新能源汽車電動空調(diào)NVH性能的控制研究

摘要：針對某新能源SUV汽車怠速開空調(diào)工況時(shí)車內(nèi)噪聲異常展開研究。通過測試得知，車內(nèi)噪聲異常主要問題是壓縮機(jī)基頻為主的300 Hz以下的振動和噪聲以及500～2 000 Hz頻段的中高頻噪聲，通過“源頭-傳遞路徑-駕駛員車內(nèi)噪聲”結(jié)合傳遞路徑分析方法，分析結(jié)構(gòu)傳遞和輻射傳遞的原因，根據(jù)客觀測試、客觀數(shù)據(jù)分析、工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)判斷分別從源、傳遞路徑上分析優(yōu)化車內(nèi)噪聲，從源頭上優(yōu)化空調(diào)壓縮機(jī)本體的振動和噪聲過大，從結(jié)構(gòu)路徑上優(yōu)化管路安裝點(diǎn)、軟管，提高隔振，優(yōu)化懸置隔振，并增加二級隔振，從空氣傳遞路徑上增加聲學(xué)包裹、優(yōu)化前圍板隔音，有效解決了怠速開空調(diào)工況時(shí)車內(nèi)噪聲異常的問題。

關(guān)鍵詞：電動空調(diào)；壓縮機(jī)；NVH；傳遞路徑

中圖分類號：U469.7" 收稿日期：2024-11-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202503025

1 前言

電動汽車電機(jī)噪聲與傳統(tǒng)燃油車發(fā)動機(jī)噪聲相比有了明顯的降低，這一變化使得空調(diào)系統(tǒng)噪聲在汽車怠速或低速行駛時(shí)變得更加突出，成為電動車的主要噪聲源[1]。汽車空調(diào)作為駕駛艙的環(huán)境控制系統(tǒng)，其NVH性能表現(xiàn)對乘客的駕駛和乘坐體驗(yàn)有著重要影響。

汽車空調(diào)噪聲主要分為機(jī)械噪聲、風(fēng)扇氣動噪聲、制冷劑流體噪聲、壓縮機(jī)電磁噪聲等[2]，在電動壓縮機(jī)噪聲源頭上，朱志文[3]提出需優(yōu)化壓縮機(jī)支架模態(tài)和壓縮機(jī)剛體模態(tài)與車內(nèi)空腔模態(tài)的避頻、方向盤模態(tài)避頻等，來解決車內(nèi)噪聲和振動問題。本文提出優(yōu)化壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速策略優(yōu)化本體振動和噪聲，來降低怠速開空調(diào)工況時(shí)車內(nèi)噪聲。在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速策略上，馬一鳴等[4]提出了一種解決電動壓縮機(jī)振動噪聲問題新的思路，通過轉(zhuǎn)速控制策略與車速，鼓風(fēng)機(jī)擋位聯(lián)合調(diào)試的方法，優(yōu)化了定置工況及低速行駛工況，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在4 000 r/min以上時(shí)車內(nèi)噪聲大的問題。在空調(diào)箱體結(jié)構(gòu)噪聲優(yōu)化方面，宋魯濤等[5]提出了一種有效的用于吹腳風(fēng)道內(nèi)的氣流場分析和控制方法，解決了吹腳模式下地板振動問題。在空調(diào)管路輻射噪聲優(yōu)化方面，張敬東等[6]增加約束條件優(yōu)化空調(diào)管路的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對其固有振動特性的改善。

