車用空調(diào)進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與進(jìn)風(fēng)噪音的改善

馬 馳

（上汽大眾有限公司，上海 201805）

1 概述

1.1 鼓風(fēng)機(jī)總成的定義

通常來說，一臺(tái)完整的乘用車空調(diào)必然擁有一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)總成以達(dá)到吸入外界空氣的作用。而鼓風(fēng)機(jī)總成在業(yè)界內(nèi)通常由以下幾個(gè)零部件所組成：鼓風(fēng)機(jī)馬達(dá)（電機(jī)），鼓風(fēng)機(jī)馬達(dá)支架，鼓風(fēng)機(jī)葉輪（多為離心式葉輪），鼓風(fēng)機(jī)蝸殼等。（如圖1所示）：

圖1 鼓風(fēng)機(jī)總成分解圖

其中，電機(jī)馬達(dá)是鼓風(fēng)機(jī)的動(dòng)力來源，也通常是空調(diào)噪音的主要來源之一，但本文主要討論進(jìn)風(fēng)風(fēng)噪，故在此不作詳細(xì)介紹。而馬達(dá)外殼支架則是固定馬達(dá)，并通常會(huì)帶有減振部件以降低馬達(dá)振動(dòng)所產(chǎn)生的噪音，同樣本文也不進(jìn)行討論。而葉輪以及蝸殼則組成了所謂的進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)，即為本文所展開討論及優(yōu)化的對(duì)象。

1.2 空調(diào)進(jìn)風(fēng)總成的定義

空調(diào)進(jìn)風(fēng)總成主要由：進(jìn)風(fēng)殼體、內(nèi)/外循環(huán)風(fēng)門、鼓風(fēng)機(jī)殼體、鼓風(fēng)機(jī)總成、過濾芯（選裝）等組成，如圖2所示。簡言之，氣流從進(jìn)風(fēng)口直到被甩出鼓風(fēng)機(jī)葉輪全程流經(jīng)進(jìn)風(fēng)總成的各主要零部件。

圖2 空調(diào)進(jìn)風(fēng)總成

該總成通過外循環(huán)風(fēng)或者內(nèi)循環(huán)風(fēng)的切換，在空調(diào)中起到切換進(jìn)風(fēng)來源的作用。特別是本文所研究的進(jìn)風(fēng)總成裝配了過濾芯，故進(jìn)風(fēng)狀況則更加復(fù)雜。

1.3 進(jìn)風(fēng)噪音的產(chǎn)生原理

鼓風(fēng)機(jī)葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，使得葉輪中間產(chǎn)生真空區(qū)，從而外界空氣被大氣壓擠壓進(jìn)葉輪，然后再通過蝸殼的漸開線結(jié)構(gòu)壓縮空氣的體積，使其產(chǎn)生一定的速度進(jìn)而“甩”出蝸殼?？諝膺M(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)總成的氣流組織形式如下圖3所示：

圖3 鼓風(fēng)機(jī)總成吸風(fēng)簡圖

在空氣壓縮并加速的過程中，如果鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持一個(gè)恒定狀態(tài)，則吸入的風(fēng)量將為恒定，則此時(shí)由于風(fēng)速的不同，空氣在蝸殼的空腔內(nèi)通常由于以下三種原因而產(chǎn)生各類噪音。

（1）由于空腔截面積過大而放大氣流所產(chǎn)生的噪音；

（2）由于空腔內(nèi)結(jié)構(gòu)不合理而造成氣流出現(xiàn)局部漩渦而生產(chǎn)的噪音；

（3）由于空腔截面積過小而使得風(fēng)速過快，產(chǎn)生較大的風(fēng)噪。

1.4 空調(diào)噪音實(shí)驗(yàn)及進(jìn)風(fēng)噪音的評(píng)價(jià)

對(duì)空調(diào)的噪音評(píng)價(jià)除了測試整體產(chǎn)生的聲強(qiáng)等級(jí)（即由進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)以及鼓風(fēng)機(jī)馬達(dá)的電磁噪音所組成的綜合聲強(qiáng)，單位為dB(A)），同時(shí)也會(huì)對(duì)各種類型的階次噪音（注：在旋轉(zhuǎn)和往復(fù)式機(jī)械中，載荷的變動(dòng)和運(yùn)動(dòng)部件的缺陷會(huì)引起振動(dòng)，并相應(yīng)的輻射噪聲。）進(jìn)行掃頻分析，以確定整個(gè)空調(diào)總成中因結(jié)構(gòu)缺陷所產(chǎn)生的噪音來源。而一般來說，各階次噪音只要不大于 [總成噪音-10dB(A)]的范圍，則該類型的噪音便不能被人耳所識(shí)別。

