電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲分析及優(yōu)化

黃祖勇

摘 要：本文介紹一新開發(fā)的電動(dòng)汽車采用電動(dòng)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)，在開空調(diào)時(shí)存在車內(nèi)噪聲及振動(dòng)過大的問題，經(jīng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比詳細(xì)分析及試驗(yàn)診斷后，排查出壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速在3250rpm附近時(shí)車內(nèi)振動(dòng)噪聲舒適性較差，通過傳遞路徑及振動(dòng)模型分析，得出壓縮機(jī)在某特定轉(zhuǎn)速下與壓縮機(jī)支架產(chǎn)生共振;結(jié)合樣車實(shí)際情況，在不影響性能情況下，提出改進(jìn)緩沖隔振方案，并提出優(yōu)化支座結(jié)構(gòu)的方案；通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明，解決方案能有效降低車內(nèi)噪聲和振動(dòng)，提高乘坐舒適性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 空調(diào)壓縮機(jī) 振動(dòng)噪聲

NVH是噪聲（Noise）、振動(dòng)（Vibration）與聲振粗糙度（Harshness）的英文縮寫。噪聲，是令人感到厭煩的聲音，而人的聽覺范圍主要在20Hz–20000Hz之間，在此區(qū)間的噪聲對(duì)乘坐和駕駛體驗(yàn)影響較壞。噪聲主要由頻率、幅值和聲音品質(zhì)決定，車輛運(yùn)行過程中諸多部件都會(huì)產(chǎn)生噪聲。振動(dòng)，是人身體感受到的物體運(yùn)動(dòng)，我們感知到較敏感的振動(dòng)范圍集中在0.5Hz—50Hz，它主要是由頻率、幅值和方向決定。當(dāng)頻率較高時(shí)，相同的振動(dòng)能量下，振幅就會(huì)變小，人們感受也不明顯。聲振粗糙度，是粗糙、刺耳、不協(xié)調(diào)的感受，是噪聲和振動(dòng)的混合效果，電動(dòng)汽車主要與電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)及路面激勵(lì)力相關(guān)。

近年中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)迅猛發(fā)展，主要得益于國(guó)家政策的支持和鼓勵(lì)。其中電動(dòng)汽車是主要增長(zhǎng)車型，呈現(xiàn)突破性發(fā)展，電動(dòng)汽車具備獨(dú)有優(yōu)勢(shì)，節(jié)能環(huán)保，沒有發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲，車內(nèi)靜薏舒適，尤其在低速或停車情況下，主要噪聲源來(lái)自車內(nèi)空調(diào)制冷時(shí)的壓縮機(jī)工作振動(dòng)噪聲，本文結(jié)合具體案例分析論述從傳統(tǒng)燃油車轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車時(shí)的空調(diào)壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲分析與解決問題方法及過程。

1 問題描述

開發(fā)中某電動(dòng)車出現(xiàn)開空調(diào)時(shí)車內(nèi)感到壓縮機(jī)振動(dòng)和噪聲過大，上市必將引起客戶抱怨，經(jīng)具體分析該車的布置結(jié)構(gòu)，其壓縮機(jī)布置位置在乘員艙副駕座位下方，安裝在座椅的橫梁上，因?yàn)槭请妱?dòng)空調(diào)壓縮機(jī)，在停車氣溫高時(shí)，壓縮機(jī)剛啟動(dòng)轉(zhuǎn)速直接達(dá)到最高，振動(dòng)噪聲很大，是開發(fā)中重點(diǎn)難題。

應(yīng)用系統(tǒng)的問題分析方法針對(duì)該問題開展原因排查，通過問題樹鎖定問題產(chǎn)生位置及相應(yīng)的部件，結(jié)果是壓縮機(jī)在特定轉(zhuǎn)速時(shí)激起車身聲腔模態(tài)共振，出現(xiàn)轟鳴聲。

