某純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)噪聲分析與優(yōu)化

劉小華，黃偉，莫崇衛(wèi)，蔣帥，戴勇，王元林

(湖南獵豹汽車股份有限公司，湖南長沙 410100)

0 引言

純電動汽車?yán)萌娤到y(tǒng)取代傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機燃油系統(tǒng)等相關(guān)動力單元，發(fā)動機、進排氣系統(tǒng)的消失使得汽車整體噪聲水平大大降低，空調(diào)系統(tǒng)的噪聲問題隨之更加凸顯。同時，由于其布置位置距離駕乘人員較近，噪聲異響會直接影響人們的駕乘體驗。所以空調(diào)系統(tǒng)的噪聲問題研究具有重要意義。面對汽車空調(diào)噪聲問題，同濟大學(xué)黃鎖成等[1]、重慶大學(xué)盧喜和楊誠[2]、合肥工業(yè)大學(xué)涂志健和陸益民[3]、吉林大學(xué)史文庫等[4]、廣汽集團鄭淳允[5]針對壓縮機開展了大量工作，顧燦松等[6]、李猛等人[7]針對空調(diào)管路噪聲進行研究，同濟大學(xué)李啟良等[8]針對空調(diào)系統(tǒng)的氣動噪聲利用CFD仿真手段取得了較好的效果。但是少有學(xué)者從空調(diào)系統(tǒng)實車NVH表現(xiàn)，結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)工作原理，主觀評價和客觀測試相結(jié)合，進行空調(diào)系統(tǒng)的NVH問題整改。

本文作者針對在整車NVH主觀評價中，空調(diào)系統(tǒng)存在明顯的嘯叫及“吱吱”異響，嚴(yán)重影響實車駕乘體驗的問題，通過主觀噪聲識別，確認空調(diào)系統(tǒng)在壓縮機不工作，尤其1、4擋風(fēng)量下噪聲特征較明顯；基于空調(diào)系統(tǒng)工作原理和噪聲機制分析，結(jié)合特定工況(AC OFF、吹面、內(nèi)循環(huán)狀態(tài))，1、4擋風(fēng)量下的振動噪聲客觀測試數(shù)據(jù)分析，從噪聲源、噪聲傳遞路徑兩個方面入手，對鼓風(fēng)機和空調(diào)風(fēng)道進行優(yōu)化，成功降低空調(diào)系統(tǒng)噪聲，主觀評價改進后噪聲可接受，有效提升了實車的NVH表現(xiàn)。

1 空調(diào)系統(tǒng)工作原理和噪聲機制分析

空調(diào)系統(tǒng)是汽車重要系統(tǒng)之一，具有采暖、制冷、除霜、除霧、空氣調(diào)節(jié)、溫濕度自動控制等功能?？照{(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機、冷凝器、散熱器、冷卻風(fēng)扇、鼓風(fēng)機、風(fēng)道、膨脹閥、相關(guān)管路附件和傳感器等組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

空調(diào)系統(tǒng)利用內(nèi)、外循環(huán)選擇進氣來源，吹面、吹腳、吹玻璃切換出氣吹風(fēng)位置，風(fēng)量調(diào)節(jié)旋鈕控制鼓風(fēng)機來調(diào)節(jié)風(fēng)量大小。通過按鈕AC ON/AC OFF調(diào)節(jié)壓縮機來決定是否制冷。通過PTC按鈕調(diào)節(jié)來決定是否制熱。

空調(diào)系統(tǒng)噪聲主要來源于壓縮機、鼓風(fēng)機、風(fēng)道、冷卻風(fēng)扇等主要部件，其噪聲主要可分為電機噪聲、機械噪聲、氣流噪聲與異響。電機噪聲主要來源于鼓風(fēng)機、壓縮機，機械噪聲來源于各運動機械部件，氣流噪聲則主要來源于空調(diào)風(fēng)道。噪聲產(chǎn)生的機制如下。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.1 電機噪聲

電機噪聲主要包括電磁噪聲和滑動、摩擦引起的機械噪聲。電磁噪聲是繞組的電磁力作用在定、轉(zhuǎn)子的氣隙中產(chǎn)生的徑向和切向的電磁力，使定子發(fā)生振動而輻射噪聲，該噪聲主要與電磁力幅值、頻率、極對數(shù)以及定子結(jié)構(gòu)固有頻率相關(guān)。而機械噪聲則與機械結(jié)構(gòu)、制造、裝配工藝相關(guān)。

