基于改善吸排氣脈動的汽車空調(diào)旋轉(zhuǎn)斜盤式變排量壓縮機(jī)的NVH改進(jìn)

王 翔

引言

現(xiàn)今，被廣泛使用的汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然是由發(fā)動機(jī)通過皮帶輪的傳動來驅(qū)動汽車空調(diào)壓縮機(jī)的皮帶輪，皮帶輪旋轉(zhuǎn)帶動壓縮機(jī)工作，從而運(yùn)行整個空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)工作。壓縮機(jī)在運(yùn)行時所產(chǎn)生的噪音，大致可分為三類（圖1所示）：振動噪音，傳遞噪音和脈動噪音。依據(jù)聲學(xué)的理論，噪音的傳遞需要噪音源頭和傳遞路徑兩部分來實(shí)現(xiàn)（圖1所示）。早期，由于汽車還屬于奢侈品的范疇，因此壓縮機(jī)本體的要求是快速降溫，壓縮機(jī)的噪音則交給了高成本的隔音隔振的材料以及管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)今，隨著汽車行業(yè)競爭的不斷加劇，成本壓力的不斷提升，整個汽車行業(yè)將目光聚焦到了壓縮機(jī)本體噪音的改善結(jié)合傳遞路徑的改善的策略上來，以期待在控制成本的同時達(dá)到了提升整體的舒適性的目的。

圖1

本文將聚焦于汽車空調(diào)壓縮機(jī)脈動噪音改善，以當(dāng)下使用較為廣泛的旋轉(zhuǎn)斜盤式變排量壓縮機(jī)為例，以結(jié)構(gòu)理論分析結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)的方式給出優(yōu)化的設(shè)計(jì)建議。

1 壓縮機(jī)的脈動噪音

為了改善壓縮機(jī)的脈動噪音，首先當(dāng)然需要了解它產(chǎn)生的機(jī)理。目前使用于汽車空調(diào)的壓縮機(jī)大多為往復(fù)式活塞式壓縮機(jī)，為了能夠高效利用傳遞扭矩一般采用多缸結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)斜盤式變排量壓縮機(jī)就是其典型的代表。在壓縮機(jī)工作的過程中，由發(fā)動機(jī)帶動壓縮機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸帶動連桿推動活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)制冷劑蒸汽的吸入，排除，壓縮，膨脹的周期性工作。由于壓縮機(jī)在每運(yùn)行一轉(zhuǎn)的過程中都會經(jīng)歷吸入和排出的過程，且每次吸入和排出過程中是有間隔的，同時在運(yùn)行的過程中，每個氣缸的工作狀態(tài)也各有不同，因此這種每次循環(huán)的吸氣和排氣不連續(xù)性產(chǎn)生了氣流波動。這種不連續(xù)的吸氣與排氣會引起吸排氣腔產(chǎn)生氣體渦流，以及制冷劑流速突變與管壁產(chǎn)生的摩擦，從而產(chǎn)生了壓縮機(jī)的脈動噪音。另外，汽車空調(diào)壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速一般都在1000～3000轉(zhuǎn)/分，導(dǎo)致該類噪音的頻率一般都在人類聽覺容易辨別的范圍，約為100～3000Hz之間。

如之前所述，我們不難發(fā)現(xiàn)作為往復(fù)式的活塞式壓縮機(jī)來說，由于吸排氣都存在不連續(xù)性，因此脈動是這類壓縮機(jī)的固有特點(diǎn)，如現(xiàn)有結(jié)構(gòu)沒有重大的變革，這類噪音本質(zhì)上是無法被消除的。因此后續(xù)探討的是如何采用優(yōu)化的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)降低壓縮機(jī)本體的脈動噪音，從而避免被人耳識別，到達(dá)改善壓縮機(jī)對于整車空調(diào)系統(tǒng)NVH的貢獻(xiàn)。