根據(jù)問題定義結(jié)果，對(duì)該車的電動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行測(cè)試整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍的振動(dòng)及噪聲總值，數(shù)據(jù)如下圖。

通過噪聲總值和振動(dòng)總值測(cè)試分析，壓縮機(jī)在3200轉(zhuǎn)～3700轉(zhuǎn)時(shí)，車內(nèi)轟鳴聲大，主觀評(píng)價(jià)聲品質(zhì)差，無(wú)法接受。

2 原因分析

2.1 振動(dòng)噪聲傳遞路徑

該車壓縮機(jī)安裝在壓縮機(jī)支架上，壓縮機(jī)支架通過螺栓連接安裝在橫梁，大梁與壓縮機(jī)支架通過減震膠實(shí)現(xiàn)減振功能，因此振動(dòng)噪聲傳遞路徑是：電動(dòng)壓縮機(jī)→橡膠襯套→壓縮機(jī)支架→減震膠→橫梁→車身鈑金振動(dòng)輻射→駕駛員耳旁；另一噪聲傳遞路徑是：電動(dòng)壓縮機(jī)→空氣輻射→駕駛員耳旁。

2.2 空調(diào)壓縮機(jī)振動(dòng)傳遞特性

將空調(diào)壓縮機(jī)單側(cè)橡膠軟墊和支架系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立支架與壓縮機(jī)二自由度振動(dòng)模型，如圖5所示。

模型的原點(diǎn)選自各自的平衡位置，其運(yùn)動(dòng)微分方程為：

式中：m1為空調(diào)壓縮機(jī)支架質(zhì)量；m2為空調(diào)壓縮機(jī)質(zhì)量；k1為支架剛度；k2為壓縮機(jī)單個(gè)橡膠軟墊剛度；c為支架阻尼；Fj為激振力；x1為支架垂直位移；x2為壓縮機(jī)垂直位移。

從公式推出，x1支架垂直位移過大是共振出現(xiàn)主要因素，結(jié)合具體測(cè)試數(shù)據(jù)分析得知主要原因是壓縮機(jī)支架工作在一定轉(zhuǎn)速時(shí)出現(xiàn)共振，即x1為支架垂直位移過大，這是因?yàn)楦粽癫蛔?，壓縮機(jī)一階振動(dòng)激勵(lì)與車身總成剛體模態(tài)共振，通過聲腔模態(tài)耦合放大導(dǎo)致。

從傳遞路徑上分析，已知壓縮機(jī)支架的剛度足夠，由此壓縮機(jī)支架隔振不足是由于壓縮機(jī)支架的4個(gè)減震膠設(shè)計(jì)不合理，膠量少，并且大振動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致直接和車身安裝面接觸，從而產(chǎn)生過大的振動(dòng)異響。

3 解決方案及驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)方案

從以上該電動(dòng)車的振動(dòng)噪聲傳遞路徑及振動(dòng)模型分析，并結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)，鎖定解決問題方案增加足夠的減震膠量，確保達(dá)到足夠隔振及防止支架支架接觸車身橫梁。

3.2 改進(jìn)驗(yàn)證

實(shí)施以上改進(jìn)后進(jìn)行制作樣件裝車測(cè)試，具體測(cè)試數(shù)據(jù)及對(duì)比情況如下：

從改進(jìn)后測(cè)試空調(diào)壓縮機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)噪聲前后數(shù)據(jù)對(duì)比得知，噪音通過右耳噪聲總值對(duì)比，原狀態(tài)支架在3250rpm附近存在明顯峰值65dB（A），改進(jìn)后在該轉(zhuǎn)速噪聲為53.5dB（A），降幅達(dá)到11.5dB（A）明顯改善噪聲值。

振動(dòng)在橫梁處振動(dòng)總值前后對(duì)比，原狀態(tài)支架在3250rpm附近峰值為1.27m/s2，改善后該轉(zhuǎn)速振動(dòng)為0.24m/s2，降低1.03m/s2，改進(jìn)方案通過實(shí)車試駕體驗(yàn)，達(dá)到整車靜音要求，解決了項(xiàng)目問題，改進(jìn)獲得在該電動(dòng)車型上實(shí)施。

