淺析汽車怠速開空調的合理轉速

鄭小龍　劉杰　邵俊龍

摘 要：為提高汽車怠速開空調時發(fā)動機輪系工作穩(wěn)定性和整車NVH性能，對比了怠速開空調不同轉速下張緊器工作穩(wěn)定性及整車NVH的差異;采用理論分析和試驗研究相結合的方法，分析了怠速開空調轉速提升的原因及轉速大小與自動張緊器工作穩(wěn)定性和整車NVH性能的關系，給出了汽車怠速開空調轉速標定的合理范圍。結果表明：汽車怠速開空調的轉速與多種因素有關，怠速開空調的合理轉速必須保證發(fā)動機穩(wěn)定運轉和整車NVH性能及低油耗，推薦常用的汽車在怠速開空調時轉速提升100～200r/min。

關鍵詞：汽車 怠速 開空調 試驗研究 自動張緊器 工作穩(wěn)定性 NVH性能

1 引言

隨著汽車技術的發(fā)展和現代生活水平的提高，人們對汽車駕乘舒適性的要求也越來越高。汽車怠速[1]是一種常見的工況，在車輛起步、等紅綠燈、停車熄火時經常遇到，而夏季駕駛汽車在怠速時開空調也是我們經常遇到的情況。由于怠速開空調的工況比較特殊，對如何選擇怠速開空調的轉速，說法不一，缺乏科學性。開空調后發(fā)動機轉速應提高，轉速提高會帶來整車NVH變化、油耗增加等影響，而轉速提高不足則會引起發(fā)動機前端輪系工作不穩(wěn)、抖動，影響輪系可靠性。筆者及其項目組通過解決國內某車型怠速開空調的異響問題，在理論分析的基礎上，對怠速開空調轉速的提升對自動張緊器及整車NVH的影響進行了相關測試研究，本文將對這些問題進行專題討論。

2 怠速的定義

我們常說的汽車怠速是指一種工作狀況。發(fā)動機空轉時稱為怠速，即在汽車起動后，當檔位為空擋，完全放松油門踏板，此時發(fā)動機就處于怠速狀態(tài)。發(fā)動機怠速時的轉速被稱為怠速轉速。一般來講，怠速轉速以發(fā)動機穩(wěn)定運轉的最低轉速為最佳。

3 怠速開空調轉速合理與否的準則

怠速開空調后由于壓縮機開始工作，此時發(fā)動機需提高轉速，即輸出更高的動力來滿足整車功率需求，若需求與輸出不平衡，發(fā)動機輪系[2]會工作不穩(wěn)、抖動。怠速轉速提高后，整車噪聲、振動及油耗均會發(fā)生不同程度的惡化。另外考慮車輛一致性差異，為保證怠速轉速升高帶來的動力提升能覆蓋所有車輛需求，一般建議轉速增加留一定裕度。因此，汽車怠速開空調的轉速應確保在滿足所有整車穩(wěn)定工作的前提下盡量降低，以保證整車更好的駕乘舒適性和油耗，這是確定汽車怠速開空調合理轉速的準則。

4 怠速開空調合理轉速的研究

4.1 怠速開空調轉速提升與自動張緊器的關系

4.1.1 自動張緊器

汽車發(fā)動機前端輪系是由皮帶[3]和若干輪組成的傳動系統(tǒng)。為保證輪系在皮帶預緊力的作用下運轉一段時間后，皮帶發(fā)生塑性變形（即皮帶拉長）后不出現打滑或失效故障，常在輪系中增加自動張緊器。

4.1.2 怠速開空調轉速變化對自動張緊器的影響

根據前面的分析可知當汽車怠速開空調后發(fā)動機轉速會相應的提升，而對于搭載自動張緊器的發(fā)動機來說，當怠速開空調轉速提升不足時，由于功率輸出與需求不匹配，此時發(fā)動機會出現運轉不穩(wěn)、轉速波動大等現象，進而引起自動張緊器[4]擺動及皮帶抖動偏大等問題，最終導致發(fā)動機異響。

一般4缸及以上發(fā)動機的穩(wěn)定怠速轉速為600～800r/min，本文以穩(wěn)定怠速750r/min為例進行分析測試。表1是筆者及其項目組在解決國內某車型怠速開空調時輪系異響問題所進行的測試結果。

從表1可知當發(fā)動機轉速提高后，轉速波動呈下降趨勢;轉速從880r/min上升至940r/min時張緊器擺動、皮帶抖動均有明顯的降低;而在轉速從940r/min上升至1000r/min時張緊器擺動、皮帶抖動趨于平穩(wěn)，改善程度不明顯。

一般行業(yè)內對于帶有自動張緊器的發(fā)動機輪系，其穩(wěn)定工作的要求如下：

i.張緊器擺幅<5°（波峰_波谷）

ii.皮帶抖動<跨長的10%（波峰_波谷）

iii.附件帶輪打滑率<3%

其中，張緊器的擺幅大小體現前端輪系穩(wěn)定性，張緊器的擺幅越小則輪系穩(wěn)定性越好，反之穩(wěn)定性越差。張緊器擺幅過大會影響張緊器可靠性，一般要求張緊器擺幅不超過5°。

