某车型怠速开空调压缩机噪声问题研究与优化

摘要：某车型在怠速开空调压缩机吸合工况下，车内出现明显的低频噪声，空调压缩机关闭后，该噪声消失。通过采集振动、噪声数据，并对数据后处理及滤波回放分析，确认开空调车内低频噪声是压缩机造成的。对空调系统硬件分析、排查并整改验证，确认压缩机吸、排气管路冷媒压力脉动为关键因素。最终确认在压缩机排气管增加扩张腔、并降低吸气管内径的方案，主观车内噪声优化明显，客观数据显示车内压缩机主阶次噪声降低10.1dB(A)。

汽车空调系统作为车内温度调节的设备是必不可少的装置，在人们对汽车噪声、振动与声振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）要求越来越高的今天，随着发动机等新能源车型背景噪声的降低，空调压缩机噪声问题逐渐凸显。同时，空调压缩机负荷随着环境温度的升高而变大，负荷增大往往噪声也会增大，在夏季高温地区，异常的压缩机噪声更加令驾驶者难以接受，使汽车的驾驶舒适性急剧下降。

徐鑫莉等通过对变排量活塞式压缩机工作原理的阐述，分析了噪声源的产生和压缩机工作原理，在优化压缩机结构基础上，通过加消声器、隔声罩等，可进一步达到降低噪声的良好效果。王翔通过研究斜盘式变排量压缩机，结合结构理论分析及实际试验的方式给出了在吸气口增加单向阀和提高阀板环槽的加工精度的方案，改善吸排气脉动。LUKEN等提出一种测量和分析压力脉动的方法，通过建立计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）模型来研究压缩机冷媒压力脉动的影响因子，并且对影响因子进行优化改进，降低车内乘客所感知到的脉动噪声。

本文以某款前置前驱承载式车型搭载的皮带传动斜盘式变排量压缩机为研究对象，针对该车型在怠速开空调工况下车内出现的低频噪声，从源-路径的角度进行分析，通过测试手段确认问题由压缩机管路传递导致，最终通过优化压缩机吸、排气管路设计，使问题得到明显改善。

1  空调系统结构与问题特征

1.1 空调系统简介

汽车空调系统是实现对车厢内空气进行制冷、加热、换气和空气净化的装置，它可为车内人员提供舒适的环境；其主要结构包括制冷系统、暖风系统、通风与空气净化系统和控制系统等部分。

本文分析的问题车型空调系统如图1所示，压缩机固定在发动机，冷凝器固定在车身前端，膨胀阀固定在车身前围钣金，空调箱布置在驾驶室仪表台内，空调管路通过三个安装点与车身相连接。

图1 空调系统布置形式

①—压缩机；②—压缩机排气管；③—冷凝器；④—压缩机吸气管；⑤—空调箱；⑥—膨胀阀；⑦⑧⑨—空调管与车身固定点。

1.2 问题特征描述

样车在开发阶段驾评发现，高温环境下，怠速开空调鼓风机低挡位，压缩机吸合后，车内存在明显异常噪声，前排比后排明显，持续时间长，主观感受较差，关闭压缩机后声音消失。

利用LMS公司Test Lab软件及设备，对空调压缩机、膨胀阀振动、车内及压缩机近场噪声数据进行相应工况采集（如图2所示），并对数据进行滤波回放分析，确认车内噪声抱怨的问题频率为126 Hz（如图3所示），且压缩机、膨胀阀本体126 Hz振动明显，结合问题表现及主观感受，判断该问题与空调压缩机管路系统相关性高。

图2 测点布置

图3 P挡怠速开空调噪声与振动图

2 问题分析与解决思路

2.1 问题分析

该车匹配皮带传动式、外控变排量活塞式压缩机，该压缩机主要参数如表1所示，P挡怠速开空调发动机转速为810 r/min。

表1 压缩机主要参数

式中，n为发动机转速，r/min；a为压缩机与发动机曲轴速比；b为压缩机缸数。

根据式（1）计算压缩机阶次频率为126 Hz，与开空调车内异常噪声问题频率相对应。

对问题频率数据分析（如图4所示）发现，压缩机近场噪声126 Hz峰值低于车内噪声峰值，因此，判断该问题主要为结构传递；进一步分析振动数据发现，压缩机壳体126 Hz振动幅值只为膨胀阀本体的35%左右，因此，怀疑该问题为空调管路和冷媒传递并放大，经膨胀阀进入车内，引起抱怨。

