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某純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)噪聲分析與優(yōu)化

2019-10-17 02:24:06劉小華黃偉莫崇衛(wèi)蔣帥戴勇王元林
汽車零部件 2019年9期
關(guān)鍵詞:碳刷鼓風機異響

劉小華,黃偉,莫崇衛(wèi),蔣帥,戴勇,王元林

(湖南獵豹汽車股份有限公司,湖南長沙 410100)

0 引言

純電動汽車利用三電系統(tǒng)取代傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機燃油系統(tǒng)等相關(guān)動力單元,發(fā)動機、進排氣系統(tǒng)的消失使得汽車整體噪聲水平大大降低,空調(diào)系統(tǒng)的噪聲問題隨之更加凸顯。同時,由于其布置位置距離駕乘人員較近,噪聲異響會直接影響人們的駕乘體驗。所以空調(diào)系統(tǒng)的噪聲問題研究具有重要意義。面對汽車空調(diào)噪聲問題,同濟大學黃鎖成等[1]、重慶大學盧喜和楊誠[2]、合肥工業(yè)大學涂志健和陸益民[3]、吉林大學史文庫等[4]、廣汽集團鄭淳允[5]針對壓縮機開展了大量工作,顧燦松等[6]、李猛等人[7]針對空調(diào)管路噪聲進行研究,同濟大學李啟良等[8]針對空調(diào)系統(tǒng)的氣動噪聲利用CFD仿真手段取得了較好的效果。但是少有學者從空調(diào)系統(tǒng)實車NVH表現(xiàn),結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)工作原理,主觀評價和客觀測試相結(jié)合,進行空調(diào)系統(tǒng)的NVH問題整改。

本文作者針對在整車NVH主觀評價中,空調(diào)系統(tǒng)存在明顯的嘯叫及“吱吱”異響,嚴重影響實車駕乘體驗的問題,通過主觀噪聲識別,確認空調(diào)系統(tǒng)在壓縮機不工作,尤其1、4擋風量下噪聲特征較明顯;基于空調(diào)系統(tǒng)工作原理和噪聲機制分析,結(jié)合特定工況(AC OFF、吹面、內(nèi)循環(huán)狀態(tài)),1、4擋風量下的振動噪聲客觀測試數(shù)據(jù)分析,從噪聲源、噪聲傳遞路徑兩個方面入手,對鼓風機和空調(diào)風道進行優(yōu)化,成功降低空調(diào)系統(tǒng)噪聲,主觀評價改進后噪聲可接受,有效提升了實車的NVH表現(xiàn)。

1 空調(diào)系統(tǒng)工作原理和噪聲機制分析

空調(diào)系統(tǒng)是汽車重要系統(tǒng)之一,具有采暖、制冷、除霜、除霧、空氣調(diào)節(jié)、溫濕度自動控制等功能??照{(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機、冷凝器、散熱器、冷卻風扇、鼓風機、風道、膨脹閥、相關(guān)管路附件和傳感器等組成,其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

空調(diào)系統(tǒng)利用內(nèi)、外循環(huán)選擇進氣來源,吹面、吹腳、吹玻璃切換出氣吹風位置,風量調(diào)節(jié)旋鈕控制鼓風機來調(diào)節(jié)風量大小。通過按鈕AC ON/AC OFF調(diào)節(jié)壓縮機來決定是否制冷。通過PTC按鈕調(diào)節(jié)來決定是否制熱。

空調(diào)系統(tǒng)噪聲主要來源于壓縮機、鼓風機、風道、冷卻風扇等主要部件,其噪聲主要可分為電機噪聲、機械噪聲、氣流噪聲與異響。電機噪聲主要來源于鼓風機、壓縮機,機械噪聲來源于各運動機械部件,氣流噪聲則主要來源于空調(diào)風道。噪聲產(chǎn)生的機制如下。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.1 電機噪聲

