某車型怠速開空調壓縮機噪聲問題研究與優化

艾鴻根，陳清爽，涂 迪，鄒志輝，洪有明

（1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001；2.江西省汽車噪聲與振動重點實驗室，江西 南昌 330001）

汽車空調系統作為車內溫度調節的設備是必不可少的裝置，在人們對汽車噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）要求越來越高的今天，隨著發動機等新能源車型背景噪聲的降低，空調壓縮機噪聲問題逐漸凸顯。同時，空調壓縮機負荷隨著環境溫度的升高而變大，負荷增大往往噪聲也會增大，在夏季高溫地區，異常的壓縮機噪聲更加令駕駛者難以接受，使汽車的駕駛舒適性急劇下降。

徐鑫莉等[1]通過對變排量活塞式壓縮機工作原理的闡述，分析了噪聲源的產生和壓縮機工作原理，在優化壓縮機結構基礎上，通過加消聲器、隔聲罩等，可進一步達到降低噪聲的良好效果。王翔[2]通過研究斜盤式變排量壓縮機，結合結構理論分析及實際試驗的方式給出了在吸氣口增加單向閥和提高閥板環槽的加工精度的方案，改善吸排氣脈動。LUKEN等[3]提出一種測量和分析壓力脈動的方法，通過建立計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）模型來研究壓縮機冷媒壓力脈動的影響因子，并且對影響因子進行優化改進，降低車內乘客所感知到的脈動噪聲。

本文以某款前置前驅承載式車型搭載的皮帶傳動斜盤式變排量壓縮機為研究對象，針對該車型在怠速開空調工況下車內出現的低頻噪聲，從源-路徑的角度進行分析，通過測試手段確認問題由壓縮機管路傳遞導致，最終通過優化壓縮機吸、排氣管路設計，使問題得到明顯改善。

1 空調系統結構與問題特征

1.1 空調系統簡介

汽車空調系統是實現對車廂內空氣進行制冷、加熱、換氣和空氣凈化的裝置，它可為車內人員提供舒適的環境；其主要結構包括制冷系統、暖風系統、通風與空氣凈化系統和控制系統等部分。

本文分析的問題車型空調系統如圖1所示，壓縮機固定在發動機，冷凝器固定在車身前端，膨脹閥固定在車身前圍鈑金，空調箱布置在駕駛室儀表臺內，空調管路通過三個安裝點與車身相連接。

圖1 空調系統布置形式

1.2 問題特征描述

樣車在開發階段駕評發現，高溫環境下，怠速開空調鼓風機低擋位，壓縮機吸合后，車內存在明顯異常噪聲，前排比后排明顯，持續時間長，主觀感受較差，關閉壓縮機后聲音消失。

利用LMS公司Test Lab軟件及設備，對空調壓縮機、膨脹閥振動、車內及壓縮機近場噪聲數據進行相應工況采集（如圖2所示），并對數據進行濾波回放分析，確認車內噪聲抱怨的問題頻率為126 Hz（如圖3所示），且壓縮機、膨脹閥本體126 Hz振動明顯，結合問題表現及主觀感受，判斷該問題與空調壓縮機管路系統相關性高。

圖2 測點布置

圖3 P擋怠速開空調噪聲與振動圖

2 問題分析與解決思路

2.1 問題分析

該車匹配皮帶傳動式、外控變排量活塞式壓縮機，該壓縮機主要參數如表1所示，P擋怠速開空調發動機轉速為810 r/min。

表1 壓縮機主要參數

式中，n為發動機轉速，r/min；a為壓縮機與發動機曲軸速比；b為壓縮機缸數。

根據式（1）計算壓縮機階次頻率為126 Hz，與開空調車內異常噪聲問題頻率相對應。

對問題頻率數據分析（如圖4所示）發現，壓縮機近場噪聲126 Hz峰值低于車內噪聲峰值，因此，判斷該問題主要為結構傳遞；進一步分析振動數據發現，壓縮機殼體126 Hz振動幅值只為膨脹閥本體的35%左右，因此，懷疑該問題為空調管路和冷媒傳遞并放大，經膨脹閥進入車內，引起抱怨。