對電磁噪聲而言，根據(jù)麥克斯韋張量法可計算作用于定子結(jié)構(gòu)的徑向電磁激振力密度fr和切向電磁激振力密度ft，可表示為

(1)

(2)

式中：bn、bt分別為氣隙磁通密度的徑向和切向分量；u0為真空磁導(dǎo)率。定、轉(zhuǎn)子磁通密度相互作用產(chǎn)生的電磁力波階次r和對應(yīng)的頻率fr為

r=μi+λj=2p(3m+n+1)

(3)

r=μi-λj=2p(3m-n)

(4)

fr=(1±u)f

(5)

式中：p為電機極對數(shù)，文中鼓風(fēng)機電機為2對極，系數(shù)m=±1,±2,±3，......，系數(shù)n=1,2,3，......；fr為力波激振頻率，f為電源頻率。綜合式(1)—(5)，可知電磁噪聲的階次為2p及其整數(shù)倍，即鼓風(fēng)機電機電磁噪聲階次為4、8、12、16、......

1.2 機械噪聲

機械噪聲是旋轉(zhuǎn)機械引起的系統(tǒng)不平衡產(chǎn)生的振動和噪聲，其頻率應(yīng)是轉(zhuǎn)動系統(tǒng)基頻的整數(shù)倍，即有

fn=nf0=nN/60

(6)

式(6)中：fn為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的振動和噪聲頻率；f0為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率；N為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。此外，鼓風(fēng)機也會產(chǎn)生電機碳刷、氣門等運動件噪聲。

1.3 氣流噪聲

氣流的起伏運動或氣動力會產(chǎn)生氣流噪聲，常見的氣流噪聲有噴氣噪聲、邊棱聲、卡門渦旋聲、受激渦旋聲、螺旋槳噪聲、風(fēng)扇噪聲等。對空調(diào)系統(tǒng)而言，外界空氣在鼓風(fēng)機作用下進入HVAC空腔，然后通過蒸發(fā)器、暖風(fēng)器及風(fēng)道后從空調(diào)出風(fēng)口進入車內(nèi)，從而實現(xiàn)制冷、采暖、過濾等功能。在氣流流動過程中，產(chǎn)生的氣流噪聲主要為風(fēng)扇噪聲和氣流噪聲。

風(fēng)扇噪聲是風(fēng)扇葉片相對于氣流運動、給氣流以力的作用而輻射的噪聲。風(fēng)扇葉片的運動是螺旋的周期運動，噪聲場也繞風(fēng)扇葉片軸線旋轉(zhuǎn)，輻射噪聲具有明顯的離散頻譜，其基頻為

(7)

式(7)中：f為輻射噪聲基頻；B為葉片數(shù)目；ω為旋轉(zhuǎn)角速度或者圓頻率。此外，輻射噪聲還與迎面氣流是否按空間均勻分布有關(guān)。

氣流噪聲是由于空氣在風(fēng)道中產(chǎn)生紊流引起的高頻噪聲，同時高速氣體壓力變化導(dǎo)致管道振動，增大空氣噪聲。其主要影響因素為流道的結(jié)構(gòu)、流速、壓力等。

綜上所述，文中所研究的工況(AC OFF、吹面、內(nèi)循環(huán)狀態(tài))下，壓縮機不工作，噪聲主要由鼓風(fēng)機和風(fēng)道產(chǎn)生。

2 空調(diào)系統(tǒng)的噪聲測試與分析

利用LMS測試設(shè)備在半消聲室內(nèi)進行空調(diào)系統(tǒng)振動噪聲客觀測試，在AC OFF、吹面、內(nèi)循環(huán)工況下1、4擋風(fēng)量進行振動噪聲試驗，并采集相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)，主駕內(nèi)耳噪聲測點麥克風(fēng)布置見圖2(a)，鼓風(fēng)機上振動傳感器布置見圖2(b)，1擋和4擋風(fēng)量下的測試結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