針對電動空調(diào)壓縮機(jī)的NVH（Noise，Vibration，Harshness，即噪聲、振動與聲振粗糙度）問題，可以采取以下解決方法：a.控制振動噪聲源，控制噪聲源是提高車輛NVH性能最直接、最根本的方法，對于電動空調(diào)壓縮機(jī)而言，主要的方法為優(yōu)化壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)。b.改善振動特性，對壓縮機(jī)及其支架進(jìn)行模態(tài)分析，找出共振點(diǎn)，避免因零件裝配后振動產(chǎn)生共振。通過模態(tài)分析，可以了解壓縮機(jī)及其支架的動態(tài)特性，從而在設(shè)計(jì)階段就避免共振問題的發(fā)生。針對壓縮機(jī)支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高其固有頻率，避免與壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)頻產(chǎn)生共振。可以通過增加支架的剛度、改變支架的形狀或材料等方式來實(shí)現(xiàn)。c.切斷噪聲空氣傳遞的路徑，在壓縮機(jī)周圍設(shè)置隔音材料或隔音罩，以阻擋噪聲的傳播，在空調(diào)管路中置消聲器以吸收噪聲能量。

本文聚焦于新能源電動SUV汽車中電動空調(diào)NVH性能研究，通過對其成因進(jìn)行深入分析，探討怠速開空調(diào)噪聲對駕乘舒適性和整車聲品質(zhì)的影響。通過電動壓縮機(jī)的的臺架噪聲值，然后進(jìn)一步探討其噪聲傳遞路徑特性，最后總結(jié)有效的工程化解決方案。通過試驗(yàn)測試及傳遞路徑分析相結(jié)合的手段，通過優(yōu)化電動壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速策略、增加壓縮機(jī)隔振支架、增加壓縮機(jī)進(jìn)氣軟管長度、壓縮機(jī)增加聲學(xué)包裹等措施，對300 Hz以下的振動和噪聲以及500～2 000 Hz頻段的中高頻噪聲進(jìn)行改善優(yōu)化，有效地改善了汽車怠速開空調(diào)工況時(shí)車內(nèi)NVH性能。

2 問題描述

某新能源SUV汽車怠速開空調(diào)工況時(shí)車內(nèi)噪聲異常，而且經(jīng)過主觀評價(jià)不可接受。通過噪聲測試設(shè)備LMS采集電動SUV汽車怠速開空調(diào)工況駕駛員車內(nèi)聲音噪聲信號。經(jīng)過噪聲振動后處理軟件LMS TestLab軟件分析其試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理出車內(nèi)噪聲的頻譜曲線圖，其結(jié)果如圖1所示。通過頻譜曲線分析得知存在2個(gè)明顯問題：a.低頻振動和轟鳴聲，即以壓縮機(jī)基頻為主的300 Hz以下的振動和噪聲；b.中高頻噪聲，即500～2 000 Hz頻段的中高頻噪聲。

3 原因分析

為了分析試驗(yàn)車電動空調(diào)工作激勵(lì)特性及傳遞路徑，繪制了電動空調(diào)診斷噪聲傳遞路徑分析原理圖，如圖2所示。根據(jù)“噪聲源頭-結(jié)構(gòu)路徑/空氣路徑-車內(nèi)駕駛員接受者”傳遞路徑來分析模型，包括壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略、壓縮機(jī)本體振動噪聲控制、結(jié)構(gòu)路徑及空氣路徑優(yōu)化控制。結(jié)構(gòu)路徑傳遞相對復(fù)雜，振動噪聲主要通過三條路徑傳播：

a.空調(diào)壓縮機(jī)產(chǎn)生的振動和噪聲會通過其支架傳遞到電驅(qū)總成懸置，再通過電驅(qū)總成懸置系統(tǒng)傳遞到副車架和縱梁上，然后經(jīng)過車身最終傳遞到方向盤及駕駛員人耳位置。

b.空調(diào)高低壓管路與車身之間的安裝點(diǎn)也是噪聲傳遞的重要途徑，通過空調(diào)高低壓管路與車身安裝點(diǎn)傳遞到車身前圍進(jìn)，而傳遞到方向盤及駕駛員人耳位置。

c.除了高低壓管路外，冷卻水箱總成也是噪聲傳遞的通道之一，噪聲會通過管路和冷卻水箱總成傳遞到縱梁，再經(jīng)過車身結(jié)構(gòu)傳遞到方向盤和駕駛員人耳位置。

