某車型空調(diào)風(fēng)管振動(dòng)問(wèn)題試驗(yàn)研究與優(yōu)化

李 智，龍書成，付玉樂(lè)，常文瑞，黃 毅

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州511434）

0 引言

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)汽車各類振動(dòng)越來(lái)越關(guān)注，對(duì)汽車的駕駛及乘坐體驗(yàn)要求越來(lái)越高。汽車暖通空調(diào)系統(tǒng)也是汽車振動(dòng)噪聲的重要來(lái)源，HVAC（Heating，Ventilation and Air Conditioning）系統(tǒng)帶來(lái)的振動(dòng)噪聲日益被重視。當(dāng)前對(duì)HVAC系統(tǒng)振動(dòng)噪聲問(wèn)題的研究，主要集中在風(fēng)管氣動(dòng)噪聲分析與控制、鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)和噪聲控制、制冷劑流動(dòng)音等方面［1-5］，對(duì)風(fēng)管系統(tǒng)振動(dòng)方面的研究相對(duì)較少。吹腳風(fēng)管振動(dòng)過(guò)大，會(huì)使駕駛員及副駕乘客腳底發(fā)麻，影響乘坐舒適性甚至行車安全。宋魯濤等［6］借助CFD手段對(duì)吹腳風(fēng)管流場(chǎng)進(jìn)行分析，通過(guò)改善氣流走向，優(yōu)化了吹腳風(fēng)管振動(dòng)問(wèn)題。本文作者針對(duì)某車型吹腳模式地板振動(dòng)大的問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)手段，分析鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)、傳遞路徑振動(dòng)以及吹腳風(fēng)管自身振動(dòng)和頻響函數(shù)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題原因是風(fēng)管剛度不足導(dǎo)致局部模態(tài)被激起產(chǎn)生共振，通過(guò)優(yōu)化風(fēng)管結(jié)構(gòu)，提高了風(fēng)管剛度，最終將問(wèn)題解決。

1 問(wèn)題描述

某車型開發(fā)過(guò)程中，空調(diào)系統(tǒng)吹腳模式鼓風(fēng)機(jī)2擋以上風(fēng)量時(shí)主駕和副駕腳底有較明顯的發(fā)麻感，鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量越大，發(fā)麻感越強(qiáng)烈。關(guān)閉A／C，或關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，現(xiàn)象依然存在，因此，該問(wèn)題與發(fā)動(dòng)機(jī)及壓縮機(jī)是否工作無(wú)關(guān)，主要由HVAC系統(tǒng)引起。

2 原因分析

拆開前排地毯，發(fā)現(xiàn)后排吹腳風(fēng)管的末段放置于前排地毯下方的地板上，出風(fēng)口在前排座椅底下。鼓風(fēng)機(jī)2擋以上風(fēng)量時(shí)，吹腳風(fēng)管和地板振動(dòng)都較大，此時(shí)將風(fēng)管從地板拿開，地板振動(dòng)消失，風(fēng)管振動(dòng)依舊大。因此判斷，吹腳模式前排腳底發(fā)麻，原因是后排吹腳風(fēng)管振動(dòng)大，振動(dòng)傳遞至地毯。

2.1 吹腳風(fēng)管振動(dòng)測(cè)試

為分析吹腳風(fēng)管振動(dòng)大的原因，先對(duì)風(fēng)管振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。選取副駕吹腳風(fēng)管上表面作為振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn) （圖1），鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量分別從1擋調(diào)節(jié)至7擋 （最高7擋），振動(dòng)頻譜如圖2所示。

從風(fēng)管的振動(dòng)加速度頻譜可以看出：隨著鼓風(fēng)機(jī)擋位增大，風(fēng)管振動(dòng)幅值變大，從2擋開始，振動(dòng)幅值突變明顯，1擋最大振動(dòng)幅值為0.07 m／s2，2擋為0.28 m／s2，增大了4倍，與主觀感受相符。盡管風(fēng)管振動(dòng)幅值隨鼓風(fēng)機(jī)擋位增大，但振動(dòng)的主要頻率并未發(fā)生變化，兩個(gè)主要峰值的頻率始終為55 Hz與 100 Hz。

圖1 風(fēng)管振動(dòng)測(cè)點(diǎn) （副駕）

圖2 鼓風(fēng)機(jī)各擋位吹腳風(fēng)管振動(dòng)頻譜

2.2 問(wèn)題分析

NVH問(wèn)題一般從激勵(lì)源-傳遞路徑-響應(yīng)三方面依次排查。結(jié)構(gòu)上，吹腳風(fēng)管放置在地板，與地毯直接接觸，另一端則通過(guò)暖通箱上伸出的一段過(guò)渡風(fēng)管與暖通箱連接，暖通箱再連接到鼓風(fēng)機(jī)，結(jié)構(gòu)見圖3。鼓風(fēng)機(jī)是整個(gè)吹腳風(fēng)管系統(tǒng)上的激勵(lì)源，暖通箱及過(guò)渡風(fēng)管則是傳遞路徑。

圖3 吹腳風(fēng)管及暖通箱結(jié)構(gòu)

針對(duì)吹腳風(fēng)管系統(tǒng)的上述振動(dòng)傳遞特征，測(cè)試鼓風(fēng)機(jī)殼體和過(guò)渡風(fēng)管振動(dòng)。由于問(wèn)題現(xiàn)象為鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量越大，吹腳風(fēng)管振動(dòng)幅值越大，因此選取現(xiàn)象最明顯的7擋風(fēng)量作分析工況。7擋風(fēng)量時(shí)，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)結(jié)果如圖4所示。

