮機振動及近場噪聲8.5階階次圖

可見，開空調(diào)情況下，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2 400 r/min附近時，車內(nèi)8.5階噪聲曲線出現(xiàn)明顯峰值。而壓縮機近場噪聲及本體振動的8.5階曲線均未在此出現(xiàn)較大峰值，可以排除壓縮機本體振動過大導(dǎo)致該異響的可能性。為了進(jìn)一步查找該異響產(chǎn)生的原因，對壓縮機到車內(nèi)的傳遞路徑進(jìn)行分析與研究。

1.2 傳遞函數(shù)測試分析

壓縮機向車內(nèi)傳遞噪聲的路徑包括結(jié)構(gòu)傳遞路徑和空氣傳播路徑[9]，在低頻范圍內(nèi)通常只考慮結(jié)構(gòu)振動對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)。

采用力錘激勵法測試結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)。激勵點為壓縮機安裝點Y向，響應(yīng)點為駕駛員右耳。測得壓縮機本體Y向到駕駛員右耳的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)如圖3中虛線所示。

圖3 壓縮機本體Y向到車內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)幅頻特性

在343 Hz處傳遞函數(shù)出現(xiàn)峰值，該峰值頻率與前述定置升速試驗中出現(xiàn)的共振帶頻率（346 Hz）接近，故可斷定該車2 400 r/min附近出現(xiàn)的異響問題與壓縮機到車內(nèi)的結(jié)構(gòu)傳遞路徑相關(guān)。

壓縮機到車內(nèi)的結(jié)構(gòu)傳遞路徑主要有：

(1)壓縮機振動通過空調(diào)管路傳遞到車身。

(2)壓縮機振動傳遞到發(fā)動機本體后，通過懸置系統(tǒng)傳遞到車身。

將壓縮機高、低壓管斷開，測試從壓縮機本體Y向到駕駛員右耳旁的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)，結(jié)果如圖3中實線所示。可見，斷開壓縮機高、低壓管前后，壓縮機本體Y向到駕駛員右耳旁的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)幅值在340 Hz附近無變化，因此排除了壓縮機振動經(jīng)空調(diào)管路放大的可能性。

該車型汽車的動力總成橫向布置，由左懸置、右懸置和防扭拉桿支承。為提高試驗準(zhǔn)確性，排除振動通過空調(diào)高低壓管傳遞造成的誤差，斷開高、低壓管后在各個懸置與車身側(cè)連接點Y向施加力激勵，測試得到各懸置被動端到車內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)，如圖4所示，左懸置、右懸置及防扭拉桿的被動端到駕駛員右耳旁的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)均未在340 Hz附近出現(xiàn)峰值，表明車身結(jié)構(gòu)傳遞到車內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲并無異常。

圖4 懸置被動端Y向到車內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)幅頻特性

圖5 右懸置Y向到車內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)幅頻特性

將力激勵點改為各個懸置與發(fā)動機側(cè)連接點Y向，響應(yīng)點仍為駕駛員右耳，得到各懸置主動端到車內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)。結(jié)果顯示僅右懸置主動端在340 Hz附近出現(xiàn)明顯峰值。圖5為右懸置主被動端到駕駛員右耳的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)，在大部分頻段內(nèi)，右懸置被動端到駕駛員右耳的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)幅值均比主動端大20 dB～25 dB，表明右懸置總體隔振性能良好。但在340 Hz附近，主動端傳遞函數(shù)幅值異常，甚至超過被動端，表明該頻段振動經(jīng)右懸置傳遞時被放大，推測壓縮機工作頻率（342 Hz）與右懸置支架固有頻率接近而引起共振。

1.3 右懸置支架的模態(tài)測試分析

為驗證該猜想，進(jìn)行右懸置支架模態(tài)測試。整車約束狀態(tài)下[10]，發(fā)動機右懸置支架原點頻響函數(shù)測試曲線如圖6中實線所示。

圖6 右懸置支架的頻響函數(shù)曲線

可見，右懸置支架1階固有頻率為338 Hz，與壓縮機的工作頻率（342 Hz）接近。由此可以斷定在發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 400 r/min附近時，開空調(diào)車內(nèi)產(chǎn)生的異響噪聲是壓縮機激振頻率與發(fā)動機右懸置支架模態(tài)頻率耦合產(chǎn)生共振所致。

2 右懸置支架改進(jìn)方案的提出與驗證

2.1 改進(jìn)方案的提出

該車右懸置支架包括右懸置托臂和發(fā)動機側(cè)支架。

圖7 發(fā)動機右懸置支架結(jié)構(gòu)

為避免共振現(xiàn)象發(fā)生，提高支架的整體剛度，對原右懸置支架提出三點改進(jìn)方案：將懸置托臂由鑄鐵改為鑄鋁，改變懸置托臂與發(fā)動機側(cè)支架之間的安裝孔位，通過布置加強筋改善發(fā)動機側(cè)支架的結(jié)構(gòu)。改進(jìn)前后支架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.2 改進(jìn)方案模態(tài)試驗驗證

對改進(jìn)后的右懸置支架進(jìn)行整車約束狀態(tài)下的原點頻響測試，結(jié)果如圖6中虛線所示，支架一階固有頻率從338 Hz提高到480 Hz，右懸置支架的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性有了明顯的改善，整體剛度得以提高。

