電動汽車空調(diào)系統(tǒng)振動噪聲分析

羅穎 許偉康 俞曉勇

（上汽通用五菱汽車股份有限公司）

在能源清潔和環(huán)境保護的雙重需求驅(qū)動下，電動汽車成為汽車發(fā)展的重要方向之一[1-2]。電動汽車與傳統(tǒng)燃油車相比，由于能源使用方式不同，其空調(diào)系統(tǒng)存在差異。傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)以發(fā)動機輸出的機械能為驅(qū)動力，帶動開啟式空調(diào)壓縮機工作以實現(xiàn)制冷作用；電動汽車直接通過電池組為空調(diào)系統(tǒng)提供電能，帶動全封閉式電動壓縮機工作以實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)制冷。與傳統(tǒng)燃油車相比，電動汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷量不受汽車行駛速度的影響，可以更方便、精確地調(diào)節(jié)車內(nèi)空氣溫度。但汽車空調(diào)系統(tǒng)在為乘客提供乘坐舒適性的同時，也是一個不可忽略的振動源和噪聲源[3-4]。電動汽車電機噪聲與傳統(tǒng)燃油車發(fā)動機噪聲相比有了明顯的降低，因此使得空調(diào)系統(tǒng)噪聲變得更加突出，尤其在汽車怠速或低速行駛時，空調(diào)系統(tǒng)噪聲成為電動車的主要噪聲源。文章從振動噪聲角度出發(fā)，分析了電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的主要噪聲源，探討了電動汽車空調(diào)系統(tǒng)噪聲評價的一般方法與常用的空調(diào)系統(tǒng)噪聲識別技術(shù)，結(jié)合具體電動車空調(diào)系統(tǒng)研發(fā)，給出了空調(diào)系統(tǒng)振動噪聲的改善案例。

1 電動汽車空調(diào)系統(tǒng)噪聲源分析

電動汽車空調(diào)系統(tǒng)主要由電動壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、冷凝風(fēng)機、鼓風(fēng)機、連接管路等部件組成?？照{(diào)系統(tǒng)運行時的噪聲源主要包括兩大類：1）風(fēng)機與風(fēng)道噪聲，主要是冷凝器風(fēng)機和空調(diào)箱鼓風(fēng)機工作過程中產(chǎn)生的風(fēng)噪，以及風(fēng)機振動與振動傳遞引起的機械結(jié)構(gòu)件振動噪聲；2）壓縮機振動噪聲，包括壓縮機工作時自身發(fā)出的輻射噪聲及壓縮機振動引起的結(jié)構(gòu)件振動產(chǎn)生的噪聲。

1.1 冷凝風(fēng)機噪聲

冷凝風(fēng)機噪聲包括氣流噪聲和機械結(jié)構(gòu)性噪聲。氣流噪聲主要由風(fēng)機葉片切割空氣以及高速氣流流經(jīng)結(jié)構(gòu)件時引起的空氣紊流產(chǎn)生。風(fēng)機葉片高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生周期性波動的氣體流動，氣體流動產(chǎn)生氣流噪聲；葉片切割氣流以及高速氣流遇到障礙物形成旋渦，產(chǎn)生湍流噪聲。氣流噪聲通常為寬頻噪聲，其噪聲值與風(fēng)機轉(zhuǎn)速正相關(guān)。

風(fēng)機運轉(zhuǎn)中如存在旋轉(zhuǎn)件動不平衡、軸承磨損、葉片剛性不足等，均會產(chǎn)生周期性不平衡力，導(dǎo)致風(fēng)機自身的結(jié)構(gòu)振動，產(chǎn)生機械結(jié)構(gòu)性噪聲。風(fēng)機振動通過連接部件傳遞給車架，引起車架相關(guān)零件的振動，帶來額外的結(jié)構(gòu)振動噪聲。冷凝風(fēng)機電機也會發(fā)出一定的電磁噪聲，但因電機功率小，電磁噪聲相較于其他聲源十分微弱，基本可以忽略。

