車內空調壓縮機異響的控制實驗

常晶晶，丁 康，李永焯

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510641）

車內空調壓縮機異響的控制實驗

常晶晶，丁 康，李永焯

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510641）

某車型空調開啟后，發動機轉速升至2 400 r/min附近時車內產生明顯的異響聲。試驗排除了壓縮機本體振動過大、壓縮機振動經空調管路放大的可能性后，通過傳遞函數測試及發動機懸置支架模態測試，確定右懸置支架的一階固有頻率與壓縮機在該工況下的工作頻率耦合產生共振，是導致車內產生異響聲的根本原因。通過改進支架結構提高其一階固有頻率，避開了常用轉速下壓縮機的工作頻率范圍。將改進后的懸置支架裝車驗證，結果表明車內異響得以明顯改善。這種研究方法對改善同類汽車異響問題具有重要的實際意義。

聲學；車內噪聲；壓縮機；傳遞函數；耦合共振

隨著人們對汽車舒適性要求的不斷提高，各大汽車廠商均致力于改善汽車的噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise Vibration And Harshness，簡稱NVH），并以此作為企業的核心競爭力。空調壓縮機直接或通過支架安裝在發動機上，其振動直接傳遞到車內或引起其它附件的共振進而傳遞到車內，因此壓縮機引起的振動噪聲問題日益被重視[1-3]。

Naga Suresh等通過改變壓縮機與發動機的傳動比來改變壓縮機的工作頻率，從而解決了壓縮機的4階工作頻率與車架共振所導致的車內地板振動問題[4]。朱武愛通過重新匹配壓縮機與發動機的傳動比解決壓縮機與發動機的拍頻問題[5]。李嘉通等通過填充減重挖孔及改變結構表面的筋條布置有效提高了支架總成的低階固有頻率，避開了發動機工作下的共振頻帶[6]。李冰通過給空調管路加裝消聲器解決了一定發動機轉速下產生的轟鳴噪聲問題[7]。目前對壓縮機引起的振動噪聲研究主要集中在壓縮機支架引起的共振、空調系統管路的減振降噪和發動機與壓縮機造成的拍頻問題等方面，通過發動機懸置支架的改進來解決壓縮機異響的實例較少。

針對某車型在發動機轉速2 400 r/min附近時開空調產生的異響噪聲問題進行研究。通過定置升速測試和傳遞函數測試等方法，找到了導致該異響問題的根本原因。在對懸置支架進行改進后，通過頻響函數測試和定置升速測試等方法驗證了懸置支架的改進對開空調導致的異響問題的改善效果。尋找車內異響源的方法可適用于其他汽車產生的振動噪聲問題，同時為汽車工程領域懸置支架導致的空調壓縮機NVH問題研究提供了案例支持。

1 異響源的診斷與研究

某車型汽車在開空調加速到2 400 r/min附近時，車內聽到明顯的異響聲，使乘客感覺不適，乘坐舒適性較差。該車型空調系統使用的壓縮機為7缸軸向活塞式壓縮機，壓縮機與發動機缸體之間通過螺栓剛性連接。

1.1 定置升速車內噪聲測試結果分析

對樣車進行定置升速試驗。試驗要求整車在開空調工況下發動機轉速從1 000 r/min提升到3 200 r/min，整個過程相當于一次激勵掃頻過程，主要考察發動機激勵是否引起車身系統共振以及由哪些階次的頻率引發共振。試驗過程中用麥克風測量駕駛員右耳和壓縮機近場聲壓級，用加速度傳感器測試壓縮機本體振動。

圖1為開空調定置升速過程中測試所得駕駛員右耳噪聲瀑布圖，車內噪聲出現以346 Hz為中心的共振頻帶，當發動機轉速在2 400 r/min附近時噪聲共振非常明顯。該轉速下壓縮機工作頻率為