3.3 進(jìn)一步優(yōu)化方案

從上面的振動(dòng)傳遞路徑分析得到問題的解決方案，基本解決了問題，但從設(shè)計(jì)歷史回顧追溯，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)機(jī)支架結(jié)構(gòu)，材料是鑄鋁，直接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上，共用發(fā)動(dòng)機(jī)懸置減震系統(tǒng)，電動(dòng)車上沒有了發(fā)動(dòng)機(jī)減振系統(tǒng)可以共用，電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)通過支架將直接安裝在車身上，壓縮機(jī)支架繼續(xù)參考燃油車方案設(shè)計(jì)顯然不是系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)理念，需要專門設(shè)計(jì)自身的減振系統(tǒng)，從整車NVH目標(biāo)分解出空調(diào)系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲控制目標(biāo)，再根據(jù)壓縮機(jī)的工作頻率范圍確定壓縮機(jī)支架及減振結(jié)構(gòu)方案。

一個(gè)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須經(jīng)過反復(fù)思考才能獲得相對(duì)完美方案，設(shè)計(jì)是否還能提高壓縮機(jī)支架剛度，制造工藝性是否進(jìn)一步提升，成本是否還有優(yōu)化空間，從這些方面考慮出發(fā)，項(xiàng)目決定進(jìn)一步對(duì)電動(dòng)壓縮機(jī)支架重新從頭開始設(shè)計(jì)，為滿足大批量生產(chǎn)工藝及降低零件成本，研究使用鋼板材料替代鑄鋁的壓縮機(jī)支架，按可自動(dòng)化制造要求設(shè)計(jì)壓縮機(jī)支架，經(jīng)模擬仿真計(jì)算，本電動(dòng)壓縮機(jī)支架七階模態(tài)要求不低于180Hz。

鑄鋁的壓縮機(jī)支架為241.2Hz，設(shè)計(jì)上已經(jīng)過余，改為鋼板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按180Hz為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化減重，計(jì)算模態(tài)為188.5Hz，滿足設(shè)計(jì)要求，審核后通過該方案，見下圖：

最后進(jìn)行完整方案計(jì)算，電動(dòng)壓縮機(jī)支架優(yōu)化前是鑄鋁材料且減震膠不足，優(yōu)化后是鋼板材料及減震膠改進(jìn)，下圖11為壓縮機(jī)支架優(yōu)化前后噪聲頻譜值對(duì)比，可以看出各階次噪聲顯著降低，低頻轟鳴聲改善明顯。

以上通過分析重新設(shè)計(jì)壓縮機(jī)減振方案外，調(diào)整電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，使其轉(zhuǎn)速不落在振動(dòng)噪聲大的點(diǎn)上，避免產(chǎn)生共振，在軟件標(biāo)定進(jìn)一步提升車內(nèi)靜薏舒適性。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著電動(dòng)汽車快速普及，空調(diào)壓縮機(jī)由原來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)改為電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)，壓縮機(jī)在停車時(shí)也會(huì)在最高轉(zhuǎn)速工作，由此帶來(lái)振動(dòng)噪聲較大，并且壓縮機(jī)的布置位置也會(huì)從發(fā)動(dòng)機(jī)上轉(zhuǎn)移到其它位置，這到將影響車內(nèi)的振動(dòng)噪聲水平，本文通過對(duì)振動(dòng)噪聲傳遞路徑分析并得出對(duì)壓縮機(jī)支架減震膠量調(diào)整及重新正向設(shè)計(jì)壓縮機(jī)支架結(jié)構(gòu)和材料，完整計(jì)算與驗(yàn)證方案，避免共振產(chǎn)生，提高了整車舒適性，為電動(dòng)汽車開發(fā)解決振動(dòng)噪聲問題做出有益的探索。

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