某純電車型車內空調轟鳴聲優化

譚善明　陸日海　梁有廣　賴國鋒　李海平

摘 要：針對某小型純電汽車怠速開空調時存在轟鳴聲問題，運用頻譜相關性分析、振動噪聲源傳遞路徑分析、CAE仿真分析等手段，找到了車內產生轟鳴聲的原因，是由于開空調后壓縮機在3800rpm，頻率在63Hz附近振動較大，通過電驅動力總成后懸置Z向傳遞至車身與車內聲腔模態耦合，產生轟鳴聲；最后犧牲空調系統制冷性能，通過降低壓縮機最高轉速至3400rpm，使壓縮機激勵轉速與整車聲腔模態解耦，最終解決該問題。

關鍵詞：頻譜相關性分析 轟鳴聲 聲腔模態

1 引言

隨著國家對新能源汽車的重視，新能源汽車在國內得到了蓬勃發展；由于能源的使用方式不同，新能源汽車與傳統汽車相比，動力系統、空調系統上存在較大差異，車輛怠速時少了發動機噪聲；開啟空調系統時，傳統燃油車，通過發動機皮帶帶動壓縮機轉動，實現制冷；而新能源汽車則由動力電池組提供電能，通過電動壓縮機工作，實現制冷。與傳統燃油車相比，新能源汽車電動壓縮機存在較多優勢，它不受汽車車速的影響，可以根據車內實際溫度調節精準控制壓縮機轉速，從而達到快速降低車內溫度的效果；低速或者怠速時，新能源汽車少了發動機噪聲的掩蓋，空調系統作為一個獨立的振動、噪聲源，相比傳統燃油車空調系統振動噪聲會更突出。

本文針對某后驅小型電動車開空調后車內存在轟鳴聲的問題，通過NVH測試分析，找出車輛怠速開空調時車內后排存在低頻轟鳴的原因，并通過壓縮機轉速策略，降低壓縮機轉速的方法達到優化車內轟鳴聲的效果，從而解決該問題。

2 汽車轟鳴聲產生機理

2.1 什么是轟鳴聲

轟鳴詞義為連續混雜的呼嘯聲。在汽車NVH分析中指在某一特定工況下，乘客在車內感受到的壓耳膜的聲音。持續的轟鳴聲會容易引起人耳感覺不適，嚴重的甚至會出現頭暈、惡心等癥狀。

2.2 車內轟鳴產生原理

汽車車內是一個密閉的空間，里面充滿空氣。密閉狀態下的車內空氣存在許多聲腔模態。較薄結構板通過沖壓成型再焊接成一個車身，在受到來自動力系統的振動、路面不平衡導致的振動、壓縮機（獨立安裝）等振動的激勵下通過車身傳遞，導致車身某些鈑金受迫振動，振動頻率與車內密閉空氣的聲腔模態頻率達到一致，將會產生耦合作用，車內的空氣壓力就會發生變化，在車內造成較強的壓力脈動，從而產生讓人難以接受的轟鳴聲[1]。

3 問題描述

某小型電動汽車在中期改款時，將車身加長、電動空調壓縮機安裝位置從車輛前副車架更改安裝到動力總成上，前圍鈑金結構也做了更改，動力總成由前驅改為后驅之后，激勵源位置發生改變。

車輛怠速開空調時，隨著壓縮機轉速不斷升高在到達某特定轉速后，車內后排存在低頻壓耳感，主觀上聲品質較差，不可接受。

4 問題診斷分析

4.1 NVH數據采集

本次NVH數據采集使用西門子 LMS SCADAS MOBILE 40通道數據采集前端，采用PCB 1/2自由場傳聲器，靈敏度為50mv/pa量程3Hz～20kHz，測點根據企業內部標準，試驗地點為整車半消聲試驗室，布置在駕駛員座椅內耳，后排座椅中間位置，測試工況1：車輛怠速開空調工況，鼓風機1檔風量，制冷溫度調到最冷，迎面風模式；測試工況2：鼓風機1檔風量，制冷溫度調到最冷，迎面風模式壓縮機1000～6000rpm掃略工況。

4.2 原狀態測試數據分析

從數據頻譜上看，車內前排、后排噪聲數據在63Hz附近均存在較突出峰值，其中前排噪聲為56.1dB（A），后排噪聲為67.6dB（A），前后排噪聲相差10dB（A），與主觀感受一致，后排轟鳴聲較前排明顯（如下圖1）；打開尾門，車內后排噪聲63Hz單頻噪聲降低5.3dB（A）、總聲壓級噪聲降低4.9dB（A），降低較明顯，主觀上與客觀數據一致，噪聲降低明顯，基本屬于可接受狀態。說明車內轟鳴聲跟車內聲腔模態相關性較大（如下圖2）。