圖1 定置升速駕駛員右耳噪聲瀑布圖

由于該頻率與共振頻率非常接近，由此初步估計2 400 r/min時車內出現的異響與壓縮機工作有關[8]。

在研究旋轉部件時，定義參考軸轉頻為基頻（1階），其它軸或部件頻率為參考軸轉頻的倍數，稱為階次。將發動機曲軸設為參考軸，壓縮機工作相對曲軸的階次為

壓縮機速比（1.22）×缸數（7）=8.54

對瀑布圖進行階次切片，得到車內噪聲、壓縮機近場噪聲以及壓縮機本體振動的8.5階階次曲線如圖2所示。

圖2 定置升速車內噪聲、壓縮機振動及近場噪聲8.5階階次圖

可見，開空調情況下，當發動機轉速在2 400 r/min附近時，車內8.5階噪聲曲線出現明顯峰值。而壓縮機近場噪聲及本體振動的8.5階曲線均未在此出現較大峰值，可以排除壓縮機本體振動過大導致該異響的可能性。為了進一步查找該異響產生的原因，對壓縮機到車內的傳遞路徑進行分析與研究。

1.2 傳遞函數測試分析

壓縮機向車內傳遞噪聲的路徑包括結構傳遞路徑和空氣傳播路徑[9]，在低頻范圍內通常只考慮結構振動對車內噪聲的貢獻。

采用力錘激勵法測試結構噪聲傳遞函數。激勵點為壓縮機安裝點Y向，響應點為駕駛員右耳。測得壓縮機本體Y向到駕駛員右耳的結構噪聲傳遞函數如圖3中虛線所示。

圖3 壓縮機本體Y向到車內的結構噪聲傳遞函數幅頻特性

在343 Hz處傳遞函數出現峰值，該峰值頻率與前述定置升速試驗中出現的共振帶頻率（346 Hz）接近，故可斷定該車2 400 r/min附近出現的異響問題與壓縮機到車內的結構傳遞路徑相關。

壓縮機到車內的結構傳遞路徑主要有：

(1)壓縮機振動通過空調管路傳遞到車身。

(2)壓縮機振動傳遞到發動機本體后，通過懸置系統傳遞到車身。

將壓縮機高、低壓管斷開，測試從壓縮機本體Y向到駕駛員右耳旁的結構噪聲傳遞函數，結果如圖3中實線所示。可見，斷開壓縮機高、低壓管前后，壓縮機本體Y向到駕駛員右耳旁的結構噪聲傳遞函數幅值在340 Hz附近無變化，因此排除了壓縮機振動經空調管路放大的可能性。

該車型汽車的動力總成橫向布置，由左懸置、右懸置和防扭拉桿支承。為提高試驗準確性，排除振動通過空調高低壓管傳遞造成的誤差，斷開高、低壓管后在各個懸置與車身側連接點Y向施加力激勵，測試得到各懸置被動端到車內的結構噪聲傳遞函數，如圖4所示，左懸置、右懸置及防扭拉桿的被動端到駕駛員右耳旁的結構噪聲傳遞函數均未在340 Hz附近出現峰值，表明車身結構傳遞到車內的結構噪聲并無異常。

圖4 懸置被動端Y向到車內的結構噪聲傳遞函數幅頻特性

圖5 右懸置Y向到車內的結構噪聲傳遞函數幅頻特性

將力激勵點改為各個懸置與發動機側連接點Y向，響應點仍為駕駛員右耳，得到各懸置主動端到車內的結構噪聲傳遞函數。結果顯示僅右懸置主動端在340 Hz附近出現明顯峰值。圖5為右懸置主被動端到駕駛員右耳的結構噪聲傳遞函數，在大部分頻段內，右懸置被動端到駕駛員右耳的結構噪聲傳遞函數幅值均比主動端大20 dB～25 dB，表明右懸置總體隔振性能良好。但在340 Hz附近，主動端傳遞函數幅值異常，甚至超過被動端，表明該頻段振動經右懸置傳遞時被放大，推測壓縮機工作頻率（342 Hz）與右懸置支架固有頻率接近而引起共振。

