汽車空調吹腳模式地板振動分析與控制

宋魯濤 王雷 王暉 董良

（華晨汽車工程研究院NVH 工程室）

隨著汽車發展的高速化，振動和噪聲（NVH）成為越來越重要的舒適性評價指標。在怠速和穩態低速運行工況，汽車地板作為駕駛員和乘客接觸比較多的車身位置，其振動問題易引起較大的不舒適感，汽車暖通空調系統也成為車內噪聲振動的一個貢獻源。當前對暖通空調系統NVH 性能的研究除了主要集中在暖通箱體本身之外，對吹面、吹腳和除霜風管及吹風口的噪聲問題也高度重視，并將CFD 技術應用到汽車空調系統吹風管道的設計，大大縮短了設計周期和試驗費用[1-4]。相對而言，對吹風管道振動引起的舒適性問題關注較少。文章對汽車空調系統吹腳模式地板振動問題進行研究，詳細分析了問題的原因，并通過CFD 手段對此問題進行了優化。

1 吹腳模式風道氣流數學模型

由于HVAC 吹腳風管在結構安裝上與地板地毯直接連接，如果管路設計不當，會引起風管有較大振動，并直接通過地毯傳遞給人腳。因此，HVAC 吹腳管路設計對駕駛室舒適性的提高有比較重要的作用。為了對風道內的空氣流動進行計算，對風道模型作如下簡化：風道系統密封良好，除進風口和出風口外沒有空氣泄漏，空氣為不可壓縮流體，且體積質量為常數，分析模式為吹腳全熱外循環。

風道空氣紊流流動采用不可壓縮流體的k-ε 模型描述。

連續方程：

動量方程：

則k 方程為：

ε 方程為：

式中：Ui，Uj——第i，j 個節點的平均速度，m/s；

t——時間，s；

P——壓力，Pa；

Xi，Xj——第i，j 個節點的位移，m；

k——動能，Pa/s；

ε——耗散能，m2/s3；

ρ——體積質量，kg/m3；

vt——粘度，vt=Cμk2/ε。

常數：Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

2 吹腳模式地板抖動原因分析

2.1 問題描述

在主觀感受上，某車型怠速HVAC 吹腳全熱外循環模式，駕駛員和副駕駛員地板能夠感覺到比較明顯的抖動。當關閉發動機，利用外接電源使鼓風機工作時，相同模式也能夠感覺到比較明顯的地板抖動。因此此問題與發動機是否工作無關，應主要由暖通箱工作引起。對此，文章進行了客觀測試，其地板振動結果圖譜，如圖1所示。

由圖1 可以看出，在90 Hz 附近地板存在較大振動峰值，會使人產生不舒適感。

2.2 問題識別

暖通箱及吹腳風道模型，如圖2所示。吹腳風道放置于地板，與地毯直接連接。

此問題吹腳模式感覺明顯，其他模式無明顯感覺，懷疑此問題由暖通箱和吹風管道引起。經測試分析為地板及吹腳模式風管90 Hz 模態頻率，排除共振引起振動峰值，判斷風道內流場分布引起的流速變化可能為此問題主要原因。

脫開吹腳模式風道連接位置，使暖通箱氣流無法進入吹腳風管?；A狀態與脫開風道后地板振動對比，如圖3所示。

由圖3 可以看出，吹腳管道無氣體進入后，地板振動峰值消失，主觀感覺也明顯改善。說明此問題主要由風管內高速流動氣體產生。

將吹腳風管表面粘貼阻尼片（如圖4所示），使風管振動響應降低，分析地板振動是否改善。

地板振動與基礎狀態對比，如圖5所示。

由圖5 可以看出，風管表面貼阻尼片后，地板振動略有改善，主觀感覺仍不能滿足要求，進一步說明此問題由風管內部高速氣體產生。風管振動響應降低可以使問題改善，但無法從根本上解決問題。下一步將利用CFD 手段分析問題原因，并改善流場分布使地板振動降低。

3 吹腳風道的CFD分析及優化

3.1 吹腳風道的流場分析

汽車吹腳風道模型，如圖6所示。采用k-ε 模型對風道模型進行描述。先在Hypermesh 中劃分三角形的表面網格，這樣表面的連接和修補相對容易，然后輸出為Patran 格式，再導入到ICEM-CFD 中生成體網格。風道網格采用四面體網格。

HVAC 工作模式為吹面全熱外循環，分析結果，如圖7所示。由圖7 可以看出，由于吹腳模式進風口存在擋板，產生很大的湍流，此處氣流的變化可能為產生問題的主要原因。

3.2 吹腳風道的優化

3.2.1 改進方案的流場分析

對吹腳進氣口擋板位置進行改進，改善氣流走向后，風管內流場分布，如圖8所示。由圖8 可以看出，氣流走向得到一定改善。

3.2.2 改進方案的試驗驗證

采用手工方式，將吹腳風道進風口擋板填平，改善氣流走向。手工填平后進風口前后對比，如圖9所示。

進風口擋板填平后，地板振動圖譜，如圖10所示。由圖10 可以看出，地板振動明顯改善，驗證了問題推斷的準確性。吹腳模式風道內氣流走向對地板振動有較大影響。

4 結論

1）分析問題原因需要主觀和客觀測試有機的結合，采用客觀數據鎖定問題的特征；2）利用CFD 流場模擬計算能有效直觀地發現問題的本質，從對吹腳風道進行流場分析結果提出改進方案，使問題得到較大改善；3）對地板振動問題的優化僅通過風道走向進行，未涉及暖通箱內部結構優化，對成本要求沒有形成突出矛盾，有利于問題的及時解決。