冷凝風(fēng)機氣流噪聲通常與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、葉片形狀、葉片數(shù)量、扇葉直徑、風(fēng)扇罩形狀等有關(guān)。機械結(jié)構(gòu)性噪聲與電機轉(zhuǎn)子、葉片、軸承等運動件的平衡設(shè)計與加工質(zhì)量有關(guān)。冷凝風(fēng)機噪聲主要產(chǎn)生于車外，風(fēng)機結(jié)構(gòu)性振動至車內(nèi)的傳遞路徑較遠，對車內(nèi)噪聲影響較小。

1.2 鼓風(fēng)機與風(fēng)道噪聲

鼓風(fēng)機負責(zé)將流經(jīng)蒸發(fā)器的低溫氣體輸送至車內(nèi)，實現(xiàn)車內(nèi)降溫，鼓風(fēng)機和風(fēng)道是汽車空調(diào)箱的主要構(gòu)成部分。鼓風(fēng)機通過風(fēng)道與車內(nèi)直接連通，其噪聲可以直接被車內(nèi)乘客感知，相較于冷凝風(fēng)機，空調(diào)系統(tǒng)研發(fā)中對鼓風(fēng)機的振動噪聲要求更高。

汽車空調(diào)系統(tǒng)的鼓風(fēng)機多為離心風(fēng)機，其有1 個高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上的葉片帶動空氣高速旋轉(zhuǎn)，離心力使空氣在漸開形狀的機殼內(nèi)沿著葉片流向出口。鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速的變化造成氣體壓力的變化，風(fēng)機葉輪壓出氣流、空調(diào)箱流道內(nèi)氣體的渦流、進口氣流的紊流等都會產(chǎn)生噪聲。特別是氣體循環(huán)流動時，空調(diào)箱內(nèi)吹出來的氣流又通過進風(fēng)口送回空調(diào)箱，致使進氣噪聲增大。

當(dāng)氣流流經(jīng)空調(diào)箱風(fēng)道時，風(fēng)道內(nèi)的隔板、風(fēng)門、格柵，以及風(fēng)道橫截面的變大或變小等，均會增大氣體的湍流，產(chǎn)生氣體湍流聲。由于空調(diào)箱風(fēng)道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及調(diào)節(jié)氣流的風(fēng)門結(jié)構(gòu)種類繁多，氣流流經(jīng)風(fēng)道時產(chǎn)生的噪聲是空調(diào)系統(tǒng)重要的噪聲源之一[5-6]。此外，鼓風(fēng)機運轉(zhuǎn)同樣會產(chǎn)生一定的機械結(jié)構(gòu)性噪聲。

1.3 壓縮機振動與噪聲

壓縮機是制冷系統(tǒng)的動力源，也是最主要的噪聲源。一方面，壓縮機周期性地吸入、排出制冷劑，在壓縮機內(nèi)部及制冷回路中形成周期性的壓力脈動與管道振動；另一方面，壓縮機內(nèi)部電機轉(zhuǎn)子及其他旋轉(zhuǎn)部件的不平衡慣性力、閥片的啟閉拍擊、相對運動部件之間的摩擦等，使壓縮機自身產(chǎn)生較大的振動噪聲，同時壓縮機的振動和噪聲通過結(jié)構(gòu)連接件傳遞到車內(nèi)，影響駕乘人員的主觀感受。壓縮機振動噪聲及其傳遞路徑，如圖1 所示。

圖1 電動汽車空調(diào)系統(tǒng)壓縮機振動噪聲及傳遞路徑圖

2 電動汽車空調(diào)系統(tǒng)噪聲評價

汽車行駛中噪聲種類較多，包括胎噪、風(fēng)噪、電機電磁噪聲等，空調(diào)系統(tǒng)噪聲相對不明顯，而在汽車怠速時，胎噪、風(fēng)噪、動力電機噪聲基本消失，空調(diào)系統(tǒng)噪聲成為主要的噪聲源，因此汽車空調(diào)系統(tǒng)噪聲評測通常在怠速工況下進行，且以車內(nèi)噪聲為主、車外為輔。