1.3 右懸置支架的模態測試分析

為驗證該猜想，進行右懸置支架模態測試。整車約束狀態下[10]，發動機右懸置支架原點頻響函數測試曲線如圖6中實線所示。

圖6 右懸置支架的頻響函數曲線

可見，右懸置支架1階固有頻率為338 Hz，與壓縮機的工作頻率（342 Hz）接近。由此可以斷定在發動機轉速2 400 r/min附近時，開空調車內產生的異響噪聲是壓縮機激振頻率與發動機右懸置支架模態頻率耦合產生共振所致。

2 右懸置支架改進方案的提出與驗證

2.1 改進方案的提出

該車右懸置支架包括右懸置托臂和發動機側支架。

圖7 發動機右懸置支架結構

為避免共振現象發生，提高支架的整體剛度，對原右懸置支架提出三點改進方案：將懸置托臂由鑄鐵改為鑄鋁，改變懸置托臂與發動機側支架之間的安裝孔位，通過布置加強筋改善發動機側支架的結構。改進前后支架結構如圖7所示。

2.2 改進方案模態試驗驗證

對改進后的右懸置支架進行整車約束狀態下的原點頻響測試，結果如圖6中虛線所示，支架一階固有頻率從338 Hz提高到480 Hz，右懸置支架的結構動態特性有了明顯的改善，整體剛度得以提高。

2.3 改進方案定置升速試驗驗證

為了進一步驗證改進的效果，對整車進行定置升速試驗。定置升速試驗要求與前述試驗相同，試驗所得改進后的開空調駕駛員右耳聲壓級總值曲線與改進前曲線對比如圖8所示。

圖8 定置升速駕駛員右耳噪聲總值曲線

結果顯示，改進支架后測得的車內噪聲隨轉速逐漸上升，在2 750 r/min前均明顯低于改進前測得結果，聲壓級于轉速2 368 r/min時為56.3 dB(A)，比起原狀態下降3個dB(A)，未出現明顯峰值。在2 750 r/min后聲壓級較改進前稍大，但由于整體趨勢平緩無明顯峰值，車內乘員主觀感受不明顯，原狀態右懸置支架帶來的共振問題得以有效解決。

圖9為定置升速工況駕駛員右耳噪聲瀑布圖，在335 Hz附近無明顯共振帶，但當轉速升至3 400 r/min時，480 Hz附近出現了大面積的亮帶。改進后右懸置支架1階固有頻率提升至480 Hz，但在發動機加速過程中，壓縮機的工作頻率經過該頻率時仍會激起共振，此為該現象出現的根本原因。這一過程在發動機升速過程中無法避免，因此只能通過提升懸置支架固有頻率將該共振轉速提高。

圖9 改進后定置升速駕駛員右耳噪聲瀑布圖

對比圖1和圖9可以看出，改進懸置支架后，發動機2階噪聲明顯，成為車內噪聲主要貢獻因素。共振噪聲不再集中在較窄的頻率帶內，聲壓值也有所降低，其峰值低于發動機2階噪聲峰值，此時共振噪聲被發動機噪聲所掩蓋，主觀感受并不明顯。以上驗證了改進方案的可行性。

3 結語

(1)壓縮機近場噪聲及本體振動的8.5階階次曲線未在2 400 r/min附近出現峰值，由此排除壓縮機本體振動過大導致異響的可能性。斷開壓縮機高、低壓管前后，壓縮機本體到駕駛員右耳旁的結構噪聲傳遞函數幅值在340 Hz附近無變化，由此排除了壓縮機振動經空調管路放大的可能性。

(2)右懸置主動端到駕駛員右耳的結構噪聲傳遞函數在340 Hz附近出現峰值，右懸置支架模態測試結果顯示右懸置支架1階固有頻率為338 Hz，與壓縮機的工作頻率（342 Hz）接近，由此判斷壓縮機振動激起右懸置支架系統的1階模態產生共振是導致轟鳴噪聲的根本原因。

