變排量壓縮機脈動噪音分析和優(yōu)化

敬文博 董奇奇

摘 要：氣流脈動是引起斜盤式變排量壓縮機噪音的主要原因。文章通過對一類搭載至整車的壓縮機產(chǎn)生的氣流脈動噪音問題進行分析，為汽車空調(diào)氣流脈動噪音控制制定出有效的解決方案，從而為提升汽車空調(diào)的乘坐舒適性奠定基礎。

關(guān)鍵詞：汽車空調(diào);變排量壓縮機;氣流脈動噪音;控制方法

中圖分類號：U664.5+1? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-100-03

Abstract： Gas pulsation is a major cause of the noise in the swash plate type variable displacement compressors. Here， we analyzed the problems of the gas pulsation noise generated from a class of compressors installed in the whole vehicle， and developed an effective solution for the gas pulsation noise control of the air conditioner of automobiles， and thus constructed a foundation for improving the riding comfort of automobile air conditioners.

Keywords： Automotive air conditioning; Variable displacement compressor; Gas pulsation noise; Control method

CLC NO.： U664.5+1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-100-03

引 言

隨著汽車的不斷更新?lián)Q代，整車舒適性的要求也在不斷提高，特別是整車NVH性能，其中的重要性日益凸顯。開空調(diào)壓縮機噪音作為整車核心指標之一，在整車研發(fā)體系中的要求也越來越高。因此，對壓縮機噪音的分類和產(chǎn)生機理極其有必要了解。斜盤式變排量壓縮機噪音分為機械噪音、電磁離合器噪音、氣流脈動噪音。機械噪音主要由壓縮機內(nèi)部部件與部件的摩擦沖擊產(chǎn)生。斜盤與滑履的摩擦沖擊，導致滑履在活塞半球型槽內(nèi)的劇烈振動。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)（主軸、斜盤等）的動不平衡，導致整個系統(tǒng)的不平衡慣性力，產(chǎn)生的振動傳遞至其他部件。進排氣閥片在開啟、閉合時的沖擊以及活塞與氣缸之間的摩擦等都會產(chǎn)生振動與噪聲。復位彈簧彈性系數(shù)影響斜盤在運轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性，十分影響斜盤在工作狀態(tài)下的振動。電磁離合器噪音，主要指吸合瞬間的撞擊噪音。氣流脈動噪音，是由于壓縮機吸、排氣的間歇性，使氣流的壓力和速度呈周期性的變化而產(chǎn)生的噪音。相比于機械噪音、電磁離合器噪音，氣流脈動是引起斜盤式變排量壓縮機噪音的主要原因。本文主要闡述氣流脈動噪音的形成機理，分析了一款內(nèi)控變排量壓縮機的氣流脈動噪音問題，并制定出有效的控制方案解決了此問題。

1 氣流脈動噪音形成機理

斜盤內(nèi)控變排量壓縮機主要由離合器、主軸驅(qū)動盤、斜盤、滑履、活塞、氣缸體等部件組成。壓縮機在工作過程中，利用發(fā)動機驅(qū)動，通過斜盤帶動活塞在氣缸內(nèi)往復運動，實現(xiàn)制冷劑氣體的吸入、壓縮、排除、膨脹的周期性工作。壓縮機每運行一轉(zhuǎn)都會經(jīng)歷吸入和排出的過程，每次的吸入和排出過程都是有間隔的。同時在運行的過程中，每個活塞的工作狀態(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。在吸氣腔和排氣腔形成渦流，產(chǎn)生脈動噪音。在吸氣側(cè)壓力較低主要以聲波的形式，通過管路回傳至乘員艙。在排氣側(cè)較高的壓力脈動引起管路振動，通過車體、前端模塊等固定點模態(tài)較弱的部件傳遞至乘員艙。由于斜盤活塞式壓縮機的工作原理不可避免的會產(chǎn)生脈動噪音，因此，一般會在傳遞路徑上，針對吸排氣端脈動壓力不同的特點，制定不同的控制方案。

