某純電動汽車空調系統噪聲分析與優化

劉小華，黃偉，莫崇衛，蔣帥，戴勇，王元林

(湖南獵豹汽車股份有限公司，湖南長沙 410100)

0 引言

純電動汽車利用三電系統取代傳統燃油車的發動機燃油系統等相關動力單元，發動機、進排氣系統的消失使得汽車整體噪聲水平大大降低，空調系統的噪聲問題隨之更加凸顯。同時，由于其布置位置距離駕乘人員較近，噪聲異響會直接影響人們的駕乘體驗。所以空調系統的噪聲問題研究具有重要意義。面對汽車空調噪聲問題，同濟大學黃鎖成等[1]、重慶大學盧喜和楊誠[2]、合肥工業大學涂志健和陸益民[3]、吉林大學史文庫等[4]、廣汽集團鄭淳允[5]針對壓縮機開展了大量工作，顧燦松等[6]、李猛等人[7]針對空調管路噪聲進行研究，同濟大學李啟良等[8]針對空調系統的氣動噪聲利用CFD仿真手段取得了較好的效果。但是少有學者從空調系統實車NVH表現，結合空調系統工作原理，主觀評價和客觀測試相結合，進行空調系統的NVH問題整改。

本文作者針對在整車NVH主觀評價中，空調系統存在明顯的嘯叫及“吱吱”異響，嚴重影響實車駕乘體驗的問題，通過主觀噪聲識別，確認空調系統在壓縮機不工作，尤其1、4擋風量下噪聲特征較明顯；基于空調系統工作原理和噪聲機制分析，結合特定工況(AC OFF、吹面、內循環狀態)，1、4擋風量下的振動噪聲客觀測試數據分析，從噪聲源、噪聲傳遞路徑兩個方面入手，對鼓風機和空調風道進行優化，成功降低空調系統噪聲，主觀評價改進后噪聲可接受，有效提升了實車的NVH表現。

1 空調系統工作原理和噪聲機制分析

空調系統是汽車重要系統之一，具有采暖、制冷、除霜、除霧、空氣調節、溫濕度自動控制等功能。空調系統主要由壓縮機、冷凝器、散熱器、冷卻風扇、鼓風機、風道、膨脹閥、相關管路附件和傳感器等組成，其結構示意如圖1所示。

空調系統利用內、外循環選擇進氣來源，吹面、吹腳、吹玻璃切換出氣吹風位置，風量調節旋鈕控制鼓風機來調節風量大小。通過按鈕AC ON/AC OFF調節壓縮機來決定是否制冷。通過PTC按鈕調節來決定是否制熱。

空調系統噪聲主要來源于壓縮機、鼓風機、風道、冷卻風扇等主要部件，其噪聲主要可分為電機噪聲、機械噪聲、氣流噪聲與異響。電機噪聲主要來源于鼓風機、壓縮機，機械噪聲來源于各運動機械部件，氣流噪聲則主要來源于空調風道。噪聲產生的機制如下。

圖1 空調系統結構示意

1.1 電機噪聲

電機噪聲主要包括電磁噪聲和滑動、摩擦引起的機械噪聲。電磁噪聲是繞組的電磁力作用在定、轉子的氣隙中產生的徑向和切向的電磁力，使定子發生振動而輻射噪聲，該噪聲主要與電磁力幅值、頻率、極對數以及定子結構固有頻率相關。而機械噪聲則與機械結構、制造、裝配工藝相關。

對電磁噪聲而言，根據麥克斯韋張量法可計算作用于定子結構的徑向電磁激振力密度fr和切向電磁激振力密度ft，可表示為

(1)

(2)

式中：bn、bt分別為氣隙磁通密度的徑向和切向分量；u0為真空磁導率。定、轉子磁通密度相互作用產生的電磁力波階次r和對應的頻率fr為

r=μi+λj=2p(3m+n+1)

(3)

r=μi-λj=2p(3m-n)

(4)

fr=(1±u)f

(5)

式中：p為電機極對數，文中鼓風機電機為2對極，系數m=±1,±2,±3，......，系數n=1,2,3，......；fr為力波激振頻率，f為電源頻率。綜合式(1)—(5)，可知電磁噪聲的階次為2p及其整數倍，即鼓風機電機電磁噪聲階次為4、8、12、16、......