圖4 車內噪聲及壓縮機系統振動頻譜圖

2.2 解決思路

通過上述分析，初步鎖定是空調管路和冷媒傳遞、放大導致。針對此原因，可從表2所列方面進行排查、分析。

表2 126 Hz問題排查點

2.3 問題點確認

2.3.1 膨脹閥

橫向對比同平臺無此問題的車型發現，兩車型匹配的膨脹閥結構尺寸一樣，為共用樣件，初步判斷膨脹閥對此問題影響不大。

2.3.2 管路車身固定點

該空調壓縮機吸、排氣管路共有三個安裝點（如圖1所示），且均有隔振墊與車身相隔離，初步判斷隔振墊非關鍵因素。

2.3.3 空調管路

分析、測量壓縮機吸、排氣管結構，如表3所示。

表3 空調管路參數

從結果來看該段壓縮機吸、排氣管膠管長度均達到總長度的50%（如圖5所示），且膠管硬度為55 shore，從布置和工程可行性來看，膠管加長的可能性不大。

圖5 原狀態空調管路

從管道壓力脈動的角度來看，壓縮機排氣管無擴張腔以及吸氣管較粗、內徑達到19 mm，這兩點均不利于降低管路冷媒壓力脈動。

3 整改驗證

3.1 方案一：排氣管加擴張腔（優化排氣管壓力脈動）

為降低空調冷媒壓力脈動，在壓縮機管路上增加擴張腔是一種較為有效的措施。一般根據制冷劑壓力脈動峰值頻率及有關制冷劑的參數，來設計擴張腔的長度和擴張比。

消聲器的長度：

管道聲速：

式中，f為需優化的問題頻率；k為氣體的比熱容；R為氣體常數；T為制冷劑的溫度，K。

擴張腔消聲量（近似值）：

式中，m為擴張腔的擴張比。

本次整改方案中，計劃在排氣管靠近壓縮機端蓋附近增加擴張腔，在布置空間允許的前提下，尺寸盡量大，本方案擴張腔尺寸為80 mm×45 mm（長×直徑），如圖6所示。

圖6 壓縮機排氣管加擴張腔

經過實車驗證，在排氣管靠近壓縮機端蓋處增加擴張腔后，主觀車內異常噪聲優化明顯，數據顯示車內駕駛員外耳126 Hz峰值降低7 dB(A)，說明排氣管路壓力脈動是主要影響因素。

3.2 方案二：吸氣管內徑降低（優化吸氣管壓力脈動）

根據流體流動過程中的質量守恒定律可知，單位時間流經管路任一有效斷面的流體質量為常數，因此，當管道截面面積減小時，流體流速將增大。

式中，ρ為流體密度，kg/m3；A為管路有效斷面面積，m2；v為有效斷面上的平均速度，m/s。

根據伯努利定理可知，當流體流速增加時，流體的壓力將減小，因此，降低管道內徑可優化流體壓力脈動。

為快速驗證并解決問題，本次在現有尺寸系列中，選擇將壓縮機吸氣管膠管段內徑由19 mm降低至16 mm進行驗證；主觀感受車內異常噪聲有明顯優化，數據顯示車內駕駛員外耳126 Hz峰值降低6 dB(A)，說明吸氣管路壓力脈動也有很大影響。

3.3 方案三：排氣管加擴張腔、吸氣管內徑降低

將方案一和方案二措施同時進行疊加驗證，主觀優化效果非常明顯，達到可接受水平，客觀數據顯示車內駕駛員外耳126 Hz峰值降低10.1 dB(A)。如圖7所示。

圖7 方案三車內駕駛員外耳噪聲對比

4 結論

空調系統NVH問題包括機械、流體噪聲，且受車內和車外環境溫度的影響，需要在開發前期密切關注空調壓縮機、冷凝器、管路、膨脹閥、蒸發器、空調管路擴張腔等結構的設計、布置及相關匹配。

本文為了解決開空調壓縮機吸合后車內壓縮機噪聲問題，通過系統分析及試驗驗證，鎖定空調管路冷媒壓力脈動為主要原因。最終通過在壓縮機排氣管增加擴張腔以及降低吸氣管內徑的低成本方案，優化空調吸、排氣管路冷媒壓力波動，最終解決車內噪聲問題。此研究對解決冷媒壓力波動引起的壓縮機問題具有指導意義，為后續類似問題提供快速進行驗證的思路及方案。