2.1 怠速工況空調(diào)穩(wěn)定運行中的噪聲

怠速工況下車內(nèi)相對安靜，駕駛員及乘客對空調(diào)運行噪聲十分敏感[7]。試驗室測試及評價怠速工況空調(diào)系統(tǒng)噪聲時，通過設(shè)定壓縮機、冷凝風(fēng)機、鼓風(fēng)機等的轉(zhuǎn)速來測試空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運行時車內(nèi)、外噪聲。

為更好地測評風(fēng)機與壓縮機各自對車內(nèi)噪聲的影響，通常設(shè)定壓縮機在低轉(zhuǎn)速運行，調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機擋位，評價不同擋位下鼓風(fēng)機對車內(nèi)噪聲的影響；設(shè)定鼓風(fēng)機于最小風(fēng)量擋位，切換壓縮機轉(zhuǎn)速，評價不同轉(zhuǎn)速下壓縮機對車內(nèi)噪聲的影響。

車內(nèi)噪聲可以采用駕駛員位置A 計權(quán)聲壓級評價駕乘人員的聽覺體驗，限定最高許用值；用轉(zhuǎn)向盤與座椅的振動值，反映駕乘人員的振動體感。亦可對電動壓縮機全部轉(zhuǎn)速下的車內(nèi)振動噪聲進行掃描測試，識別共振轉(zhuǎn)速，優(yōu)選振動小和噪聲低的轉(zhuǎn)速，減少壓縮機對車內(nèi)振動噪聲的影響。

2.2 壓縮機啟動與停機過程中的噪聲

通?？照{(diào)壓縮機啟動和停機過程的振動噪聲比穩(wěn)定運行時大。壓縮機啟動和停機時間較短，通常在1 s或數(shù)秒鐘內(nèi)完成，其產(chǎn)生的噪聲屬于典型的非穩(wěn)態(tài)噪聲。對于非穩(wěn)態(tài)噪聲，通常測量隨時間變化的聲壓級，限定啟停過程中的最大聲壓級，避免啟動和停機過程中噪聲過大。

由于人耳對聲音的感知尤其是瞬態(tài)變化聲音的感知非常復(fù)雜，除了常用的聲壓級評價指標(biāo)外，也常引入聲品質(zhì)評價方法，主要包括聲品質(zhì)客觀參量分析與主觀評價?？陀^參量分析主要通過一組心理聲學(xué)參數(shù)來量化人對聲品質(zhì)的感受，常用的心理聲學(xué)參數(shù)有響度、尖銳度、抖動度、音調(diào)比等，采用心理聲學(xué)參數(shù)分析，可以定量地反映聽覺感受的差別；噪聲主觀評價是對聲信號進行主觀判斷與評價。在汽車空調(diào)系統(tǒng)噪聲評價中，最簡單的方法即為人員在現(xiàn)場測試聽聲，直接給出關(guān)于可接受程度的評價；對于非在線測評也可以采用數(shù)字人工頭對噪聲進行錄音，通過原聲回放對噪聲進行評價，達到與現(xiàn)場評價類似的效果。

3 電動汽車空調(diào)系統(tǒng)噪聲源識別技術(shù)

噪聲源識別主要是辨識重要噪聲源并對其特性加以測量，確定引起噪聲的主要原因和發(fā)出噪聲的主要部件。針對不同噪聲類別有不同的識別方法，電動汽車空調(diào)系統(tǒng)噪聲源識別中常用的方法分為3 類：1）簡易試驗方法，包括主觀判斷法、分離運行法等；2）噪聲信號處理技術(shù)，常用的包括頻譜分析法、階次分析法等；3）聲陣列技術(shù)，包括聲強測試技術(shù)、聲全息測試技術(shù)等。

