消音器和膨脹閥在汽車空調降噪中的應用研究

張建國

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，柳州 545007）

消音器和膨脹閥在汽車空調降噪中的應用研究

張建國

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，柳州 545007）

通過對汽車空調系統噪聲根源的分析，用實驗的手段得出了鋁殼小孔噴射消音器在整車空調系統下對壓縮機降噪的顯著效果。針對膨脹閥出口處存在的各種噪聲情況，分析了這些噪聲產生的根本原因，從膨脹閥的內部結構入手，通過增加阻尼、減小鋼球直徑、改用單頂針、改變容量等內部結構的調整遏制了噪聲的產生。

汽車空調；降噪；消音器；膨脹閥

張建國

畢業于河南科技大學，碩士學歷，現任上汽通用五菱汽車股份有限公司空調系統工程師。

1 引言

汽車空調系統的噪聲是用戶抱怨比較多的問題，因此降噪對于提高汽車駕乘的舒適度至關重要。空調系統的噪聲種類主要有振動聲、喇叭聲、鳥叫聲、嘯叫聲等，噪聲的發生從表象上看是由膨脹閥產生的，但實際上絕大部分是由系統共振[1-2]等原因引起的。壓縮機是空調系統的心臟，提供空調系統運行所需的動力。作為動力源的壓縮機也是整個空調系統的噪聲源。因此，空調系統降噪首先要從源頭上遏制震動的產生，其次通過改善膨脹閥的性能減少系統共振的產生。

2 消音器降噪分析

空調系統降噪的方法比較多，通過在空調管路中增加消音器來降噪是一個比較簡單和實用的方法。作為汽車空調系統常用的降噪原件[3]，消音器的種類多樣。根據空調系統合理選用消音器，可以最大化的發揮消音器的功能。

由于噪聲源來自壓縮機排氣口，在其排氣口的管路上加裝消音器，可以從源頭上遏制噪聲的產生。壓縮機排氣口的噪聲為氣體噴射時產生。氣體噴射產生的噪聲與噴射孔的孔徑成反比。如果減小噴射孔徑，噪聲將會加大，但是如果將孔徑降低到毫米級，噴射的噪聲頻率將會降低到人耳不敏感的范圍。因此將大噴口改為相同面積的小噴口，可以起到降噪的效果。

小孔噴射消音器的消音量公式如下：

式中，xA= 0.165d（指阻塞情況，d為噴射口直徑）

由公式（2）可以看出孔徑越小，消音量越大，一般小孔孔徑選用1～3 mm。孔徑太小容易造成管路堵塞。如果超過4 mm，消音的效果不明顯。

根據以上推斷，根據實車空調系統來驗證降噪效果。測量方法是在壓縮機排氣口四周放置四個測量點，采集噪聲聲壓級信號。具體測量示意圖見圖1

測試分為3中消音器結構，分別選用量產車自帶的消音器和兩種不同小孔結構的消音器。

量產車自帶的消音器結構見圖2

消音器結構一：在過流面上加工φ1.5 mm的小孔21個。小孔結構分布見圖3

消音器結構二：在過流面上加工φ1.2 mm的小孔32個。小孔結構分布見圖4

整車噪聲實驗測試結果見表一。

表1 整車噪聲測試結果

根據實際測試數據可以看出，小孔噴射消音器的降噪效果明顯優于原車的普通消音器。在結構二的3#車中，噪聲的降低值甚至接近9分貝，在駕駛艙中主觀感知的效果也非常好。小孔噴射消音器的應用可以極大地提高乘員的舒適度。

3 膨脹閥的降噪分析

在空調系統中，膨脹閥處在冷凝器與蒸發器之間，是制冷劑由液態變為氣態的一個關鍵裝置，空調系統中不同頻率的震動所產生的噪音都會以不同的聲音模式表現在膨脹閥的出口處。空調系統膨脹閥出口處典型的噪聲種類有喇叭聲、鳥叫聲、嘯叫聲、氣體噴射或流動聲。

對于膨脹閥出口處產生的喇叭聲，其頻率在400到600 Hz，屬于高噪音，在所有的空調系統中都可能發生。此噪音在壓縮機開啟、關閉階段以及平穩工作階段都可能發生。它是由制冷劑通過膨脹閥內部各種啟閉件時振動引起的。這種現象在系統高負荷工作時發生更為頻繁。引起的原因為膨脹閥垂直方向的共振。解決的方法是在膨脹閥內部加裝阻尼夾和減小鋼珠直徑來實現。如圖5所示。在珠座上增加一個星型阻尼夾。加裝阻尼夾可以提高摩擦力，減少振幅，從而防止膨脹閥的自然共振。使系統產生非線性變化，消除共振現象。減小鋼珠直徑，降低接觸壓力振動的面積，從而降低了系統的干擾性。