電機噪聲主要包括電磁噪聲和滑動、摩擦引起的機械噪聲。電磁噪聲是繞組的電磁力作用在定、轉(zhuǎn)子的氣隙中產(chǎn)生的徑向和切向的電磁力,使定子發(fā)生振動而輻射噪聲,該噪聲主要與電磁力幅值、頻率、極對數(shù)以及定子結(jié)構(gòu)固有頻率相關(guān)。而機械噪聲則與機械結(jié)構(gòu)、制造、裝配工藝相關(guān)。

對電磁噪聲而言,根據(jù)麥克斯韋張量法可計算作用于定子結(jié)構(gòu)的徑向電磁激振力密度fr和切向電磁激振力密度ft,可表示為

(1)

(2)

式中:bn、bt分別為氣隙磁通密度的徑向和切向分量;u0為真空磁導率。定、轉(zhuǎn)子磁通密度相互作用產(chǎn)生的電磁力波階次r和對應的頻率fr為

r=μi+λj=2p(3m+n+1)

(3)

r=μi-λj=2p(3m-n)

(4)

fr=(1±u)f

(5)

式中:p為電機極對數(shù),文中鼓風機電機為2對極,系數(shù)m=±1,±2,±3,......,系數(shù)n=1,2,3,......;fr為力波激振頻率,f為電源頻率。綜合式(1)—(5),可知電磁噪聲的階次為2p及其整數(shù)倍,即鼓風機電機電磁噪聲階次為4、8、12、16、......

1.2 機械噪聲

機械噪聲是旋轉(zhuǎn)機械引起的系統(tǒng)不平衡產(chǎn)生的振動和噪聲,其頻率應是轉(zhuǎn)動系統(tǒng)基頻的整數(shù)倍,即有

fn=nf0=nN/60

(6)

式(6)中:fn為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的振動和噪聲頻率;f0為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率;N為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。此外,鼓風機也會產(chǎn)生電機碳刷、氣門等運動件噪聲。

1.3 氣流噪聲

氣流的起伏運動或氣動力會產(chǎn)生氣流噪聲,常見的氣流噪聲有噴氣噪聲、邊棱聲、卡門渦旋聲、受激渦旋聲、螺旋槳噪聲、風扇噪聲等。對空調(diào)系統(tǒng)而言,外界空氣在鼓風機作用下進入HVAC空腔,然后通過蒸發(fā)器、暖風器及風道后從空調(diào)出風口進入車內(nèi),從而實現(xiàn)制冷、采暖、過濾等功能。在氣流流動過程中,產(chǎn)生的氣流噪聲主要為風扇噪聲和氣流噪聲。

風扇噪聲是風扇葉片相對于氣流運動、給氣流以力的作用而輻射的噪聲。風扇葉片的運動是螺旋的周期運動,噪聲場也繞風扇葉片軸線旋轉(zhuǎn),輻射噪聲具有明顯的離散頻譜,其基頻為

(7)

式(7)中:f為輻射噪聲基頻;B為葉片數(shù)目;ω為旋轉(zhuǎn)角速度或者圓頻率。此外,輻射噪聲還與迎面氣流是否按空間均勻分布有關(guān)。

氣流噪聲是由于空氣在風道中產(chǎn)生紊流引起的高頻噪聲,同時高速氣體壓力變化導致管道振動,增大空氣噪聲。其主要影響因素為流道的結(jié)構(gòu)、流速、壓力等。

綜上所述,文中所研究的工況(AC OFF、吹面、內(nèi)循環(huán)狀態(tài))下,壓縮機不工作,噪聲主要由鼓風機和風道產(chǎn)生。

2 空調(diào)系統(tǒng)的噪聲測試與分析

利用LMS測試設備在半消聲室內(nèi)進行空調(diào)系統(tǒng)振動噪聲客觀測試,在AC OFF、吹面、內(nèi)循環(huán)工況下1、4擋風量進行振動噪聲試驗,并采集相應的測試數(shù)據(jù),主駕內(nèi)耳噪聲測點麥克風布置見圖2(a),鼓風機上振動傳感器布置見圖2(b),1擋和4擋風量下的測試結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

