涡旋式汽车空调压缩机怠速异响分析与控制

导读

针对某车厂抱怨怠速开空调时车内“嗒嗒音”问题，通过噪声频谱及滤波分析可知，“嗒嗒音”频率成分集中在400~730 Hz左右，经台架试验分析为涡旋式压缩机的排气脉动引起。借助扩张式消声器理论模型，对压缩机气流通道进行改进，改进前后排气脉动由18.5 kPa降低至9.0 kPa左右，对改进状态的压缩机装车验证，结果表明400~730 Hz的频段噪声降低近6dB （A）左右，车内主观评价“嗒嗒音”得到明显改善，得到了客户认可。此抱怨问题的解决为涡旋式汽车空调压缩机的设计提供了思路，可将其应用与同类产品的研发当中。 

01  引言

NVH （Noise、Vibration、Harshness）指噪声振动舒适性的简称，它是衡量车内舒适性的一项关键指标，越来越受到私家车主及汽车企业的重视。汽车空调系统是车内温度调节的装置，空调压缩机作为其核心部件，在夏季车内的温度调解中起了重要作用。同时，当空调开启时，压缩机也是一个不可忽视的噪声振动源。

目前，涡旋式压缩机在汽车空调行业得到了广泛的应用。它的优势是噪声振动小，但排气脉动问题突出，尤其在低转速高负荷的状态下，车辆怠速NVH问题多是由排气脉动引起。

消声器用于气流噪声的降低，它可看作管道的一部分，根据管道噪声的频率特征选择合适的消声器尤为重要。

针对某车厂客户抱怨怠速状态下开启空调，车内出现“嗒嗒音”异响问题。参考抗性扩张式消声器理论模型，对压缩机高压腔进行改进设计，将排气孔后部的气流通道设计成3个并联式扩张消声器结构，进而达到控制车内怠速异响问题。

02  台架试验分析

涡旋式汽车空调压缩机设有排气阀，随着压压缩机缩机转动，中心腔压力逐渐升高，当中心腔的压力高于背压时，压缩机开始排气，当中心腔的体积达到最小时，排气结束。因此，涡旋式汽车空调压缩机的排气是不连续的，这就导致了排气压力脉动[1-2]。

2.1 管路近场噪声试验分析

如图1所示，为脉动、噪声测试系统的现场照片。测试工况为压缩机转速1020 r/min，吸、排气压力分别为绝压0.28 MPa、1.6 MPa，吸气温度8.7℃。

待工况稳定时，主观评价管路抖动明显、产生规律的“嗒嗒音”。对麦克风原始信号进行处理得到FFT、选择指数平均，如图2所示为处理后管路近场噪声频谱，存在明显的调制现象。经过软件的双光标功能显示，调制频率为压缩机排气频率17.5 Hz，这应是由涡旋式压缩机的不连续排气导致的脉动现象。

对原始信号进行滤波评价分析，结果表明，上述规律的“嗒嗒音”能量主要集中在800 Hz以内。

2.2 脉动分析

试验结果表明，高频压力传感器采集的脉动有效值为18.3 kPa、脉动频谱如图3所示，能量主要集中在排气频率17.5 Hz及其倍频处。结合上述噪声主观评价分析可知，不连续排气是产生“嗒嗒音”的根源。

03  扩张消声结构设计

为了控制压缩机排气脉动，在排气腔设计了消音结构。

阻性消声器主要适用于中高频噪声的控制，结构较为复杂。共振消声器适合于单频噪声的控制。抗性消声器结构简单，利用管道内声学特性的突变处将部分声波反射回声源方向，以达到消声目的，主要适用于降低中低频段的噪声，较为常用的是扩张式结构，其结构示意图如图4所示。

本文以扩张式消声结构作为参考，对压缩机排气腔的静盘结构进行改进，并将改进结构申请了专利。

改进前的结构如图5所示，涡旋式压缩机的高压气流从排气孔2排出后，直接沿箭头方向进入空调系统管路，由于压力突然释放，会产生气流脉动。改进后的如图6所示，气流从排气口2排出后需经过3个并联的扩张消声腔3，然后才能进入空调系统管路。经过扩张消声腔的作用，使得气流脉动得到控制。

04  改进状态压缩机效果验证

4.1 单体改进效果分析

对上述改进状态的压缩机进行效果验证，试验工况同上文2.1所述。

测试结果如图7所示，深色曲线代表原状态的噪声频谱，脉动有效值为18.5 kPa；浅色曲线代表改进状态的噪声频谱，脉动有效值为9.0 kPa。

改进前后的脉动时域与频域信号分别如图7、8所示；管路近场噪声频谱如图9所示。

4.2 装车效果验证

如图所示为抱怨车辆在怠速空调工作状态下、司机右耳处噪声频谱。试验在标准半消声室内完成，保证2种状态的测试条件一致。

由图10可知，压缩机改进前后400~730 Hz频带的声压级由41.5dB （A）降低至35.4dB （A）左右，降噪幅度约6dB （A），且主观评价“嗒嗒音” 已察觉不到。

05  结语

1. 由压缩机台架试验分析可知，车内抱怨的“嗒嗒音”为压缩机排气脉动导致。经过软件滤波分析可知，“嗒嗒音”由排气频率调制产生了800 Hz以内的宽频噪声。

2. 通过参考扩张消声结构，对抱怨车辆空调的压缩机排气腔结构进行改进，结果表明改进后单体排气脉动得到有效控制，由18.5 kPa减小至9.0 kPa。

3 . 对改进后的压缩机装车验证，结果表明车内“嗒嗒音”频段的声压级降低了6.1dB （A）。主观评价改善效果明显，开启空调后无抱怨声音存在，得到了客户认可。

综上所述，通过本文的研究可知，在压缩机内部引用扩张消声结构可控制排气脉动，这对解决涡旋式空调压缩机引起的异响问题起到实质作用。另外，由于整车与台架的空调管路约束条件不同，加上噪声的传递路径不同，这导致了车内噪声与台架噪声的频谱存在一定差异。

本文作者：冀军鹤，贾继承，易丰收，单位：南京奥特佳新能源科技有限公司。