图4 车内噪声及压缩机系统振动频谱图

2.2 解决思路

通过上述分析，初步锁定是空调管路和冷媒传递、放大导致。针对此原因，可从表2所列方面进行排查、分析。

表2 126 Hz问题排查点

2.3 问题点确认

2.3.1 膨胀阀

横向对比同平台无此问题的车型发现，两车型匹配的膨胀阀结构尺寸一样，为共用样件，初步判断膨胀阀对此问题影响不大。

2.3.2 管路车身固定点

该空调压缩机吸、排气管路共有三个安装点（如图1所示），且均有隔振垫与车身相隔离，初步判断隔振垫非关键因素。

2.3.3 空调管路

分析、测量压缩机吸、排气管结构，如表3所示。

表3 空调管路参数

从结果来看该段压缩机吸、排气管胶管长度均达到总长度的50%（如图5所示），且胶管硬度为55 shore，从布置和工程可行性来看，胶管加长的可能性不大。

图5 原状态空调管路

从管道压力脉动的角度来看，压缩机排气管无扩张腔以及吸气管较粗、内径达到19 mm，这两点均不利于降低管路冷媒压力脉动。

3 整改验证

3.1 方案一：排气管加扩张腔（优化排气管压力脉动）

为降低空调冷媒压力脉动，在压缩机管路上增加扩张腔是一种较为有效的措施。一般根据制冷剂压力脉动峰值频率及有关制冷剂的参数，来设计扩张腔的长度和扩张比。

消声器的长度：

管道声速：

式中，f为需优化的问题频率；k为气体的比热容；R为气体常数；T为制冷剂的温度，K。

扩张腔消声量（近似值）：

式中，m为扩张腔的扩张比。

本次整改方案中，计划在排气管靠近压缩机端盖附近增加扩张腔，在布置空间允许的前提下，尺寸尽量大，本方案扩张腔尺寸为80 mm×45 mm（长×直径），如图6所示。

图6 压缩机排气管加扩张腔

经过实车验证，在排气管靠近压缩机端盖处增加扩张腔后，主观车内异常噪声优化明显，数据显示车内驾驶员外耳126 Hz峰值降低7 dB(A)，说明排气管路压力脉动是主要影响因素。

3.2 方案二：吸气管内径降低（优化吸气管压力脉动）

根据流体流动过程中的质量守恒定律可知，单位时间流经管路任一有效断面的流体质量为常数，因此，当管道截面面积减小时，流体流速将增大。

式中，ρ为流体密度，kg/m3；A为管路有效断面面积，m2；v为有效断面上的平均速度，m/s。

根据伯努利定理可知，当流体流速增加时，流体的压力将减小，因此，降低管道内径可优化流体压力脉动。

为快速验证并解决问题，本次在现有尺寸系列中，选择将压缩机吸气管胶管段内径由19 mm降低至16 mm进行验证；主观感受车内异常噪声有明显优化，数据显示车内驾驶员外耳126 Hz峰值降低6 dB(A)，说明吸气管路压力脉动也有很大影响。

3.3 方案三：排气管加扩张腔、吸气管内径降低

将方案一和方案二措施同时进行叠加验证，主观优化效果非常明显，达到可接受水平，客观数据显示车内驾驶员外耳126 Hz峰值降低10.1 dB(A)。如图7所示。

图7 方案三车内驾驶员外耳噪声对比

4 结论

空调系统NVH问题包括机械、流体噪声，且受车内和车外环境温度的影响，需要在开发前期密切关注空调压缩机、冷凝器、管路、膨胀阀、蒸发器、空调管路扩张腔等结构的设计、布置及相关匹配。

本文为了解决开空调压缩机吸合后车内压缩机噪声问题，通过系统分析及试验验证，锁定空调管路冷媒压力脉动为主要原因。最终通过在压缩机排气管增加扩张腔以及降低吸气管内径的低成本方案，优化空调吸、排气管路冷媒压力波动，最终解决车内噪声问题。此研究对解决冷媒压力波动引起的压缩机问题具有指导意义，为后续类似问题提供快速进行验证的思路及方案。

作者：艾鸿根1,2，陈清爽1,2，涂 迪1,2，邹志辉1,2，洪有明1,2

1.江铃汽车股份有限公司

2.江西省汽车噪声与振动重点实验室