皮帶抖動大小，即兩個皮帶輪跨度上的皮帶振幅，要求振幅不能太大，過大可能會引起皮帶與周邊零部件干涉，也影響輪系的可靠性。一般要求皮帶振幅小于兩個皮帶輪跨度的10%。

皮帶與皮帶輪間的打滑大小很大程度上影響皮帶的壽命，也影響輪系工作的穩(wěn)定性，打滑率過大則可能導致輪系失效。一般要求皮帶與皮帶輪間的打滑率小于3%。

筆者根據以上分析，重點對怠速開空調時發(fā)動機轉速850r/min和900r/min的張緊器擺幅進行了測試對比，測試工況分別為“1擋換3擋，附件全開”及“1擋爬坡”。

1擋換3擋，附件全開工況時怠速850r/min，張緊器擺幅為2.55°，怠速900r/min，張緊器擺幅為2.4°。

1擋爬坡，怠速850r/min張緊器擺幅為1.75°，怠速900r/min張緊器擺幅為1.65°。

通過對比不同工況下張緊器擺幅的差異，900r/min怠速的張緊器擺幅優(yōu)于850r/min怠速。

根據以上測試及分析可知，汽車怠速開空調后合理的提升發(fā)動機轉速能有效改善張緊器擺動和皮帶抖動，提升輪系工作的穩(wěn)定性，進而對輪系可靠性產生積極影響，有效降低輪系異響及失效風險。

4.2 怠速開空調轉速提升與整車NVH的關系

NVH[5]，即噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness）。聲壓與聲壓級，振動加速度與振動加速度級是NVH的兩個基本概念。其中，振動加速度A的單位是m/s2，振動加速度級定義為：

聲壓P的單位是Pa，對于1000Hz的純音，人耳能感受到的聲壓為2×10-5Pa，叫做“聽閾聲壓”，把它作為參考聲壓P0，聲壓級定義為：

一般隨著汽車怠速轉速的升高，發(fā)動機噪聲會增加，振動也會加劇，再通過傳動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)及車身等傳遞至車內。基于該理論依據，筆者在解決國內某車型怠速開空調后輪系異響問題時，進行了怠速轉速提升至850r/min、900r/min的NVH對比測試。表2是隨機抽取三輛車，在駕駛員右耳、方向盤、換擋手柄位置分別布點進行噪聲、振動的測試結果。

從表2測試結果可知，車輛轉速由850r/min提升至900r/min后駕駛員右耳噪聲聲壓級都呈上升趨勢，但變化不明顯，因此主觀評價噪聲大小相當。三輛車換擋手柄各方向上的振動隨轉速上升變化趨勢不明顯，主觀評價振動大小相當。

從圖3方向盤振動測試結果可知，三輛車中有兩輛車在Z方向上的振動明顯惡化，主觀感受變差。

綜上，汽車怠速開空調后發(fā)動機轉速的提升需在發(fā)動機前端輪系穩(wěn)定工作的基礎上考慮整車駕乘舒適性、燃油消耗的影響（怠速轉速越低油耗越低，反之越高，本文不再贅述[6]）。因此，本文所述車型怠速開空調轉速建議按900r/min標定更合理。

5 結語

（1）汽車怠速是一種工作狀況，怠速開空調則是一種特殊工況，由于開空調后壓縮機參與工作，因此需要發(fā)動機提供更高的動力。

（2）筆者分析認為評判汽車怠速開空調轉速合理的準則為：首先應確保整車功能需求;其次考慮整車NVH性能和油耗影響;另外汽車由成百上千個零部件組成，一致性偏差不可避免，在標定性能參數時需根據實際情況留有一定裕度，保證所有產品的性能均滿足要求。

（3）怠速開空調轉速大小影響發(fā)動機前端輪系工作的穩(wěn)定性，整車振動、噪聲以及油耗等，選擇時應綜合考慮這些因素，折中確定一個最佳值。經過理論分析和測試研究，推薦汽車怠速開空調后轉速提升100～200r/min。

（4）本文的研究結論，對類似怠速開空調這種特殊工況的標定和測試也有參考價值。

參考文獻：

[1]張西振.汽車發(fā)動機電控技術[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2007.

[2]李楠，王東. 發(fā)動機前端輪系的故障分析[J]. 汽車維修與保養(yǎng)， 2012.

[3]呂兆平.多楔帶輪系設計基礎[J].企業(yè)科技與發(fā)展， 2008.

[4]李春榮. 發(fā)動機前端輪系動力學分析[J]. 南方農機， 2014.

[5]龐劍. 汽車噪聲與振動[M]. 北京： 北京理工大學出版社， 2006.

[6]朱曉亮，陸優(yōu)等.淺析怠速變化對整車的影響[J]. 北京汽車， 2014.