從圖3(a)可以看出:386 Hz處有較明顯的聲壓高亮區(qū)域,通過對測試結(jié)果濾頻后,主觀特征識別為鼓風機電機的嘯叫噪聲;在775 Hz處的噪聲,通過特征識別判定為鼓風機電機碳刷異響。圖3(b)中1擋風量下測試的振動加速度、噪聲聲壓級數(shù)據(jù)在386 Hz處均出現(xiàn)最大峰值,分別為0.058g和34 dB(A)。通過鼓風機殼體上的振動數(shù)據(jù)分析,1擋風量下鼓風機電機轉(zhuǎn)動頻率為16.02 Hz。因此,386 Hz處嘯叫噪聲為鼓風機電機的24階噪聲。

圖2 空調(diào)系統(tǒng)噪聲測試測點布置圖

圖3 1擋風量下的測試結(jié)果

圖4 4擋風量下的測試結(jié)果

從空調(diào)系統(tǒng)4擋風量的噪聲瀑布圖可知:在167.85~281.65 Hz頻率范圍內(nèi)有明顯高亮聲壓帶,對測試數(shù)據(jù)進行濾頻處理,主觀特征識別確認為風道噪聲;在404 Hz處的聲壓高亮區(qū)域,主觀表現(xiàn)為電機嘯叫噪聲;在1 110 Hz處的噪聲主觀表現(xiàn)為碳刷異響。圖4(b)的振動加速度、噪聲聲壓級測試數(shù)據(jù)在404 Hz處出現(xiàn)峰值,分別為0.28g和54 dB(A)。而4擋風量下鼓風機電機的旋轉(zhuǎn)頻率為33.84 Hz,可知404 Hz處嘯叫噪聲為鼓風機電機的12階噪聲。

所以,當前狀態(tài)下空調(diào)系統(tǒng)噪聲主要由鼓風機電機的階次噪聲、碳刷異響和風道噪聲構(gòu)成。

3 空調(diào)系統(tǒng)的噪聲優(yōu)化與驗證

3.1 鼓風機電機優(yōu)化

根據(jù)噪聲測試結(jié)果,鼓風機電機存在電磁階次噪聲和碳刷異響。其聲音傳遞的路徑為電機定轉(zhuǎn)子磁場→鼓風機殼體→車內(nèi)聲腔→人耳。從定轉(zhuǎn)子間磁場來改善電磁階次噪聲,對電機定轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)控制和裝配精度有較高要求,且較難實現(xiàn)。綜合考慮方案可行性及項目周期等因素,從鼓風機殼體進行噪聲優(yōu)化。通過提升鼓風機殼體的剛度和模態(tài),減小振動幅值從而降低噪聲。在鼓風機殼體后端蓋上增加加強筋的數(shù)量和類型,提升殼體的整體剛度,優(yōu)化前、后的結(jié)構(gòu)方案如圖5所示。

圖5 鼓風機殼體原始方案與優(yōu)化方案

針對電機碳刷異響,進行直流有刷電機結(jié)構(gòu)分析。直流有刷電機基本結(jié)構(gòu)如圖6所示,初步確認噪聲源為碳刷與換向器間摩擦產(chǎn)生。對電機結(jié)構(gòu)進行拆解,發(fā)現(xiàn)碳刷彈簧壓力偏小導致配合間隙偏大,同時安裝角度不當導致偏磨??紤]碳刷壽命,最終實施方案為增加碳刷彈簧壓力值并調(diào)節(jié)碳刷安裝角度。

圖6 直流有刷電機基本結(jié)構(gòu)示意

綜合應用鼓風機殼體優(yōu)化方案和電機碳刷優(yōu)化方案,開展整車噪聲客觀測試。優(yōu)化后噪聲結(jié)果如圖7所示。

從圖7(a)可知:386 Hz處的鼓風機電機24階噪聲的優(yōu)化效果明顯,優(yōu)化后離散為312~506 Hz的頻率帶,噪聲峰值下降明顯,主觀識別嘯叫噪聲基本消除;同時在775 Hz處的碳刷異響也得到明顯改善。從圖7(b)可看出:在404 Hz處聲壓高亮區(qū)明顯減少,可知鼓風機電機12階噪聲改善效果明顯,同時1 110 Hz處電機碳刷異響也得到改善。