1.2 機械噪聲

機械噪聲是旋轉機械引起的系統不平衡產生的振動和噪聲，其頻率應是轉動系統基頻的整數倍，即有

fn=nf0=nN/60

(6)

式(6)中：fn為旋轉系統的振動和噪聲頻率；f0為轉子的轉動頻率；N為轉子的轉速。此外，鼓風機也會產生電機碳刷、氣門等運動件噪聲。

1.3 氣流噪聲

氣流的起伏運動或氣動力會產生氣流噪聲，常見的氣流噪聲有噴氣噪聲、邊棱聲、卡門渦旋聲、受激渦旋聲、螺旋槳噪聲、風扇噪聲等。對空調系統而言，外界空氣在鼓風機作用下進入HVAC空腔，然后通過蒸發器、暖風器及風道后從空調出風口進入車內，從而實現制冷、采暖、過濾等功能。在氣流流動過程中，產生的氣流噪聲主要為風扇噪聲和氣流噪聲。

風扇噪聲是風扇葉片相對于氣流運動、給氣流以力的作用而輻射的噪聲。風扇葉片的運動是螺旋的周期運動，噪聲場也繞風扇葉片軸線旋轉，輻射噪聲具有明顯的離散頻譜，其基頻為

(7)

式(7)中：f為輻射噪聲基頻；B為葉片數目；ω為旋轉角速度或者圓頻率。此外，輻射噪聲還與迎面氣流是否按空間均勻分布有關。

氣流噪聲是由于空氣在風道中產生紊流引起的高頻噪聲，同時高速氣體壓力變化導致管道振動，增大空氣噪聲。其主要影響因素為流道的結構、流速、壓力等。

綜上所述，文中所研究的工況(AC OFF、吹面、內循環狀態)下，壓縮機不工作，噪聲主要由鼓風機和風道產生。

2 空調系統的噪聲測試與分析

利用LMS測試設備在半消聲室內進行空調系統振動噪聲客觀測試，在AC OFF、吹面、內循環工況下1、4擋風量進行振動噪聲試驗，并采集相應的測試數據，主駕內耳噪聲測點麥克風布置見圖2(a)，鼓風機上振動傳感器布置見圖2(b)，1擋和4擋風量下的測試結果分別如圖3和圖4所示。

從圖3(a)可以看出：386 Hz處有較明顯的聲壓高亮區域，通過對測試結果濾頻后，主觀特征識別為鼓風機電機的嘯叫噪聲；在775 Hz處的噪聲，通過特征識別判定為鼓風機電機碳刷異響。圖3(b)中1擋風量下測試的振動加速度、噪聲聲壓級數據在386 Hz處均出現最大峰值，分別為0.058g和34 dB(A)。通過鼓風機殼體上的振動數據分析，1擋風量下鼓風機電機轉動頻率為16.02 Hz。因此，386 Hz處嘯叫噪聲為鼓風機電機的24階噪聲。

圖2 空調系統噪聲測試測點布置圖

圖3 1擋風量下的測試結果

圖4 4擋風量下的測試結果

從空調系統4擋風量的噪聲瀑布圖可知：在167.85～281.65 Hz頻率范圍內有明顯高亮聲壓帶，對測試數據進行濾頻處理，主觀特征識別確認為風道噪聲；在404 Hz處的聲壓高亮區域，主觀表現為電機嘯叫噪聲；在1 110 Hz處的噪聲主觀表現為碳刷異響。圖4(b)的振動加速度、噪聲聲壓級測試數據在404 Hz處出現峰值，分別為0.28g和54 dB(A)。而4擋風量下鼓風機電機的旋轉頻率為33.84 Hz，可知404 Hz處嘯叫噪聲為鼓風機電機的12階噪聲。

所以，當前狀態下空調系統噪聲主要由鼓風機電機的階次噪聲、碳刷異響和風道噪聲構成。

3 空調系統的噪聲優化與驗證

3.1 鼓風機電機優化

根據噪聲測試結果，鼓風機電機存在電磁階次噪聲和碳刷異響。其聲音傳遞的路徑為電機定轉子磁場→鼓風機殼體→車內聲腔→人耳。從定轉子間磁場來改善電磁階次噪聲，對電機定轉子的生產控制和裝配精度有較高要求，且較難實現。綜合考慮方案可行性及項目周期等因素，從鼓風機殼體進行噪聲優化。通過提升鼓風機殼體的剛度和模態，減小振動幅值從而降低噪聲。在鼓風機殼體后端蓋上增加加強筋的數量和類型，提升殼體的整體剛度，優化前、后的結構方案如圖5所示。