3.1 簡易試驗方法

主觀判斷法，即通過個人主觀感知判斷噪聲的主要來源。它要求噪聲源識別者對于空調(diào)系統(tǒng)主要噪聲產(chǎn)生的原理有一定的了解，同時要有足夠的振動噪聲問題分析經(jīng)驗。主觀判斷法不能定量地給出噪聲源的貢獻大小，對于存在多個噪聲源的情況，辨識難度大，對辨識者的辨識能力要求高。

分離運行法，即依次讓部件獨立運行，通過聲學(xué)測量與計算，判定各部件對空調(diào)系統(tǒng)總體噪聲的貢獻程度。分離運行法需要進行系統(tǒng)的試驗設(shè)計，評估部件分離運行與一體運行時的差異。但此方法不適用于部件不能獨立運行、部件之間存在振動噪聲強耦合的情況。

3.2 噪聲信號處理技術(shù)

頻譜分析法，以時域信號的頻域特性分析為基礎(chǔ)，通過時/頻域轉(zhuǎn)換，在頻域內(nèi)獲得比時域更多、更豐富的噪聲特征信息。頻譜分析法包括自功率譜與互功率譜分析。自功率譜反映了噪聲信號的平均功率在各個頻率上的分布；互功率譜描述了2 個噪聲信號之間的關(guān)聯(lián)程度。

階次分析法，是針對周期性信號的倍頻特性提出的一種時頻分析方法。由于旋轉(zhuǎn)機械振動（如電動壓縮機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動、冷凝風(fēng)機葉片旋轉(zhuǎn)等）的周期性，使得它在振動噪聲信號分析中應(yīng)用廣泛。

3.3 聲陣列技術(shù)

聲陣列技術(shù)主要借助聲強測試、全息理論等，通過對離散空間點的噪聲測試來重構(gòu)網(wǎng)格面上的噪聲分布，達到識別主要噪聲部件的目的。其包括聲強測試技術(shù)、聲全息測試技術(shù)等。

基于聲強法的聲陣列技術(shù)是通過將整個聲源面劃分成由多個小塊構(gòu)成的網(wǎng)格，在各個網(wǎng)格節(jié)點上運用聲強探頭測量聲強值，經(jīng)過插值與理論推算，得到不同頻率下整個聲源面的聲壓分布云圖，進而幫助判斷發(fā)出噪聲的主要部位與相關(guān)零件。

聲全息測試技術(shù)重點關(guān)注2 個面：1）貼近噪聲源的重建面；2）噪聲測試采樣面。聲全息測量時，直接測量采樣面上各采樣點的聲波幅值與相位信息，然后利用聲場傳播理論推算重建面上的聲場分布。聲全息技術(shù)根據(jù)具體分析理論與適用場合的差異，分為常規(guī)聲全息、近場聲全息和遠場聲全息等。

4 空調(diào)系統(tǒng)噪聲改進與試驗

4.1 振動噪聲測量分析

在某電動車樣車階段，測試該車怠速工況下駕駛員位置噪聲與轉(zhuǎn)向盤振動，評估空調(diào)系統(tǒng)振動噪聲水平，發(fā)現(xiàn)空調(diào)壓縮機在某些轉(zhuǎn)速下車內(nèi)噪聲偏大，且主觀感覺轉(zhuǎn)向盤振動偏大、雙手緊握轉(zhuǎn)向盤時有輕微麻木感。振動噪聲測試數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 某電動車樣車振動噪聲測試參數(shù)表

由表1 可知，在壓縮機轉(zhuǎn)速為4 000 r/min 時車內(nèi)振動噪聲明顯偏大，初步懷疑原因為4 000 r/min 轉(zhuǎn)速附近壓縮機與車內(nèi)振動傳遞路徑上的部件共振，據(jù)此對壓縮機全部轉(zhuǎn)速下車內(nèi)振動噪聲進行掃描測試，得到車內(nèi)噪聲-壓縮機轉(zhuǎn)速特性曲線，如圖2 所示。

