基于改善吸排氣脈動的汽車空調旋轉斜盤式變排量壓縮機的NVH改進

王 翔

引言

現今，被廣泛使用的汽車空調系統設計仍然是由發動機通過皮帶輪的傳動來驅動汽車空調壓縮機的皮帶輪，皮帶輪旋轉帶動壓縮機工作，從而運行整個空調系統進行循環工作。壓縮機在運行時所產生的噪音，大致可分為三類（圖1所示）：振動噪音，傳遞噪音和脈動噪音。依據聲學的理論，噪音的傳遞需要噪音源頭和傳遞路徑兩部分來實現（圖1所示）。早期，由于汽車還屬于奢侈品的范疇，因此壓縮機本體的要求是快速降溫，壓縮機的噪音則交給了高成本的隔音隔振的材料以及管路的優化設計。現今，隨著汽車行業競爭的不斷加劇，成本壓力的不斷提升，整個汽車行業將目光聚焦到了壓縮機本體噪音的改善結合傳遞路徑的改善的策略上來，以期待在控制成本的同時達到了提升整體的舒適性的目的。

圖1

本文將聚焦于汽車空調壓縮機脈動噪音改善，以當下使用較為廣泛的旋轉斜盤式變排量壓縮機為例，以結構理論分析結合實際試驗的方式給出優化的設計建議。

1 壓縮機的脈動噪音

為了改善壓縮機的脈動噪音，首先當然需要了解它產生的機理。目前使用于汽車空調的壓縮機大多為往復式活塞式壓縮機，為了能夠高效利用傳遞扭矩一般采用多缸結構，旋轉斜盤式變排量壓縮機就是其典型的代表。在壓縮機工作的過程中，由發動機帶動壓縮機主軸旋轉，主軸帶動連桿推動活塞在氣缸內作往復運動，實現制冷劑蒸汽的吸入，排除，壓縮，膨脹的周期性工作。由于壓縮機在每運行一轉的過程中都會經歷吸入和排出的過程，且每次吸入和排出過程中是有間隔的，同時在運行的過程中，每個氣缸的工作狀態也各有不同，因此這種每次循環的吸氣和排氣不連續性產生了氣流波動。這種不連續的吸氣與排氣會引起吸排氣腔產生氣體渦流，以及制冷劑流速突變與管壁產生的摩擦，從而產生了壓縮機的脈動噪音。另外，汽車空調壓縮機的工作轉速一般都在1000～3000轉/分，導致該類噪音的頻率一般都在人類聽覺容易辨別的范圍，約為100～3000Hz之間。

如之前所述，我們不難發現作為往復式的活塞式壓縮機來說，由于吸排氣都存在不連續性，因此脈動是這類壓縮機的固有特點，如現有結構沒有重大的變革，這類噪音本質上是無法被消除的。因此后續探討的是如何采用優化的設計來實現降低壓縮機本體的脈動噪音，從而避免被人耳識別，到達改善壓縮機對于整車空調系統NVH的貢獻。

2 脈動噪音的改善

圖2

2013年，在于A公司（某知名跨國車企）合作空調壓縮機整車配套項目中，客戶與5月夏季路試時候發來反饋，抱怨部分整車在開啟空調之后有明顯的噪音異響。經過現場的噪音測試，我們獲得了在車輛怠速情況下，部分壓縮機在500Hz頻率范圍附近存在明顯噪音差異（如圖2所示）。

在試驗臺架上，我們采用模擬整車工況對NG件和OK件進行了NVH對比，在吸氣脈動對比時（如圖3），我們同樣發現在500Hz范圍附近，NG件的存在高亮帶吸氣脈動表現較差，同時與實車發生 NVH噪音的頻段相對應，由此我們可以鎖定吸氣脈動是引起此次發生實車異響的原因。

圖3

由脈動噪音產生的原理來看，改善脈動噪音的方式大致可以分為三種：1）減小管路直徑降低壓力脈動；2）降低脈動沖擊力使得脈動變得平緩；3）就是將1和2方案疊加使用。

1）減小管路直徑降低壓力脈動：根據流體力學公式和伯努利定理（如圖 4），由于流體的能量為“定值”，因此剩下的就是壓力P會發生改變。換而言之，流速的提高（管道直徑減小）會導致壓力會變小。所以，通過減小氣路直徑（管道截面面積減少）能夠減小壓力脈動。綜上所述，在通常的情況下，壓縮機會在氣路內增加單向閥來減小氣路直徑，降低脈動噪音。

圖4

圖5

2）降低脈動沖擊力使得脈動變得平緩：一般來說吸氣閥片和閥板的配合設計（如圖5右上角）會在通氣孔的周圍再增加一個環槽設計，這樣的設計可以有效避免閥片由于油膜的作用吸附與閥板上，達到降低開啟壓力的作用。環槽與通氣孔之間的密封帶寬度也會對于閥片開啟的壓力有略微的影響。圖5為密封帶寬窄對于開啟壓力的影響的對比，從圖5中我們可以看到在吸氣閥片開啟的時候，紅色寬密封帶的設計比藍色窄密封帶的設計需要更大的壓力才能打開。綜上所述，設計和加工的合理范圍之內越是窄的密封帶開啟的壓力值會越小，這樣對于整個吸氣的脈動沖擊也就越小。

圖6

針對該項目發生的 NVH問題，我們最終拿出了兩套改進方案：1）在吸氣口增加吸氣單向閥；2）將閥板環槽的加工進度提高，將密封帶的寬度收緊。圖6為兩種方案與OK件和NG件的吸氣脈動數據對比，從中不難發現兩個改進措施都能夠有效地降低500Hz范圍處吸氣脈動噪音。在實車驗證下，這兩個方案對于整車 NVH的改進效果都獲得了客戶的認可，雖然兩個方案都到達了預期的效果，但是由于單向閥的方案對于空調系統性能有一定的損耗，因此最終還是采取了閥板改進的方案。

3 結語

（1）氣路增加單向閥可有效改進壓縮機脈動噪音。

（2）閥板密封帶變窄可有效改進壓縮機脈動噪音。

（3）氣路增加單向閥和閥板密封帶變窄可組合使用，進一步提升改進效果。

參考文獻

[1] 周光坰,嚴宗毅,許世雄,章克.本流體力學(第二版) 2011-5高等教育出版社.

[2] 何琳.聲學理論與工程應用.2006-5科學出版社.

[3] 陳克安.聲學測量.2010-10機械工業出版社.

[4] 溫正,石良臣,任毅如.Fluent流體計算機應用教程.2009-1.清華大學出版社.