2 脈動噪音的改善

圖2

2013年，在于A公司（某知名跨國車企）合作空調(diào)壓縮機(jī)整車配套項(xiàng)目中，客戶與5月夏季路試時候發(fā)來反饋，抱怨部分整車在開啟空調(diào)之后有明顯的噪音異響。經(jīng)過現(xiàn)場的噪音測試，我們獲得了在車輛怠速情況下，部分壓縮機(jī)在500Hz頻率范圍附近存在明顯噪音差異（如圖2所示）。

在試驗(yàn)臺架上，我們采用模擬整車工況對NG件和OK件進(jìn)行了NVH對比，在吸氣脈動對比時（如圖3），我們同樣發(fā)現(xiàn)在500Hz范圍附近，NG件的存在高亮帶吸氣脈動表現(xiàn)較差，同時與實(shí)車發(fā)生 NVH噪音的頻段相對應(yīng)，由此我們可以鎖定吸氣脈動是引起此次發(fā)生實(shí)車異響的原因。

圖3

由脈動噪音產(chǎn)生的原理來看，改善脈動噪音的方式大致可以分為三種：1）減小管路直徑降低壓力脈動；2）降低脈動沖擊力使得脈動變得平緩；3）就是將1和2方案疊加使用。

1）減小管路直徑降低壓力脈動：根據(jù)流體力學(xué)公式和伯努利定理（如圖 4），由于流體的能量為“定值”，因此剩下的就是壓力P會發(fā)生改變。換而言之，流速的提高（管道直徑減?。?dǎo)致壓力會變小。所以，通過減小氣路直徑（管道截面面積減少）能夠減小壓力脈動。綜上所述，在通常的情況下，壓縮機(jī)會在氣路內(nèi)增加單向閥來減小氣路直徑，降低脈動噪音。

圖4

圖5

2）降低脈動沖擊力使得脈動變得平緩：一般來說吸氣閥片和閥板的配合設(shè)計(jì)（如圖5右上角）會在通氣孔的周圍再增加一個環(huán)槽設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)可以有效避免閥片由于油膜的作用吸附與閥板上，達(dá)到降低開啟壓力的作用。環(huán)槽與通氣孔之間的密封帶寬度也會對于閥片開啟的壓力有略微的影響。圖5為密封帶寬窄對于開啟壓力的影響的對比，從圖5中我們可以看到在吸氣閥片開啟的時候，紅色寬密封帶的設(shè)計(jì)比藍(lán)色窄密封帶的設(shè)計(jì)需要更大的壓力才能打開。綜上所述，設(shè)計(jì)和加工的合理范圍之內(nèi)越是窄的密封帶開啟的壓力值會越小，這樣對于整個吸氣的脈動沖擊也就越小。

圖6

針對該項(xiàng)目發(fā)生的 NVH問題，我們最終拿出了兩套改進(jìn)方案：1）在吸氣口增加吸氣單向閥；2）將閥板環(huán)槽的加工進(jìn)度提高，將密封帶的寬度收緊。圖6為兩種方案與OK件和NG件的吸氣脈動數(shù)據(jù)對比，從中不難發(fā)現(xiàn)兩個改進(jìn)措施都能夠有效地降低500Hz范圍處吸氣脈動噪音。在實(shí)車驗(yàn)證下，這兩個方案對于整車 NVH的改進(jìn)效果都獲得了客戶的認(rèn)可，雖然兩個方案都到達(dá)了預(yù)期的效果，但是由于單向閥的方案對于空調(diào)系統(tǒng)性能有一定的損耗，因此最終還是采取了閥板改進(jìn)的方案。

3 結(jié)語

（1）氣路增加單向閥可有效改進(jìn)壓縮機(jī)脈動噪音。

（2）閥板密封帶變窄可有效改進(jìn)壓縮機(jī)脈動噪音。

（3）氣路增加單向閥和閥板密封帶變窄可組合使用，進(jìn)一步提升改進(jìn)效果。

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