汽車空調系統(tǒng)噪聲研究及控制

靳豹　王朝陽　曹子亮　劉建廣

摘 要：從汽車用空調系統(tǒng)的組成，分別對空調制冷系統(tǒng)產生的吸合噪聲、階次噪聲、Hissing噪聲等不同類型的噪聲現象及產生機理進行了闡述。通過分析產生這些噪聲的原因及相關零部件，分別指出了相對應的控制要點及措施。最后，展示了通過控制空調系統(tǒng)噪聲使汽車車內噪聲得到優(yōu)化的工程實例。

關鍵詞：汽車空調；制冷系統(tǒng)；噪聲優(yōu)化

1 引言

汽車空調系統(tǒng)有調節(jié)溫度、濕度，對駕駛室內進行通風、換氣，調節(jié)駕駛員舒適感的作用[1]。但隨之而來的噪聲問題也成為影響駕駛員舒適性的因素之一。

2 汽車空調系統(tǒng)工作原理

汽車空調系統(tǒng)主要由兩部分組成，即制冷系統(tǒng)和暖通箱。制冷系統(tǒng)主要包括壓縮機、冷凝器、儲液干燥器、膨脹閥、蒸發(fā)器、管路、冷卻風扇等，暖通箱主要包括鼓風機、風道、風門等；

高壓液態(tài)冷媒在節(jié)流閥內變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊簯B(tài)冷媒，最后進入蒸發(fā)器，完成制冷循環(huán)。而在暖通箱內，蒸發(fā)器周邊的冷空氣或者暖風水箱周圍的熱空氣被鼓風機吹散到車內，保證車內舒適性。

本文主要針對汽車空調制冷系統(tǒng)的噪聲現象開展研究。

3 空調系統(tǒng)噪聲現象及產生機理

空調系統(tǒng)啟動時，會消耗一部分發(fā)動機功率，導致發(fā)動機轉速上升，彌補損失的功率[2]，使車內噪聲增加。除此之外，汽車空調系統(tǒng)工作時自身產生的噪聲也很明顯，這部分噪聲也已經成為影響汽車駕乘人員舒適性的噪聲問題之一。而這些噪聲問題主要來自于空調制冷系統(tǒng)。其主要噪聲現象如下表1。

4 空調系統(tǒng)噪聲控制措施

4.1 壓縮機吸合異響

壓縮機吸合異響，是由于壓縮機離合器吸合時吸盤與皮帶輪產生撞擊而產生的。離合器吸合是利用離合器通電時產生磁場力將吸盤進行吸合，且吸合速度快，導致吸盤和皮帶輪產生撞擊，進而產生異響噪聲。

但不同的離合器結構和使用不同的材質所產生的吸合異響噪聲程度也會有所不同，如圖3所示。

可以從以下幾方面采取優(yōu)化措施：

（1）從結構和材料上優(yōu)化，緩和壓縮機吸合時銜鐵碰撞產生的異響，如：使用全周橡膠銜鐵；（2）空調管路采用隔振設計控制和衰減振動向車身的傳遞，如：空調低壓管的部分硬管改為橡膠軟管，減小異響向車內傳遞[3]；（3）通過設置合理吸合電壓，減弱吸合時的撞擊。

除以上措施外，合理使用電動壓縮機，也是防止吸合異響的有效手段。

4.2 壓縮機的階次噪聲

壓縮機階次噪聲是壓縮機最為常見的噪聲之一，該噪聲現象是由壓縮機旋轉部件引起的，其噪聲頻率和旋轉頻率相關，如圖4所示。壓縮機結構形式不同，階次噪聲也不盡相同，如：旋葉式壓縮機階次噪聲和葉片數量相關，斜盤式壓縮機階次噪聲和活塞數量相關。

一般情況是通過生產廠家進行壓縮機內部結構優(yōu)化，主機廠也可以選用噪聲更為優(yōu)秀的渦旋式或變排量壓縮機或采取以下被動措施，滿足噪聲目標要求：

（1）發(fā)動機支撐或懸置進行合理匹配；（2）空調系統(tǒng)增加減振降噪措施；（3）空調管路在車身及防火墻安裝采用隔振措施。

4.3 膨脹閥或蒸發(fā)器的Hissing噪聲

制冷初期，壓縮機吸排氣壓力差較小，壓縮機內冷媒流通量大。同時蒸發(fā)器內冷媒的壓力和溫度會快速下降。因熱傳遞慢，膨脹閥感知溫度變化相對于壓力的改變較慢，因此在膜片上就會形成壓力差，開啟閥門，隨著熱傳遞，壓力逐漸平衡，閥芯會回到正常位置。在此過程中閥芯與頂桿脫離形成自由振動系統(tǒng)，受冷媒激勵產生異響[4]。