圖2 某電動樣車車內(nèi)振動噪聲-壓縮機轉(zhuǎn)速特性曲線圖

由圖2 可知，在4 200 r/min 處存在明顯的噪聲峰值，且通過監(jiān)測空調(diào)壓縮機至車內(nèi)振動傳遞路徑上各部件的振動，在轉(zhuǎn)速為4 200 r/min 時用于固定空調(diào)壓縮機的橫梁振動明顯，進而利用模態(tài)試驗確認該橫梁存在70 Hz 的固有頻率。

針對車內(nèi)轉(zhuǎn)向盤振動整體大的問題，利用頻譜分析法查看發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向盤主要振動大的頻率與壓縮機運行頻率相同，初步判定振動大的原因為壓縮機基頻振動向車內(nèi)的傳遞。轉(zhuǎn)向盤減振可從減小振源激勵和降低振動傳遞2 個方向入手，其中控制振動源是解決NVH 問題最直接、最根本的方法，傳遞路徑上相關(guān)部件較多、設(shè)計變更難度大，文章從降低壓縮機振動激勵著手，解決轉(zhuǎn)向盤振動偏大問題。

4.2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計改進

為了使壓縮機在常用的轉(zhuǎn)速頻率下避開其連接橫梁的固有頻率，設(shè)計了多種改進方案，以提高結(jié)構(gòu)連接強度，并利用結(jié)構(gòu)有限元仿真方法對改進方案進行模態(tài)分析，提升固有頻率。改進后的車內(nèi)噪聲-壓縮機轉(zhuǎn)速特性曲線，如圖3 所示。

圖3 改進后某電動車內(nèi)振動噪聲-壓縮機轉(zhuǎn)速特性曲線圖

在減小壓縮機振動激勵方面，主要進行了兩方面改進。1）優(yōu)化壓縮機配重，減小旋轉(zhuǎn)不平衡慣性力。壓縮機轉(zhuǎn)動部件高速旋轉(zhuǎn)過程中，不平衡慣性力是導(dǎo)致壓縮機基頻振動的重要原因，對于以旋轉(zhuǎn)運動為主的電動汽車空調(diào)壓縮機，優(yōu)化配重可以從設(shè)計源頭上減小不平衡慣性力激勵，降低振動。2）提高零件加工質(zhì)量，減少因加工造成的動不平衡，主要包括提高電機轉(zhuǎn)子沖片磨具的精度，提升轉(zhuǎn)子動平衡水平，優(yōu)化旋轉(zhuǎn)件的加工工藝，改用組合加工提高尺寸精度和位置精度，提高零件的一致性；減少零件加工中的裝夾次數(shù)，盡量一次裝夾，減少因零件加工導(dǎo)致的質(zhì)心位置波動。壓縮機改進后，各使用轉(zhuǎn)速擋位下轉(zhuǎn)向盤振動測試數(shù)據(jù)，如表2 所示。從表2 可以看出，車內(nèi)振動有了明顯的改善。

表2 某電動車壓縮機改進后振動測試參數(shù)表

5 結(jié)論

文章以電動汽車空調(diào)系統(tǒng)振動噪聲問題為研究對象，分別對風(fēng)機與風(fēng)道噪聲、壓縮機振動與噪聲的產(chǎn)生機理進行分析, 對于振動噪聲的評價方法進行了探討，得出：

1）解決傳遞路徑上的共振對于解決空調(diào)壓縮機的振動噪聲有較大貢獻；

2）減小振動源的激勵可以減小空調(diào)系統(tǒng)的振動噪聲，其中可以主要從解決壓縮機平衡配重、提高加工工藝及減小動不平衡的方向進行研究。