然而空氣路徑傳遞相對簡單，主要通過前圍聲學(xué)包傳遞到駕駛員車內(nèi)。

31 電動壓縮機(jī)本體噪聲分析

新能源汽車與純?nèi)加推囎畲蟮膮^(qū)別在于采用不同驅(qū)動類型的壓縮機(jī)，新能源汽車采用電動壓縮機(jī)，而純?nèi)加推噭t采用發(fā)動機(jī)帶動的機(jī)械式壓縮機(jī)，其他部件區(qū)別不大，新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)主要采用電力驅(qū)動，為了提高性能，將電動機(jī)、變頻器與壓縮機(jī)組裝成一體，形成全封閉結(jié)構(gòu)。

通過電動空調(diào)壓縮機(jī)臺架1 m聲壓級測試得知，電動壓縮機(jī)臺架近場不滿足2 000 r/min/56 dB（A）～6 000" r/min/65 dB（A）～8 500 r/min/69 dB（A）目標(biāo)要求。結(jié)果如圖3所示。

32 結(jié)構(gòu)傳遞路徑析

321 懸置的隔振分析

通過壓縮機(jī)所在方向的電機(jī)懸置布置振動傳感器，進(jìn)行怠速開空調(diào)工況懸置隔振實(shí)驗(yàn)測試，輸出數(shù)據(jù)，對電機(jī)右懸置隔振進(jìn)行分析，從測試結(jié)果可以得知怠速開空調(diào)工況下的20～1 000 Hz以下電機(jī)懸置隔振率為2 dB，不滿足靜態(tài)30 dB隔振率目標(biāo)值。圖4表示了怠速開空調(diào)工況下壓縮機(jī)測的電機(jī)懸置隔振。

322 空調(diào)管路分析

根據(jù)壓縮機(jī)高低壓軟管NVH設(shè)計(jì)要求，對壓縮機(jī)進(jìn)排氣橡膠軟管長度進(jìn)行模型檢查，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)低壓管軟管長度為311 mm、高壓管軟管長度為345 mm，如圖5所示，不滿足≥400 mm的NVH性能設(shè)計(jì)要求。

4 優(yōu)化方案驗(yàn)證

41 空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速策略控制

由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越高，壓縮機(jī)噪聲越大，新的轉(zhuǎn)速策略主要采用降低最高轉(zhuǎn)速，避免共振轉(zhuǎn)速。此優(yōu)化主要結(jié)合實(shí)際車輛運(yùn)行下的問題頻率，針對空調(diào)不同溫度 壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了避頻，避免壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)工作時(shí)落在該區(qū)間主要控制策略。優(yōu)化前后壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對比如表1所示。

將新的空調(diào)壓縮機(jī)方案進(jìn)行臺架噪聲測試通過電動空調(diào)壓縮機(jī)臺架1 m聲壓級測試得知，電動壓縮機(jī)臺架近場滿足2 000 r/min/56 dB（A）～6 000 r/min/65 dB（A）～8 500 r/min/69 dB（A）目標(biāo)要求。結(jié)果如圖6所示。

42 優(yōu)化電機(jī)懸置隔振

由于壓縮機(jī)布置在電機(jī)右側(cè)，電機(jī)懸置隔振對電動空調(diào)振動有重要作用，重點(diǎn)針對電機(jī)右懸置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，中心結(jié)構(gòu)由方形優(yōu)化為圓形內(nèi)管，如圖7所示。

通過測試電機(jī)右懸置振動數(shù)據(jù)，如圖8所示，結(jié)果對比可知，右懸置的隔振率由2 dB提升到16 dB，有效減少了結(jié)構(gòu)噪聲的傳遞，提升了電動空調(diào)的振動性能。

4.3 增加壓縮機(jī)隔振支架

二級隔振采用兩個(gè)相互獨(dú)立的隔振裝置，將機(jī)器振動先由第一級隔振裝置隔離，再將殘余振動通過第二級隔振裝置吸收掉，從而達(dá)到更為高效的隔振效果。由于采用了雙重隔振裝置，二級隔振能夠更有效地吸收機(jī)器的振動和噪聲，隔振效果優(yōu)于一級隔振。

