汽车空调系统拍频现象引起的车内噪声研究与解决

2009 年 国用户大会论文集 - 1 - 汽车空调系统拍频现象 引起的车内噪声研究与解决 朱卫兵 李宏庚 （上汽通用五菱汽车股份有限公 司 广西柳州 545007） 摘要 汽车室内噪声是汽车 主要内容。引起车内噪声的因素很多，主要有发动机噪声、进排气噪声、传动系噪声以及高速行驶时的风噪声等等；汽车空调系统在工作时也会产生非常明显的车内噪声，而且其产生的噪声相对容易被乘员辨识。空调系统压缩机、蒸发器、鼓风机及管路系统有轻微噪声是正常的，但是如果噪声过大或存在异响，就说明空调系统有故障，需要及时处理。本文针对国内某款微型面包车在开发过程中出现空调系统拍频异响问题，采用分别运转法、频谱分析法等将存在的异响问题解决，从而降低汽车车内噪声，同时也为汽车工程技术人员 发提供借鉴。 关键词： 汽车速比 压缩机 发电机 拍频 on o, 45007) is of of on it its to it on In its a in if it be in to to of At its a to s VH 前言 汽车空调系统在工作时也会产生非常明显的车内噪声，而且其产生的噪声相对容易被乘员辨识。空调系统压缩机、蒸发器、鼓风机及管路系统有轻微噪声是正常的，但是如果噪声过大或存在异响，就说明空调系统有故障，需要及时治理。 本文针对国内某款微车在开发过程中，由于空调系统拍频现象导致的车内噪声过大问题，采用分别运转法、频谱分析法等方法来确定汽车产生拍频现象的源头，并运用适当的方法来解决此问题，同时也为汽车工程技术人员 发提供借鉴。 2 空调系统噪声分析 汽车空调系统工作原理 目前的车载空调系统，绝大部分都是基于压缩机制冷的原理进行工作的。由于空调系统在工作时，内部同时存在气体和液体，使得空调系统工作时气体噪声、固体噪声以及液体噪声同时存在。通常，用于制冷的小型高速压缩机是空调系统噪声的最主要噪声源之一，如果当汽车空调系统开启时存在比较大的振动声，主要来源于压缩机和压缩机支架，如果支架松动或压缩机漏油，通常可以通过加固压缩机支架、更换压缩机密封件、增加润滑油使噪声问题得以解决。汽车空调制冷系统基本工作原理见图 1： 2009 年 国用户大会论文集 - 2 - 图 1 汽车 空 调系统 工 作原 理 )2F (A) F (A) ac 关空调状态 开空调状态 图 2 怠速关/开空调时驾驶员耳旁 2 阶噪声 周期性轰鸣异响 ()er (A) 00 0 s图 3 怠速开空调驾驶员耳旁噪声 周期性 轰鸣异响 压缩机使制冷剂从气态转变液态，达到制冷剂散热凝露的目的；同时在整个空调系统，压缩机还是管路内介质运转的压力源，压缩机往往是安装在发动机上，并用皮带驱动（也有直接驱动的） ，冷凝器安装在汽车散热器的前方，而蒸发器在车里面，工作时从蒸发器出来的低压气态致冷剂流经压缩机变成高压高温气体，经过冷凝器散热管降温冷却变成高压低温的液体，再经过贮液干燥器除湿与缓冲，然后以较稳定的压力和流量流向膨胀阀，经节流和降压最后流向蒸发器。致冷剂一遇低压环境即蒸发，吸收大量热能。车厢内的空气不断流经蒸发器，车厢内温度也就因此降低。液态致冷剂流经蒸发器后再次变成低压气体，又重新被吸入压缩机进行下一次的循环工作。 车辆状态描述 某型微车的主要配置参数如下表 1；开发阶段：中期样车； 怠速开空调时，车内存在非常明显的异响声，声音为有节奏（时间间隔为 1）的时断时续的周期性轰鸣声，主观感觉非常不舒服；加速情况下，在 3700存在着同样的时断时续的周期性轰鸣问题；严重影响了驾乘舒适性。