從圖3(a)可以看出：386 Hz處有較明顯的聲壓高亮區(qū)域，通過對測試結(jié)果濾頻后，主觀特征識別為鼓風(fēng)機電機的嘯叫噪聲；在775 Hz處的噪聲，通過特征識別判定為鼓風(fēng)機電機碳刷異響。圖3(b)中1擋風(fēng)量下測試的振動加速度、噪聲聲壓級數(shù)據(jù)在386 Hz處均出現(xiàn)最大峰值，分別為0.058g和34 dB(A)。通過鼓風(fēng)機殼體上的振動數(shù)據(jù)分析，1擋風(fēng)量下鼓風(fēng)機電機轉(zhuǎn)動頻率為16.02 Hz。因此，386 Hz處嘯叫噪聲為鼓風(fēng)機電機的24階噪聲。

圖2 空調(diào)系統(tǒng)噪聲測試測點布置圖

圖3 1擋風(fēng)量下的測試結(jié)果

圖4 4擋風(fēng)量下的測試結(jié)果

從空調(diào)系統(tǒng)4擋風(fēng)量的噪聲瀑布圖可知：在167.85～281.65 Hz頻率范圍內(nèi)有明顯高亮聲壓帶，對測試數(shù)據(jù)進行濾頻處理，主觀特征識別確認為風(fēng)道噪聲；在404 Hz處的聲壓高亮區(qū)域，主觀表現(xiàn)為電機嘯叫噪聲；在1 110 Hz處的噪聲主觀表現(xiàn)為碳刷異響。圖4(b)的振動加速度、噪聲聲壓級測試數(shù)據(jù)在404 Hz處出現(xiàn)峰值，分別為0.28g和54 dB(A)。而4擋風(fēng)量下鼓風(fēng)機電機的旋轉(zhuǎn)頻率為33.84 Hz，可知404 Hz處嘯叫噪聲為鼓風(fēng)機電機的12階噪聲。

所以，當(dāng)前狀態(tài)下空調(diào)系統(tǒng)噪聲主要由鼓風(fēng)機電機的階次噪聲、碳刷異響和風(fēng)道噪聲構(gòu)成。

3 空調(diào)系統(tǒng)的噪聲優(yōu)化與驗證

3.1 鼓風(fēng)機電機優(yōu)化

根據(jù)噪聲測試結(jié)果，鼓風(fēng)機電機存在電磁階次噪聲和碳刷異響。其聲音傳遞的路徑為電機定轉(zhuǎn)子磁場→鼓風(fēng)機殼體→車內(nèi)聲腔→人耳。從定轉(zhuǎn)子間磁場來改善電磁階次噪聲，對電機定轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)控制和裝配精度有較高要求，且較難實現(xiàn)。綜合考慮方案可行性及項目周期等因素，從鼓風(fēng)機殼體進行噪聲優(yōu)化。通過提升鼓風(fēng)機殼體的剛度和模態(tài)，減小振動幅值從而降低噪聲。在鼓風(fēng)機殼體后端蓋上增加加強筋的數(shù)量和類型，提升殼體的整體剛度，優(yōu)化前、后的結(jié)構(gòu)方案如圖5所示。

圖5 鼓風(fēng)機殼體原始方案與優(yōu)化方案

針對電機碳刷異響，進行直流有刷電機結(jié)構(gòu)分析。直流有刷電機基本結(jié)構(gòu)如圖6所示，初步確認噪聲源為碳刷與換向器間摩擦產(chǎn)生。對電機結(jié)構(gòu)進行拆解，發(fā)現(xiàn)碳刷彈簧壓力偏小導(dǎo)致配合間隙偏大，同時安裝角度不當(dāng)導(dǎo)致偏磨?？紤]碳刷壽命，最終實施方案為增加碳刷彈簧壓力值并調(diào)節(jié)碳刷安裝角度。

圖6 直流有刷電機基本結(jié)構(gòu)示意

綜合應(yīng)用鼓風(fēng)機殼體優(yōu)化方案和電機碳刷優(yōu)化方案，開展整車噪聲客觀測試。優(yōu)化后噪聲結(jié)果如圖7所示。

從圖7(a)可知：386 Hz處的鼓風(fēng)機電機24階噪聲的優(yōu)化效果明顯，優(yōu)化后離散為312～506 Hz的頻率帶，噪聲峰值下降明顯，主觀識別嘯叫噪聲基本消除；同時在775 Hz處的碳刷異響也得到明顯改善。從圖7(b)可看出：在404 Hz處聲壓高亮區(qū)明顯減少，可知鼓風(fēng)機電機12階噪聲改善效果明顯，同時1 110 Hz處電機碳刷異響也得到改善。