圖5 鼓風機殼體原始方案與優化方案

針對電機碳刷異響，進行直流有刷電機結構分析。直流有刷電機基本結構如圖6所示，初步確認噪聲源為碳刷與換向器間摩擦產生。對電機結構進行拆解，發現碳刷彈簧壓力偏小導致配合間隙偏大，同時安裝角度不當導致偏磨。考慮碳刷壽命，最終實施方案為增加碳刷彈簧壓力值并調節碳刷安裝角度。

圖6 直流有刷電機基本結構示意

綜合應用鼓風機殼體優化方案和電機碳刷優化方案，開展整車噪聲客觀測試。優化后噪聲結果如圖7所示。

從圖7(a)可知：386 Hz處的鼓風機電機24階噪聲的優化效果明顯，優化后離散為312～506 Hz的頻率帶，噪聲峰值下降明顯，主觀識別嘯叫噪聲基本消除；同時在775 Hz處的碳刷異響也得到明顯改善。從圖7(b)可看出：在404 Hz處聲壓高亮區明顯減少，可知鼓風機電機12階噪聲改善效果明顯，同時1 110 Hz處電機碳刷異響也得到改善。

圖7 鼓風機優化后噪聲

3.2 風道結構優化

空調風道局部氣流阻力增大或紊流是流道嘯叫噪聲產生的主要原因，可通過CFD仿真技術進行噪聲改善[8]。通過HyperMesh和STAR前處理軟件對吹面風道壁面和流體進行網格劃分，網格類型采用六面體和棱柱體。根據進風量要求，設置入口邊界為400 m3/h，建立的空調風道有限元模型如圖8所示。運用STAR CCM+計算流體動力學軟件進行分析，得到風道壓力和流速分布云圖見圖9。

圖8 空調風道有限元模型

圖9 空調風道CFD分析結果

從圖9(a)中可發現風道彎折處壓力最大值為300 Pa，該處壓力變化較大且壓力損失較大，結合圖9(b)可發現該處風速達到22.54 m/s，存在局部渦流，高速渦流氣體會產生嘯叫噪聲，主要由于空調風道結構兩側風道的圓角過渡半徑較小。針對分析結果進行風道結構優化：加大風道圓角過渡。優化后結構如圖10所示，重新進行空調風道CFD仿真，結果如圖11所示。

圖10 空調風道優化方案

圖11 空調風道優化方案CFD分析結果

圖11(a)中優化方案風道彎折處壓力為230 Pa，較原始方案下降了70 Pa(下降率23.3%)。同時，圖11(b)中風道彎折處風速為22.22 m/s，較原始方案下降了0.32 m/s(下降率1.4%)，且風道內流線無明顯渦流產生。綜合CFD分析結果，改進后風道折彎處壓力值降低明顯，消除了風道局部渦流，有利于降低風道噪聲。

3.3 綜合驗證

綜合實施上述鼓風機和風道優化方案，相同工況下進行整車噪聲客觀測試，對比改進前、后空調系統噪聲結果如圖12所示。

圖12 空調HVAC駕駛員內耳噪聲瀑布圖

改進后駕駛員內耳噪聲聲壓級比改進前降低了4.13 dB(A)，鼓風機電機的第12階和第24階階次噪聲改善明顯，電機嘯叫噪聲基本消除。碳刷異響和風道噪聲均得到明顯優化，主觀評價已基本感覺不到，空調系統聲品質明顯改善。

4 結論

以某純電動汽車空調系統為研究對象，通過整車主觀評價、空調系統工作原理、噪聲產生機制和空調系統客觀測試分析，全面剖析了空調系統的噪聲組成和產生原因，針對性提出改進措施，有效降低了空調系統的噪聲，得到以下結論：

(1)通過特定工況下的噪聲客觀測試，針對噪聲瀑布圖和主觀噪聲特征識別，并結合噪聲機制分析，確定空調噪聲主要由鼓風機電機的階次噪聲、風道噪聲和碳刷異響構成。

(2)對鼓風機殼體進行結構優化，同時調整鼓風機電機碳刷安裝角度與彈簧壓力值，從源頭改善振動噪聲。運用CFD仿真技術將風道折彎處壓力由300 Pa降低至230 Pa，消除風道渦流，從路徑上改善整車噪聲。綜合驗證表明，車內主駕內耳噪聲聲壓級降低了4.13 dB(A)，基本消除了鼓風機電機嘯叫噪聲、風道噪聲與碳刷異響等問題。

(3)針對空調系統中的鼓風機、風道等提出具體的解決思路和對策，對純電動汽車空調系統NVH性能的正向開發具有一定的指導意義。