该车可能涉及到空调系统噪声的主要配置如下： 表 1 车辆主要配置及参数 类 别 型 式 类 别 型 式 发动机 四缸四冲程汽油机 空调压缩机 10 缸斜板型往复活塞式 发动机与压缩机传动比 1： 风机 分别工作 发动机与发电机传动比 ： 发器 前蒸 +顶蒸 3 噪声源识别 采用以下方法，初步判断分析问题产生源头， 速情况 定置状态下，车辆保持怠速； （ 1） 关闭空调系统，无异响； （ 2） 打开鼓风机，让空调系统处于停止状态，噪声增大但无异响； （ 3） 开启空调系统，有周期性轰鸣异响，时间间隔为 右； 在开关空调系统两种状态下，按照 18697学 汽车车内噪声测量方法布置驾驶员测量点，分别测量驾驶员右耳处的噪声阶次 图 2，图 3； （图 2中蓝色线为关空调状态时的驾驶员耳旁 2阶噪声图，绿色线为开空调状态时的驾驶员耳旁 2阶噪声图） 2009 年 国用户大会论文集 - 3 - 怠速开空调压缩机总成支架 X 向振动 从图 2可以发现，关空调时，出现有轻微的 2阶周期性轰鸣声，造成的影响基本可以忽略；开空调状态明显增加了有节奏的周期性轰鸣噪声，主要为 2阶噪声，由图 3可以看出，周期性轰鸣声的频率主要为 33间间隔约为 主观感觉异响状态相吻合。 从主观声音评估是来自于压缩机与发电机连接处；安装 1个三向加速度传感器并将其布置于压缩机总成支架处 （ 4） 在相同的工况下测量压缩机总成支架的振动情况，如图 4； 测量显示压缩机总成支架振动频率在 33动图象与噪声图象一致；时间间隔 异响声音频率和状态较为吻合。 （ 5） 初步判断异响来自于发动机和压缩机的转动传递过程。 速情况 按照 18697学 汽车车内噪声测量方法布置驾驶员测量点， （ 1） 测量三档全油门加速时驾驶员右耳处的噪声阶次 和 由图 2阶噪声附近，出现有 要的问题集中在 3700700者阶次较近，为引起驾驶员耳旁周期性轰鸣异响的主要原因。 （ 2） 拆除发动机与发电机的连接皮带， 3700新测试驾驶员右耳处的噪声，如下图 图 除发电机皮带后，驾驶员耳旁噪声中 此可以断定3700 4 原因分析 频现象理论分析 2009 年 国用户大会论文集 - 4 - 拍频是由于两个或多个频率相近 (一般210振动 /噪声信号于特定波长叠加、消减，产生周期性忽大忽小的振动 /噪声变化信号，它往往给人以极其不舒适的感觉。 无论是声波或地面波，单纯的正弦波几乎是不存在的，绝大多数都是复合波。即起码由两个以上的波形叠加而成。 最简单的例子也是一个倍音关系的两个波形， 根据相互之间的不同的相位改变其波形；相同频率的正弦波，尽管由几个波合成，其波形仍然是相同频率的正弦波合成，然而只要是频率稍有不同，就会出现如图 6所示的拍频现象； 它的变化是在 1个周期内，在原有正弦波下进行等次数的振动，只不过是其振幅大小有大有小而已。实际上，具有周期性的，形成基波和倍数振动的波形情况是极少的，而实际存在的普通波，它也是一个相互的没有倍数关系的周期波形的集合。作为一个整体很难找到一个周期性的重复，通常是一个波形上再加上一个非周期性的波动，而且随着时间的变化，它所形成的冲击波也急剧地变化。 析结果 由拍频理论分析我们可知， 车辆在怠速时车内周期性轰鸣异响以及加速时 3700 对导致拍频现象产生的原因进行分析，同时对比图 2、图 3，我们发现发动机与压缩机传动比 1:于发动机与压缩机速比过于接近，怠速开空调时，由于发动机转速在 950此可以得出发动机点火基频是 32缩机转动时产生 率约为 35个接近的频率，波形相互叠加、消减，互相影响，耦合，产生了严重的拍频现象，表现在频率 33后通过悬置系统传递到车身，最终通过车身的声学响应导致驾驶员耳旁周期性轰鸣异响。 