圖4 掃頻階次噪音實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖（改善前）

例如圖四所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，紅色方框內(nèi)超出臨界噪音范圍的階次噪音，在中低轉(zhuǎn)速區(qū)域可能會(huì)被人耳所辨識(shí)，對(duì)乘客舒適度產(chǎn)生影響。本文中所討論的進(jìn)風(fēng)噪音主要針對(duì)43階次噪音展開分析。

1.5 空調(diào)內(nèi)階次噪音的其他評(píng)價(jià)方式

除了上節(jié)中所介紹的掃頻實(shí)驗(yàn)方法以外，通常還會(huì)通過“坎貝爾”圖來標(biāo)示階次噪音，如圖5所示：

圖5 “坎貝爾”圖（改善前）

所謂“坎貝爾”圖，即是鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，而圖中各區(qū)域內(nèi)的亮度即代表振動(dòng)強(qiáng)度。故高亮的區(qū)域內(nèi)即為異常的振動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，圖五方框中的亮線即表示為該階次下（即同倍頻下）有較為明顯的振動(dòng)，而這樣的共振便會(huì)產(chǎn)生明顯的、可辨識(shí)的噪音或者異響。

因此，通過“坎貝爾”圖，可以較為明顯的體現(xiàn)出階次噪音，并通過對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率，可以較為快速地篩選并找到對(duì)應(yīng)的共振零件，從而進(jìn)行有針對(duì)性的改善。

2 問題的發(fā)現(xiàn)及設(shè)計(jì)改善

2.1 噪音實(shí)驗(yàn)

車用空調(diào)總成的噪音實(shí)驗(yàn)需在全消音室內(nèi)進(jìn)行，其工況如表1所示：

表1 噪音實(shí)驗(yàn)工況條件

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)工況得出上文所示圖四，從曲線明顯看出，43階次噪音在中低轉(zhuǎn)速的區(qū)域（紅色方框區(qū)域）內(nèi)有明顯的尖峰（藍(lán)色突起部分），并且很容易被人耳所感知，整車的舒適度也會(huì)因此而降低。而圖五“坎貝爾”圖的測試結(jié)果也可以看到，43階次噪音在圖中呈現(xiàn)為高亮連續(xù)的曲線，即表明在43階次的倍頻率段內(nèi)有明顯的空氣振動(dòng)，此類振動(dòng)所導(dǎo)致的異響或聲音將會(huì)比較明顯。由于該檢測到的43階次噪音為進(jìn)風(fēng)噪音，其聲強(qiáng)也會(huì)隨著進(jìn)風(fēng)風(fēng)量的增加而增大。因此，在車速較快的行車工況下，43階次噪音會(huì)影響乘客的舒適度。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知，影響進(jìn)風(fēng)噪音的主要因素為進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)，諸如進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口之間的角度、過濾芯與鼓風(fēng)機(jī)葉輪間距等。由于受到整車環(huán)境的限制，進(jìn)風(fēng)口以及過濾芯位置通常是無法改變的。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中往往通過調(diào)整葉輪與蝸殼之間的結(jié)構(gòu)來優(yōu)化進(jìn)風(fēng)狀態(tài)。

圖6 原空調(diào)進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)截面圖

分析空調(diào)的進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)可知，如圖六所示為了將導(dǎo)風(fēng)環(huán)的環(huán)面朝葉輪方向做適當(dāng)?shù)纳钊?，以便氣流能夠盡可能的沿著預(yù)設(shè)定方向進(jìn)入葉輪的漸開線面，所以在鼓風(fēng)機(jī)葉片頂端面設(shè)計(jì)了一個(gè)較大的斜角，進(jìn)而滿足鼓風(fēng)機(jī)的性能要求。但是為了避免葉片與導(dǎo)風(fēng)環(huán)的碰擦風(fēng)險(xiǎn)，從設(shè)計(jì)上必須在導(dǎo)風(fēng)環(huán)與葉片間預(yù)設(shè)一個(gè)較大的間隙。然而在鼓風(fēng)機(jī)中低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于無法產(chǎn)生足夠的負(fù)壓，導(dǎo)致部分進(jìn)風(fēng)沿葉片端面與導(dǎo)風(fēng)環(huán)的間隙散逸，從而造成中低轉(zhuǎn)速時(shí)的階次噪音（中低頻率段）。