從掃略工況上看壓縮機低轉速1000～3000rpm車內噪聲無較明顯突出峰值，3000rpm開始隨著壓縮機轉速不斷升高，車內后排總聲壓級噪聲曲線也隨著升高，直至壓縮機到4500rpm后，車內后排總聲壓級噪聲曲線回落到最低點，數據中可看出壓縮機在3800rpm附近車內后排噪聲峰值達到最高值（如下圖3），根據轉速階次關系進行壓縮機1階激勵對車內噪聲的貢獻頻率計算，車內后排中間轟鳴聲頻率為63.3Hz左右與怠速開空調測試頻譜噪聲峰值一致。

4.3 振動噪聲傳遞分析

根據源——傳遞路徑——響應點分析，對車輛怠速開空調車內后排存在轟鳴聲進行分析。壓縮機振動噪聲傳播主要有兩種路徑，第一為結構路徑傳遞，第二為空氣噪聲傳遞[2]。該車輛壓縮機是布置在電驅動動力總成上面，動力總成驅動形式為后驅，壓縮機振動噪聲傳遞路徑分析如下（如下圖4）：

（1）結構噪聲路徑為：壓縮振動噪聲通過電驅動總成懸置、空調管路、膨脹閥，通過車身、前圍防火墻傳遞車內；

（2）空氣噪聲路徑為：壓縮機本體噪聲輻射通過空氣從后車體地板、后側門、尾門傳遞車內；

由于車內噪聲貢獻頻率為63.3Hz左右，頻率較低，故空氣噪聲路徑傳播車內占比較小，優先排查結構噪聲路徑。

根據源傳遞路徑測試分析，分別在壓縮機懸置被動側、膨脹閥處布置加速度傳感器進行測試，測試狀態分為原狀態及斷開空調壓縮機全部管路安裝點狀態，通過測試數據，對這幾個測點的振動傳遞對車內后排噪聲的貢獻量進行相關分析。

通過后排車內噪聲與振動源路徑振動相關性對比數據可知，動力總成被動側、膨脹閥振動側點在63Hz均存在振動峰值且與車內轟鳴聲峰值對應。

通過各振動路徑的振動數據對比發現，后懸置Z向63Hz振動峰值較其他測點振動幅值高很多，初步判斷車內后排63Hz轟鳴聲是由壓縮機激勵通過動力總成后懸置傳遞車內（如下圖5）。

再對比仿真整車聲腔模態數據（如下圖6），車內轟鳴聲的主要貢獻頻率63Hz與整車空腔1階模態頻率65.37Hz十分接近。

根據以上分析，綜合轟鳴聲主要發生在后排的特點，并且打開尾門轟鳴聲明顯改善的情況，可以得到結論：此轟鳴聲為整車聲腔模態與壓縮機工頻耦合所致。

5 方案驗證

通過問題診斷分析及結論，得到以下三個優化方案：

（1）改變整車聲腔模態頻率，使其與轟鳴聲主要貢獻頻率解除耦合；

（2）調試動力總成懸置剛度，從傳遞路徑進行優化；

（3）調整壓縮機工作轉速，改變其振動基頻，從源頭解決問題。

方案（1），由于項目已經進行到后期階段，想要提高整車聲腔模態，涉及到車身多處改動，該方案實施難度大，故排除該方案。

方案（2），對壓縮機振動的傳遞路徑進行分解，顯示主要傳遞路徑為動力總成懸置，通過手工降低懸置剛度進行初步驗證，測試對比原狀態懸置與手工樣件懸置的隔振效果。

通過測試結果可分析得出（如上圖7），手工軟懸置在壓縮機3400rpm～4200rpm轉速區間，其X向和Z振動明顯優于原狀態懸置，說明手工軟懸置對壓縮機3400rpm～4200rpm振動的隔振效果要更好，證明排查方向是有效果的。但該方案下一步需要對不同剛度的懸置進行測試分析，逐一排查驗證，所需的周期長，整改成本高，只能作為備選方案。

方案（3），直接改變壓縮機轉速，屏蔽引起車內轟鳴的轉速區間。最終結果是：犧牲一定的制冷性能，降低壓縮機最高轉速在3400rpm，可以非常好的避開壓縮機工作激勵頻率和整車聲腔模態，從而得以解決轟鳴問題。

經多方會議評審，方案三既不影響項目進度，同時也可以節省時間和成本，是相對最合理的方案。

6 結語

通過車內轟鳴聲問題，透過結果反推問題原因，研究分析問題起源及傳遞路徑，再針對實際情況提出方案進行驗證，選擇最合理的方案實施，從而解決問題。

通過對問題進行分析，采取最適合的方案去解決問題，既能降低車型開發成本，省時省力，同時還能有效的提升車型的NVH性能，增強車型市場競爭力。

基金項目：2020年度湖南省高新技術產業科技創新引領計劃項目：封閉特定場景無人駕駛通用底盤平臺開發關鍵共性技術研究與應用（2020GK4010）。

參考文獻：

[1]謝曉龍，汪曉虎，王亮，等.汽車轟鳴聲產生機理研究[DB/OL].（2013-1-7）2014-1-21.

[2]張武，陳劍，夏海.基于靈敏度分析的發動機懸置系統穩健優化設計[J].汽車工程.2009，6：728-732，755.