圖7 鼓風(fēng)機優(yōu)化后噪聲

3.2 風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

空調(diào)風(fēng)道局部氣流阻力增大或紊流是流道嘯叫噪聲產(chǎn)生的主要原因，可通過CFD仿真技術(shù)進行噪聲改善[8]。通過HyperMesh和STAR前處理軟件對吹面風(fēng)道壁面和流體進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型采用六面體和棱柱體。根據(jù)進風(fēng)量要求，設(shè)置入口邊界為400 m3/h，建立的空調(diào)風(fēng)道有限元模型如圖8所示。運用STAR CCM+計算流體動力學(xué)軟件進行分析，得到風(fēng)道壓力和流速分布云圖見圖9。

圖8 空調(diào)風(fēng)道有限元模型

圖9 空調(diào)風(fēng)道CFD分析結(jié)果

從圖9(a)中可發(fā)現(xiàn)風(fēng)道彎折處壓力最大值為300 Pa，該處壓力變化較大且壓力損失較大，結(jié)合圖9(b)可發(fā)現(xiàn)該處風(fēng)速達到22.54 m/s，存在局部渦流，高速渦流氣體會產(chǎn)生嘯叫噪聲，主要由于空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)兩側(cè)風(fēng)道的圓角過渡半徑較小。針對分析結(jié)果進行風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化：加大風(fēng)道圓角過渡。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖10所示，重新進行空調(diào)風(fēng)道CFD仿真，結(jié)果如圖11所示。

圖10 空調(diào)風(fēng)道優(yōu)化方案

圖11 空調(diào)風(fēng)道優(yōu)化方案CFD分析結(jié)果

圖11(a)中優(yōu)化方案風(fēng)道彎折處壓力為230 Pa，較原始方案下降了70 Pa(下降率23.3%)。同時，圖11(b)中風(fēng)道彎折處風(fēng)速為22.22 m/s，較原始方案下降了0.32 m/s(下降率1.4%)，且風(fēng)道內(nèi)流線無明顯渦流產(chǎn)生。綜合CFD分析結(jié)果，改進后風(fēng)道折彎處壓力值降低明顯，消除了風(fēng)道局部渦流，有利于降低風(fēng)道噪聲。

3.3 綜合驗證

綜合實施上述鼓風(fēng)機和風(fēng)道優(yōu)化方案，相同工況下進行整車噪聲客觀測試，對比改進前、后空調(diào)系統(tǒng)噪聲結(jié)果如圖12所示。

圖12 空調(diào)HVAC駕駛員內(nèi)耳噪聲瀑布圖

改進后駕駛員內(nèi)耳噪聲聲壓級比改進前降低了4.13 dB(A)，鼓風(fēng)機電機的第12階和第24階階次噪聲改善明顯，電機嘯叫噪聲基本消除。碳刷異響和風(fēng)道噪聲均得到明顯優(yōu)化，主觀評價已基本感覺不到，空調(diào)系統(tǒng)聲品質(zhì)明顯改善。

4 結(jié)論

以某純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，通過整車主觀評價、空調(diào)系統(tǒng)工作原理、噪聲產(chǎn)生機制和空調(diào)系統(tǒng)客觀測試分析，全面剖析了空調(diào)系統(tǒng)的噪聲組成和產(chǎn)生原因，針對性提出改進措施，有效降低了空調(diào)系統(tǒng)的噪聲，得到以下結(jié)論：

(1)通過特定工況下的噪聲客觀測試，針對噪聲瀑布圖和主觀噪聲特征識別，并結(jié)合噪聲機制分析，確定空調(diào)噪聲主要由鼓風(fēng)機電機的階次噪聲、風(fēng)道噪聲和碳刷異響構(gòu)成。

(2)對鼓風(fēng)機殼體進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時調(diào)整鼓風(fēng)機電機碳刷安裝角度與彈簧壓力值，從源頭改善振動噪聲。運用CFD仿真技術(shù)將風(fēng)道折彎處壓力由300 Pa降低至230 Pa，消除風(fēng)道渦流，從路徑上改善整車噪聲。綜合驗證表明，車內(nèi)主駕內(nèi)耳噪聲聲壓級降低了4.13 dB(A)，基本消除了鼓風(fēng)機電機嘯叫噪聲、風(fēng)道噪聲與碳刷異響等問題。

(3)針對空調(diào)系統(tǒng)中的鼓風(fēng)機、風(fēng)道等提出具體的解決思路和對策，對純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)NVH性能的正向開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。