2.3 CFD模擬分析

進(jìn)一步通過對(duì)進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的 CFD分析得出風(fēng)速異常的區(qū)域，從而提出有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。其中模擬參數(shù)設(shè)定同實(shí)驗(yàn)工況保持一致（見表1），以此確保模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)之間的可比性。經(jīng)過計(jì)算機(jī)模擬分析后，其結(jié)果如圖7所示：

圖7 進(jìn)風(fēng)殼體總成CFD模擬結(jié)果（改善前）

從上圖中可以看出，靠近葉輪與殼體之間的部分顯示為紅色，意味著在該區(qū)域中風(fēng)速很高。而過高的風(fēng)速便容易產(chǎn)生過高的風(fēng)噪，這就是43階次噪音產(chǎn)生的一個(gè)重要原因。

2.4 結(jié)構(gòu)的改善

通過結(jié)構(gòu)分析可知，為了避免葉輪頂端與導(dǎo)風(fēng)環(huán)之間的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速過高，必須增加該處的阻力，使進(jìn)風(fēng)氣流能夠沿著預(yù)定的流動(dòng)軌道進(jìn)入葉輪，同時(shí)適當(dāng)增大進(jìn)風(fēng)截面積，以保證在相同進(jìn)風(fēng)風(fēng)量的情況下得到較低的風(fēng)速。優(yōu)化后的進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)（導(dǎo)風(fēng)環(huán)和葉片）如圖8所示：

圖8 空調(diào)進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)截面圖（改善后）

優(yōu)化后的新結(jié)構(gòu)將葉輪頂部的斜角改為了直角內(nèi)陷結(jié)構(gòu)，并且在減小了導(dǎo)風(fēng)環(huán)倒角的同時(shí)又增加了其長度，使葉片頂端與導(dǎo)風(fēng)環(huán)間的通風(fēng)截面積相應(yīng)增大，且增加了此處的阻力。另一方面在葉輪外側(cè)增加防散逸環(huán)，使該部分的阻力進(jìn)一步增加，從而更有效的減少進(jìn)風(fēng)散逸性。

2.5 新結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

對(duì)改善后的進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)在相同工況條件下再次進(jìn)行 CFD分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 進(jìn)風(fēng)殼體總成CFD模擬結(jié)果（改善后）

從CFD結(jié)果分析可知，鼓風(fēng)機(jī)葉片與蝸殼的間隙處風(fēng)速已得到了明顯降低，意味著優(yōu)化方案有效。再對(duì)新結(jié)構(gòu)的快速樣件進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖10所示，可見在鼓風(fēng)機(jī)中低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，43階次噪音得到了有效的抑制，并且在全程轉(zhuǎn)速下，43階次噪音均未超過臨界值。

圖10 掃頻階次噪音實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖（改善后）

再通過下圖11的“坎貝爾”圖掃頻結(jié)果來看，原先高轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)，低頻段中43階次噪音的高亮曲線已經(jīng)消失，這就說明該階次下的聲響已不被人耳所辨認(rèn)了。

圖12 “坎貝爾”掃頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果（改善后）

綜合分析CFD結(jié)果及兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表明該進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案有效可行。

3 結(jié)語

從新老進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的對(duì)比可以看出，減少進(jìn)風(fēng)噪音的主要途徑是抑制葉輪頂端與蝸殼殼體上部的進(jìn)風(fēng)散逸，即增加該處的阻力，同時(shí)在有限的邊界條件下盡可能地增加通風(fēng)截面積，從而有效降低進(jìn)風(fēng)散逸噪音。

本文通過對(duì)原結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)分析，CFD模擬，數(shù)模改進(jìn)，制作快速成型樣件，再實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)等循序漸進(jìn)的優(yōu)化方法，一步步地發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，改善問題，再驗(yàn)證方案。

通過本文的研究和總結(jié)而知，在設(shè)計(jì)開發(fā)初期應(yīng)注意進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)進(jìn)風(fēng)逸散橫截面大小的處理，從而在設(shè)計(jì)階段盡可能的消除產(chǎn)生進(jìn)風(fēng)噪音的根源。同時(shí)在項(xiàng)目初期輔以CFD的流場分析方法，找出氣流的高速區(qū)域和振動(dòng)區(qū)域，從而有助于結(jié)構(gòu)的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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