通過增加壓縮機(jī)隔振，如圖9所示形成壓縮機(jī)支架懸置-電機(jī)懸置的二次隔振，可以有效地減少電動空調(diào)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)傳遞，有利于降低車內(nèi)噪聲。

進(jìn)一步驗(yàn)證驗(yàn)證電動壓縮機(jī)支架增加二級隔振，通過測試結(jié)果得知，如圖10所示，增加壓縮機(jī)隔振支架中高頻聲優(yōu)化5 dB，有效地提升了車內(nèi)噪聲水平。

44 壓縮機(jī)聲學(xué)包裹

從空氣路徑控制：實(shí)施電動壓縮機(jī)聲學(xué)包裹，降低電動壓縮機(jī)本體噪聲能量的傳遞，通過對電動壓縮機(jī)本體進(jìn)行聲學(xué)包裹，包裹如圖11所示，降低空氣輻射聲，通過對比測試得知壓縮機(jī)臺架噪聲改善4 dB（A），對比結(jié)果如圖12所示。

由于壓縮機(jī)高低壓管路長度增長方案需要壓縮機(jī)位置上移65 mm，PTC橫置改為豎置，經(jīng)過總布置確認(rèn)無法工程化，最終通過上述3種優(yōu)化方案以及風(fēng)扇占空比策略、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速兩種控制策略的聯(lián)合優(yōu)化，壓縮機(jī)基頻為主的300 Hz以下的振動和噪聲以及500～2 000 Hz頻段的中高頻噪聲達(dá)標(biāo)目標(biāo)要求。針對純電動汽車空調(diào)壓縮機(jī)振動噪聲較大的問題，采取綜合方案進(jìn)行解決具有較高的工程指導(dǎo)應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語

本文通過對某SUV純電動車空調(diào)振動噪聲問題進(jìn)行了分析與研究，通過結(jié)構(gòu)路徑、空氣路徑方案優(yōu)化與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略的方法， 解決了電動空調(diào)的振動噪聲問題，有效地提升了乘客的駕乘舒適性，具有較高的工程指導(dǎo)意義，具體結(jié)論如下：a.通過對電動壓縮機(jī)相關(guān)的問題分析和結(jié)構(gòu)傳遞路徑進(jìn)行優(yōu)化，提出了增加壓縮機(jī)支架隔振、降低襯套硬度等關(guān)鍵路徑優(yōu)化措施，解決了電動壓縮機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)由共振引起的車內(nèi)振動噪聲大的問題。b.提出了一種解決電動壓縮機(jī)振動噪聲問題新的思路，通過壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略優(yōu)化怠速開空調(diào)工況低速共振問題，同時(shí)也可以解決壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在高轉(zhuǎn)速時(shí)車內(nèi)噪聲大的問題。該優(yōu)化方案針對純電動汽車空調(diào)壓縮機(jī)振動噪聲較大的問題，不僅有效地解決了當(dāng)前車型的噪聲問題，還展現(xiàn)出了廣泛的工程指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅穎，許偉康，俞曉勇電動汽車空調(diào)系統(tǒng)振動噪聲分析[J]汽車工程師，2019（8）：41-44

[2]涂志健汽車空調(diào)系統(tǒng)噪聲源分析及評價(jià)[D]合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2017

[3]朱志文某純電動轎車空調(diào)壓縮機(jī)振動噪聲分析及改進(jìn)[J]時(shí)代汽車，2024（4）：165-167

[4]馬一鳴，白楊翼，楊興龍，等某純電動汽車電動壓縮機(jī)振動噪聲問題分析與優(yōu)化[J]汽車實(shí)用技術(shù)，2022，47（22）：16-20

[5]宋魯濤，王雷，王暉，等汽車空調(diào)吹腳模式地板振動分析與控制 [J]汽車工程師，2014（8）：42-44

[6] 張敬東，起雪梅，杜仕武空調(diào)管路振動性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，25（5）：705-710

作者簡介：

柳禮，男，1985年生，高級技師，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰爸悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)。