膨脹閥[4]出口處產生的鳥叫聲屬于中等頻率的噪音，峰值在900到1 000 Hz。產生的原因為空調系統在高溫與高濕度環境的環境下，制冷劑的運動與膨脹閥水平方向產生的共振。如圖6所示，將膨脹閥內部的雙頂針結構改為單頂針結構，加裝頂桿套，這樣可以增強頂針的剛性，防止氣流對頂桿的直接沖擊，達到減少共振的效果。

嘯叫聲的頻率峰值在2 000 Hz與5 000 Hz之間， 在任何空調系統中都可能發生的現象。 這種噪音開始于壓縮機的啟動階段，是由制冷劑氣體沖擊膨脹閥低壓側的頂針而引起的。這種情況頻發于高負荷工況下的空調開啟階段。通過加裝頂桿套、增加膨脹閥頂針的直徑可以消除氣流對頂桿的直接沖擊，增強頂針的剛性，降低膨脹閥的初始容量。從而改善了膨脹閥的制冷劑供給，最終降低噪音。

在裝有定排量壓縮機的空調系統中，當壓縮機停止或開始工作的瞬間，容易發生氣體噴射或流動的聲音[5]。這是由于在膨脹閥膨脹閥快速開/關的過程中，壓力會發生突變，然而溫度不會在瞬間變化，造成膨脹閥入口處的制冷劑的過冷度不夠，產生氣液兩相混合物。當氣液混合物通過膨脹閥節流口時就會產生氣體噴射或流動聲。可行的解決方法是降低膨脹閥的容量。降低膨脹閥的容量就是減少膨脹閥節流孔的橫截面積。如圖7所示，改變膨脹閥的容量通過增加或減少頂桿的直徑來實現。2 T時小一點的頂桿橫截面：直徑1.5毫米。1.5 T時大一點的頂桿橫截面：直徑1.8-2.0毫米。通過降低膨脹閥的容量，可以在壓縮機切斷的瞬間保持膨脹閥入口處的壓力不發生突變，而是緩慢的降壓，使液態制冷劑不產生氣化。確保通過膨脹閥的制冷劑為液態，從而不產生氣體噴射或流動聲。

4 結論

本文對消音器和膨脹閥在汽車空調系統中的降噪應用進行了分析。通過整車實驗的手段驗證了小孔噴射消音器在空調系統中具有較好的降噪效果。從汽車空調系統各種噪聲入手，分析了這些噪聲產生的原因，通過對膨脹閥進行相應的改造，消除了這些噪聲。消音器和膨脹閥的這些研究結果已經應用于某些車型的空調系統中，效果良好，極大地提高了駕乘的舒適度。

[1] 張曉偉, 李蘇洋. 空調管路系統的振動分析［J］.振動. 測試與診斷, 2012, ( Z1) :120-122, 154.

[2] 武化勇. 某型號軍用空調設備抗振動、沖擊性能的分析［J］. 長嶺技術, 2007, ( 2) :30-33.

[3] 麻友良. 汽車空調技術.北京: 機械工業出版社, 2009.

[4] 范愛民. 汽車空調結構原理與維修. 北京: 機械工業出版社, 2009.

[5] 黃鎖成, 靳曉雄,張立軍. 汽車空調用壓縮機的振動和噪聲分析. 汽車技術, 2003（5）.

專家推薦

陳 贛：

該論文對汽車空調系統的噪聲發生機理做了簡單的闡述，對消聲器的部分參數變化對降噪的效果進行了試驗，對如何改動膨脹閥內部結構以達到降噪效果進行了分析，對空調系統的噪聲以及如何降噪進行了積極的探討。

De-Noising Study about Muffler and Expansion Valve of Hvac

ZHANG Jian-guo
（SAIC GM Wuling Automobile Co.,Ltd. Technical center, Liuzhou 545007, China）

By analysis of automobile noise source, muffler with small hole injection have remarkable result to de-noising. According to expansion valve exit having various noise, this paper analysis source about various noise, start from interior structure, de-noising by this means of increasing damping, steel ball diameter reduction, using single thimble, changing volume.

vehicle air conditioner; de-noising; muffler; expansion valve

TH162

A

1005-2550（2016）01-0035-03

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.007

2015-08-19