2 一款內(nèi)控變排量壓縮機脈動噪音的改善

2020年夏季，一款內(nèi)控變排量壓縮機搭載整車空調(diào)系統(tǒng)，在發(fā)動機怠速，鼓風機風量一檔工況下，開啟空調(diào)的前幾秒，壓縮機存在明顯的“嘶嘶”異響聲，疑似金屬敲擊聲，不可接受。在空調(diào)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，異響消除。所有車輛均有此類問題，整車熱負荷較低時，異響明顯加重，整車熱負荷較高時，異響有所緩解。

經(jīng)過整車實測頻譜、結(jié)合濾波分析，異響噪音存在100-600Hz左右的寬頻特征，在冷媒流動頻率101Hz、202Hz等處存在突出的峰值。經(jīng)過計算，峰值與整車怠速壓縮機倍頻相吻合。結(jié)合內(nèi)控變排量壓縮機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理進行分析，在車輛剛開啟壓縮機的前幾秒時間內(nèi)，壓縮機處于變排量運行狀態(tài)，由小排量啟動運行逐漸加大排量運行，直至動態(tài)平衡。在壓縮機開啟后，整車處于低負荷的情況下，小排量運行時吸氣壓力較低，吸氣閥片無法觸碰到缸體的限位面，吸氣腔的氣流脈動導致閥片會出現(xiàn)自由振動的情況，產(chǎn)生機械噪音，并引起相互作用影響。在變排量運行過程中，吸氣壓力逐漸變大，吸氣閥片觸碰到壓縮機缸體的限位面，自由震蕩消除。

基于這種噪音的產(chǎn)生機理分析，可以發(fā)現(xiàn)，在傳遞路徑上是難以削弱的，需要在噪音源頭進行控制。一種是降低脈動壓力，一種是優(yōu)化缸體內(nèi)部的氣流穩(wěn)定性，降低不均勻度。根據(jù)流體積分形式的能量方程和連續(xù)方程有：

基于該車型噪音存在時間區(qū)間短，壓縮機排量變化范圍小，基本在最小排量區(qū)間運行，以及冷媒內(nèi)存在PAG潤滑油，壓縮機吸氣端氣流流動可以近似看做不可壓縮理想流體定常一維絕能流流動，因此式（1）、（2）可以積分并簡化為式（3）、（4）：

由式（3）、（4）可以看出，流動中速度增大，壓強就減小;速度減小，壓強就增大。本次整改方案在壓縮機吸氣口增加了單向閥，來提高流速，降低脈動壓力?？照{(diào)開啟起始階段，單向閥彈簧力大于吸氣壓力，閥體開度較小，使吸氣流道內(nèi)氣流截面積變小，提高了流速。運轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，吸氣壓力大于單向閥彈簧力，使閥體處于全開狀態(tài)。手工制作增加單向閥的壓縮機，并進行臺架試驗（圖2），試驗結(jié)果顯示，脈動壓力值和不均勻度均有顯著的改善（圖3、圖4）。進一步搭載至整車驗證，主觀評價異響改善效果明顯。

另一方面，改善吸氣腔的氣流穩(wěn)定性，降低不均勻度，需要優(yōu)化壓縮機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如環(huán)形槽、月牙槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，吸氣閥片與閥板搭接處的材料優(yōu)化，使吸氣閥片的開啟壓力降低，自動脫落閥板的時間變短，一定程度上可改善吸氣端的氣流穩(wěn)定性。另外，此款壓縮機的吸氣腔體積較小，位于后缸蓋的內(nèi)圈（排氣腔在外圈），基于吸氣壓力的變化范圍較大，較小的吸氣腔使吸氣脈動缺少有效的緩沖，導致氣流穩(wěn)定性差。由于涉及壓縮機本體的結(jié)構(gòu)變更，驗證周期長，不能滿足項目需求，因此本次整改未能進行驗證及實施。

3 結(jié)論

本文基于脈動噪音的形成機理，結(jié)合實測頻譜及變排量壓縮機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，分析出噪音源頭為吸氣脈動引起的閥片機械噪音，確定了實施方案，通過在壓縮機吸氣端增加單向閥，從源頭上削弱了脈動壓力值和不均勻度，有效消除了異響，提升了開啟空調(diào)的駕乘舒適性。

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