消除或減弱該噪聲，可采用的對策如下：

（1）減小膨脹閥開啟時冷媒壓力；（2）控制膨脹閥閥芯與閥座的相對水平運動；（3）空調管路與車身安裝點的振動隔離；（4）增加隔吸聲材料包覆；（5）增加消聲器。

4.4 冷卻模塊散熱風扇噪聲

風扇噪聲主要有以下幾種：風扇殘余動不平衡產生的低頻噪聲、葉片擾動空氣產生的渦流噪聲、葉片切割空氣引起的階次嘯叫，又稱為旋轉或葉片噪聲等。

風扇噪聲控制思路：

（1）控制風扇轉速。風扇噪聲的聲壓級（SPL）計算方法如下：SPL=K1Qn2/D式中：K1-常量，Q-風量，D-直徑，n-轉速。由此，在同一風量Q下，為了降低風扇噪聲，可增加直徑D，或降低轉速n；（2）優(yōu)化風扇葉片形狀，使之有較好的流線型和合適的彎曲度，減小渦流噪聲；（3）采用護風環(huán)可減小風扇頂端的渦流噪聲；（4）葉片非均勻分布可降低風扇噪聲中突出的峰值頻率成分；（5）采用有機合成材料（玻璃鋼、高強度尼龍等）葉片比金屬葉片噪聲小；（6）適當的選擇風扇（2）與散熱器的距離也可減小風扇噪聲。

4.5 拍頻噪聲

該拍頻噪聲是在值兩個頻率接近的噪聲調制引起的強弱變化的聽覺現象。這里涉及的拍頻噪聲包括雙風扇引起的拍頻，以及壓縮機階次噪聲、風扇階次噪聲、發(fā)動機階次噪聲引起的拍頻噪聲。

在進行系統(tǒng)設計時需要考慮的因素有：

（1）壓縮機單體噪聲、振動；（2）風扇單體噪聲振動；（3）轉速比（發(fā)動機與壓縮機的轉速比）；（4）發(fā)動機、壓縮機、風扇之間階次頻率的分布及頻率間隔。

5 案例

某車型怠速開空調工況下車內存在明顯的周期性拍頻現象。經測試及互動濾波得出結論：該拍頻噪聲由于106Hz噪聲（發(fā)動機8階）與112Hz噪聲（壓縮機7階）頻率接近而產生，測試數據如圖5所示。

針對以上問題，采取如下措施：

（1）更換小帶輪壓縮機，即改變壓縮機傳動比；（2）空調管路管夾優(yōu)化，增加與車身連接處隔振橡膠。

經過優(yōu)化處理，壓縮機7階頻率上升至117Hz，且其噪聲峰值降低約5dB（A），如圖6所示。

實車評價，優(yōu)化后車內拍頻現象消失，車內聲品質得到明顯提升，該問題得到有效解決。

6 結語

本文針對汽車空調噪聲問題，從空調系統(tǒng)結構、主要噪聲現象及其產生機理進行分析，并針對空調系統(tǒng)不同零部件產生的噪聲提供了相對應的控制措施。

參考文獻：

[1]孔凡清，龔元聰，趙雨晴，路士杰，張學敏.現代汽車空調HVAC研究現狀與發(fā)展趨[J]. 環(huán)境工程.2016，34.

[2]劉顯臣.汽車NVH綜合技術[M].北京：機械工業(yè)出版社.2014.4：48-50.

[3]楊誠，肖堯，胡美龍.小波分析在汽車空調啟動異響診斷中的應用[J]. 噪聲與振動控制.2016，34（4）：151-155.

[4]張建國.消音器和膨脹閥在汽車空調降噪中的應用研究. 汽車科技.2016，1.

[5]盧喜.旋葉式車用空調壓縮機的振動與噪聲控制的研究[D].重慶：重慶大學，2006.