2.3 改進(jìn)方案定置升速試驗驗證

為了進(jìn)一步驗證改進(jìn)的效果，對整車進(jìn)行定置升速試驗。定置升速試驗要求與前述試驗相同，試驗所得改進(jìn)后的開空調(diào)駕駛員右耳聲壓級總值曲線與改進(jìn)前曲線對比如圖8所示。

圖8 定置升速駕駛員右耳噪聲總值曲線

結(jié)果顯示，改進(jìn)支架后測得的車內(nèi)噪聲隨轉(zhuǎn)速逐漸上升，在2 750 r/min前均明顯低于改進(jìn)前測得結(jié)果，聲壓級于轉(zhuǎn)速2 368 r/min時為56.3 dB(A)，比起原狀態(tài)下降3個dB(A)，未出現(xiàn)明顯峰值。在2 750 r/min后聲壓級較改進(jìn)前稍大，但由于整體趨勢平緩無明顯峰值，車內(nèi)乘員主觀感受不明顯，原狀態(tài)右懸置支架帶來的共振問題得以有效解決。

圖9為定置升速工況駕駛員右耳噪聲瀑布圖，在335 Hz附近無明顯共振帶，但當(dāng)轉(zhuǎn)速升至3 400 r/min時，480 Hz附近出現(xiàn)了大面積的亮帶。改進(jìn)后右懸置支架1階固有頻率提升至480 Hz，但在發(fā)動機加速過程中，壓縮機的工作頻率經(jīng)過該頻率時仍會激起共振，此為該現(xiàn)象出現(xiàn)的根本原因。這一過程在發(fā)動機升速過程中無法避免，因此只能通過提升懸置支架固有頻率將該共振轉(zhuǎn)速提高。

圖9 改進(jìn)后定置升速駕駛員右耳噪聲瀑布圖

對比圖1和圖9可以看出，改進(jìn)懸置支架后，發(fā)動機2階噪聲明顯，成為車內(nèi)噪聲主要貢獻(xiàn)因素。共振噪聲不再集中在較窄的頻率帶內(nèi)，聲壓值也有所降低，其峰值低于發(fā)動機2階噪聲峰值，此時共振噪聲被發(fā)動機噪聲所掩蓋，主觀感受并不明顯。以上驗證了改進(jìn)方案的可行性。

3 結(jié)語

(1)壓縮機近場噪聲及本體振動的8.5階階次曲線未在2 400 r/min附近出現(xiàn)峰值，由此排除壓縮機本體振動過大導(dǎo)致異響的可能性。斷開壓縮機高、低壓管前后，壓縮機本體到駕駛員右耳旁的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)幅值在340 Hz附近無變化，由此排除了壓縮機振動經(jīng)空調(diào)管路放大的可能性。

(2)右懸置主動端到駕駛員右耳的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)在340 Hz附近出現(xiàn)峰值，右懸置支架模態(tài)測試結(jié)果顯示右懸置支架1階固有頻率為338 Hz，與壓縮機的工作頻率（342 Hz）接近，由此判斷壓縮機振動激起右懸置支架系統(tǒng)的1階模態(tài)產(chǎn)生共振是導(dǎo)致轟鳴噪聲的根本原因。

(3)通過改變支架材料、安裝孔位及加強筋的布置對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，有效提高了右懸置支架的1階固有頻率，避開了常用轉(zhuǎn)速下壓縮機的工作頻率，使該異響問題得以解決。

(4)通過定置升速瀑布圖中的共振頻帶判斷與異響產(chǎn)生相關(guān)的部件，首先懷疑該部件本體振動過大導(dǎo)致異響并通過驗證排除，其次懷疑該部件到車內(nèi)的結(jié)構(gòu)傳遞路徑上產(chǎn)生共振，并由結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)測試及模態(tài)測試結(jié)果驗證，再通過對結(jié)構(gòu)的改進(jìn)解決了異響問題。文中采用的異響源查找方法及改進(jìn)方法可用于同類汽車異響問題的研究。

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Experiments of InteriorAbnormal Noise Control of Cars Caused byAir Conditioning Compressors

CHANG Jing-jing,DING Kang,LI Yong-zhuo
(School of Mechanical andAutomotive Engineering,South China University of Technology, Guangzhou 510641,China)

A vehicle has an abnormal noise problem when the air conditioning is turned on and the engine speed reaches about 2 400 r/min.Through the test,it is confirmed that the vibration of the compressor’s body and the vibration enlargement effect of the air conditioner’s pipeline do not induce the abnormal noise.Then,through the transfer function test and the modal analysis of the engine suspension bracket,it is found that the working frequency of the air compressor is close to the first natural frequency of the engine bracket.Their resonance is the fundamental reason for the abnormal noise inside the vehicle.By improving the structure of the bracket,its first natural frequency is raised and much higher than the working frequency of the compressor.The improved bracket is installed in the vehicle and tested.The result shows that the abnormal noise is reduced obviously.This study method may be significant for reducing the abnormal noise of the same kind vehicles.

acoustics;interior noise;compressor;transfer function;coupling resonance

U467.4+93

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.041

1006-1355(2016)06-0206-04

2016-06-30

常晶晶（1992-），女，安徽省淮北市人，碩士生，主要研究方向為機械振動信號處理與故障診斷、車輛NVH測試與分析。E-mail:changjing128@163.com

丁康，男，博士研究生導(dǎo)師。E-mail:kding@scut.edu.cn