圖7 鼓風機優(yōu)化后噪聲

3.2 風道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

空調(diào)風道局部氣流阻力增大或紊流是流道嘯叫噪聲產(chǎn)生的主要原因,可通過CFD仿真技術(shù)進行噪聲改善[8]。通過HyperMesh和STAR前處理軟件對吹面風道壁面和流體進行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格類型采用六面體和棱柱體。根據(jù)進風量要求,設置入口邊界為400 m3/h,建立的空調(diào)風道有限元模型如圖8所示。運用STAR CCM+計算流體動力學軟件進行分析,得到風道壓力和流速分布云圖見圖9。

圖8 空調(diào)風道有限元模型

圖9 空調(diào)風道CFD分析結(jié)果

從圖9(a)中可發(fā)現(xiàn)風道彎折處壓力最大值為300 Pa,該處壓力變化較大且壓力損失較大,結(jié)合圖9(b)可發(fā)現(xiàn)該處風速達到22.54 m/s,存在局部渦流,高速渦流氣體會產(chǎn)生嘯叫噪聲,主要由于空調(diào)風道結(jié)構(gòu)兩側(cè)風道的圓角過渡半徑較小。針對分析結(jié)果進行風道結(jié)構(gòu)優(yōu)化:加大風道圓角過渡。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖10所示,重新進行空調(diào)風道CFD仿真,結(jié)果如圖11所示。

圖10 空調(diào)風道優(yōu)化方案

圖11 空調(diào)風道優(yōu)化方案CFD分析結(jié)果

圖11(a)中優(yōu)化方案風道彎折處壓力為230 Pa,較原始方案下降了70 Pa(下降率23.3%)。同時,圖11(b)中風道彎折處風速為22.22 m/s,較原始方案下降了0.32 m/s(下降率1.4%),且風道內(nèi)流線無明顯渦流產(chǎn)生。綜合CFD分析結(jié)果,改進后風道折彎處壓力值降低明顯,消除了風道局部渦流,有利于降低風道噪聲。

3.3 綜合驗證

綜合實施上述鼓風機和風道優(yōu)化方案,相同工況下進行整車噪聲客觀測試,對比改進前、后空調(diào)系統(tǒng)噪聲結(jié)果如圖12所示。

圖12 空調(diào)HVAC駕駛員內(nèi)耳噪聲瀑布圖

改進后駕駛員內(nèi)耳噪聲聲壓級比改進前降低了4.13 dB(A),鼓風機電機的第12階和第24階階次噪聲改善明顯,電機嘯叫噪聲基本消除。碳刷異響和風道噪聲均得到明顯優(yōu)化,主觀評價已基本感覺不到,空調(diào)系統(tǒng)聲品質(zhì)明顯改善。

4 結(jié)論

以某純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)為研究對象,通過整車主觀評價、空調(diào)系統(tǒng)工作原理、噪聲產(chǎn)生機制和空調(diào)系統(tǒng)客觀測試分析,全面剖析了空調(diào)系統(tǒng)的噪聲組成和產(chǎn)生原因,針對性提出改進措施,有效降低了空調(diào)系統(tǒng)的噪聲,得到以下結(jié)論:

(1)通過特定工況下的噪聲客觀測試,針對噪聲瀑布圖和主觀噪聲特征識別,并結(jié)合噪聲機制分析,確定空調(diào)噪聲主要由鼓風機電機的階次噪聲、風道噪聲和碳刷異響構(gòu)成。

(2)對鼓風機殼體進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,同時調(diào)整鼓風機電機碳刷安裝角度與彈簧壓力值,從源頭改善振動噪聲。運用CFD仿真技術(shù)將風道折彎處壓力由300 Pa降低至230 Pa,消除風道渦流,從路徑上改善整車噪聲。綜合驗證表明,車內(nèi)主駕內(nèi)耳噪聲聲壓級降低了4.13 dB(A),基本消除了鼓風機電機嘯叫噪聲、風道噪聲與碳刷異響等問題。

(3)針對空調(diào)系統(tǒng)中的鼓風機、風道等提出具體的解決思路和對策,對純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)NVH性能的正向開發(fā)具有一定的指導意義。

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