(3)通過改變支架材料、安裝孔位及加強筋的布置對支架結構進行了改進，有效提高了右懸置支架的1階固有頻率，避開了常用轉速下壓縮機的工作頻率，使該異響問題得以解決。

(4)通過定置升速瀑布圖中的共振頻帶判斷與異響產生相關的部件，首先懷疑該部件本體振動過大導致異響并通過驗證排除，其次懷疑該部件到車內的結構傳遞路徑上產生共振，并由結構噪聲傳遞函數測試及模態測試結果驗證，再通過對結構的改進解決了異響問題。文中采用的異響源查找方法及改進方法可用于同類汽車異響問題的研究。

[1]NIRANJAN H.Automotive HVAC noise measurements and analysis[J].Automotive Engineering,2011,1(4): 209-309.

[2]黃曌宇，蔣偉康，劉春慧，等.旋轉式壓縮機儲液器氣流噪聲的分析與抑制[J].上海交通大學學報，2008，42(7)：1068-1072.

[3]黃茲思，蔣偉康，朱蓓麗，等.壓縮機消聲特性的數值分析與實驗研究[J].振動工程學報，2004，17(4)：399-402.

[4]NAGA S,SUDHAKARA N,AMBARDEKAR,et al. NVH improvement of a bus through AC compressor driveratio change[J].SAE Technical Paper Serials,2009-26-045.

[5]朱愛武.空調壓縮機對車內噪聲的影響[J].噪聲與振動控制，2010，30(4)：47-49.

[6]李嘉通，向宇，靳江濤，等.某車型空調壓縮機支架NVH性能分析與優化[J].機械設計與制造，2015，3：58-64.

[7]李冰.汽車空調壓縮機轟鳴噪聲的解決方法[C].上海：上海市制冷學會2007年學術年會論文集，2007：268-270.

[8]胡伊賢，李舜酩，張袁元，等.車輛噪聲源識別方法綜述[J].噪聲與振動控制，2012，32(5)：11-15.

[9]郭榮，萬鋼，趙艷男，等.車內噪聲傳遞路徑分析方法探討[J].振動、測試與診斷，2007，27(3)：199-203.

[10]徐猛，張俊紅，何偉舉，等.動力吸振器在方向盤NVH性能優化中的應用[J].噪聲與振動控制，2013，33(3)：138-141.

Experiments of InteriorAbnormal Noise Control of Cars Caused byAir Conditioning Compressors

CHANG Jing-jing,DING Kang,LI Yong-zhuo
(School of Mechanical andAutomotive Engineering,South China University of Technology, Guangzhou 510641,China)

A vehicle has an abnormal noise problem when the air conditioning is turned on and the engine speed reaches about 2 400 r/min.Through the test,it is confirmed that the vibration of the compressor’s body and the vibration enlargement effect of the air conditioner’s pipeline do not induce the abnormal noise.Then,through the transfer function test and the modal analysis of the engine suspension bracket,it is found that the working frequency of the air compressor is close to the first natural frequency of the engine bracket.Their resonance is the fundamental reason for the abnormal noise inside the vehicle.By improving the structure of the bracket,its first natural frequency is raised and much higher than the working frequency of the compressor.The improved bracket is installed in the vehicle and tested.The result shows that the abnormal noise is reduced obviously.This study method may be significant for reducing the abnormal noise of the same kind vehicles.

acoustics;interior noise;compressor;transfer function;coupling resonance

U467.4+93

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.041

1006-1355(2016)06-0206-04

2016-06-30

常晶晶（1992-），女，安徽省淮北市人，碩士生，主要研究方向為機械振動信號處理與故障診斷、車輛NVH測試與分析。E-mail:changjing128@163.com

丁康，男，博士研究生導師。E-mail:kding@scut.edu.cn