圖4 吹腳風(fēng)管振動(dòng)頻譜與鼓風(fēng)機(jī)、過(guò)渡風(fēng)管振動(dòng)頻譜對(duì)比

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，吹腳風(fēng)管的振動(dòng)頻譜與鼓風(fēng)機(jī)及過(guò)渡風(fēng)管的振動(dòng)頻譜相差較大。吹腳風(fēng)管的振動(dòng)幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鼓風(fēng)機(jī)及過(guò)渡風(fēng)管振動(dòng)幅值，在吹腳風(fēng)管的問(wèn)題頻率55 Hz和100 Hz處，鼓風(fēng)機(jī)及過(guò)渡風(fēng)管上振動(dòng)頻譜并沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。由此判斷，吹腳風(fēng)管振動(dòng)并非從鼓風(fēng)機(jī)-過(guò)渡風(fēng)管傳遞，極有可能是其自身結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致。

2.3 吹腳風(fēng)管頻響測(cè)試

為了更直接確定問(wèn)題原因，運(yùn)用測(cè)試手段調(diào)查風(fēng)管結(jié)構(gòu)特性。整車約束狀態(tài)下，測(cè)試吹腳風(fēng)管上表面的原點(diǎn)頻響函數(shù)，頻率響應(yīng)可以表征結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，是系統(tǒng)的固有屬性，測(cè)試結(jié)果如圖5曲線2所示。

圖5 風(fēng)管頻響

從測(cè)試結(jié)果可以看出：風(fēng)管頻響曲線上55 Hz和100 Hz處有2個(gè)明顯峰值，與風(fēng)管振動(dòng)峰值頻率吻合。進(jìn)一步確定了問(wèn)題是由于風(fēng)管剛度不足，存在局部模態(tài)，風(fēng)管在氣流激勵(lì)下，局部共振，導(dǎo)致腳底板發(fā)麻感。

3 優(yōu)化方案制定及實(shí)施

3.1 優(yōu)化方案

風(fēng)管的頻響特性取決于風(fēng)管的形狀、材料及安裝狀態(tài)。風(fēng)管形狀受布置空間約束，樣車調(diào)校階段，由于周邊零件已設(shè)計(jì)完成，風(fēng)管布置空間及安裝位置已定，風(fēng)管形狀的可調(diào)整空間一般較小；風(fēng)管壁厚增加，可在一定程度上降低風(fēng)管頻率響應(yīng)幅值，但質(zhì)量及成本會(huì)隨之增加。最終結(jié)合現(xiàn)有風(fēng)管結(jié)構(gòu)形狀，盡可能改動(dòng)小的前提下，將風(fēng)管上下表面用加強(qiáng)筋連接，如圖6所示。連接后，測(cè)試頻響如圖5中曲線1所示。

圖6 風(fēng)管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

從圖5可以看出：風(fēng)管上下表面用加強(qiáng)筋連接后，頻響測(cè)試結(jié)果的峰值頻率有變化，幅值降低明顯，表明風(fēng)管在單位力激勵(lì)下的響應(yīng)變小，風(fēng)管結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng)，剛度提升。

3.2 優(yōu)化方案效果驗(yàn)證

樣件裝車驗(yàn)證，測(cè)試鼓風(fēng)機(jī)各風(fēng)量擋位風(fēng)管振動(dòng)頻譜，結(jié)果見圖7。與圖1對(duì)比，最高擋7擋的最大振動(dòng)幅值從1.0 m／s2左右降低至0.35 m／s2左右。進(jìn)一步計(jì)算各風(fēng)量擋位下風(fēng)管優(yōu)化前后的振動(dòng)總值，如表1所示。

圖7 風(fēng)管結(jié)構(gòu)優(yōu)化后振動(dòng)頻譜

表1 風(fēng)管優(yōu)化前后振動(dòng)總值 （0～200 Hz）

風(fēng)管結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，各風(fēng)量擋位工況下，風(fēng)管振動(dòng)總值均降低60%以上，主觀評(píng)價(jià)腳底振動(dòng)改善明顯，可以接受，問(wèn)題解決。

4 總結(jié)

對(duì)某車型空調(diào)系統(tǒng)吹腳模式2擋以上風(fēng)量地板振動(dòng)大的問(wèn)題進(jìn)行研究：

（1）通過(guò)關(guān)閉壓縮機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)，使鼓風(fēng)機(jī)單獨(dú)工作，判斷地板振動(dòng)由HVAC系統(tǒng)引起。將吹腳風(fēng)管脫離地板，結(jié)合主觀評(píng)價(jià)，鎖定振動(dòng)來(lái)自吹腳風(fēng)管。

（2）從激勵(lì)源-傳遞路徑上對(duì)吹腳風(fēng)管振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試排查，并測(cè)試吹腳風(fēng)管頻率響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)并非從鼓風(fēng)機(jī)傳遞過(guò)來(lái)，而是風(fēng)管自身結(jié)構(gòu)剛度較弱，在氣流激勵(lì)下，吹腳產(chǎn)生共振。

（3）對(duì)吹腳風(fēng)管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使吹腳風(fēng)管剛度大幅提升，振動(dòng)改善明顯。并且，風(fēng)管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化僅通過(guò)優(yōu)化加強(qiáng)筋深度實(shí)現(xiàn)，未改變風(fēng)管主體結(jié)構(gòu)及走向，易于實(shí)現(xiàn)，成本低，有利于問(wèn)題快速解決。