而由图 速时 3700量所得数据 于发动机在运转时会产生相应的 2、 4、 6阶的振动和噪声，由图 3700动机 共同影响区域；而从图 除发动机与发电机皮带后， 时周期性轰鸣异响声也消失；由于发动机皮带轮至发电机皮带轮传动比 1:高速时发电机的 1阶不平衡振动会产生发动机 发动机 2阶振动相互影响、耦合形成强烈的拍频现象，该振动拍频通过发动机悬置传递给车身，再车身的结构声学响应传递到车内，从而导致车内周期性的轰鸣异响；因此可以判定加速时 3700阶振动与发电机皮带引起的 合产生的拍频现象所导致。 5 解决措施 怠速工况 怠速开空调情况下，发动机点火基频为 32时的拍频现象比较严重，根据在 2该控制发动机与压缩机速比，使其频率差保持在 10据 2动机与压缩机的速比在相差 2/32相差 100/32 30%，才能完全避免该问题；因此应将压缩机与发动机的速比限制在 此可见，目前的压缩机与发动机速比 好位于此区间且发生了严重的拍频现象，幅值 图6 拍频现象（频率稍有不同的正弦波合成）2009 年 国用户大会论文集 - 5 - 不符合要求，因此需要更改该速比。 由于压缩机与发动机速比调整至 速比更改过大会导致压缩机功率消耗增加过大，油耗和相关整车性能都会发生较大改变；又由于在拍频现象中，频率相差越大，拍频现象越轻，因此，调整发动机与压缩机速比至 1:来可以降低发动机与压缩机转动传递过程中的拍频现象，二来又不至于因发动机与压缩机速比增加较大而改变了整车油耗和相关整车性能。 将更改速比后的压缩机装车重新进行试验，数据如下图 7、图 8； （图 7中蓝色线为更改发动机与压缩机速比为 1:色线为原速比状态） 从图 7可以看到，将压缩机与发动机速比更改为 2阶拍频现象大为减少，造成的影响基本可以忽略，噪声峰值由 49)降到 39 )，降幅达 10 )，主要的噪声贡献源基本消失。从图 8可以看到，拍频现象基本消失，噪声幅值大幅减小；同时主观感觉期性轰鸣异响也基本消失，影响可以忽略不计，说明更改了压缩机与发动机速比后，效果显著。 加速工况 加速工况下， 3700阶振动与发电机皮带 于发电机 1阶不平衡导致发动机 阶振动存在 =5%的频率差，而发动机在 3700700/60*2=123700/60*2=190时发电机与发动机的频率间隔为 123*5%=690*5%=9好位于拍频现象的频率间隔区间（ 2间，为避免发电机产生的 阶振动产生拍频现象，需要调整发动机与发电机的速比，将其频率差调至拍频现象的间隔区间以下，已知发动机的最高转速为 6000 以知道发动机最高点火频率6000/60*2=200照 2保证发动机 2阶振动与发电机皮带 ，因此应将发电机与发动机的速比调整到 能保证发电机与发动机不发生共振拍频现象。 因此，将发动机与发电机的速比调整为 1:2，这样，发电机转动时产生对发动机的 2阶振动谐频可与发动机振动所产生的 2阶振动相重合，从而避免拍频现象的发生。 将更改速比后的发电机装车重新进行加速试验，数据如下图 9； ) (A)F (A)原速比状态 更换速比后状态 图 7 更改压缩机与发动机速比后驾驶员耳旁 2 阶噪声图 图8 更改压缩机与发动机速比后驾驶员耳旁噪声2009 年 国用户大会论文集 - 6 - 从图 9 我们 可以看到， 频现象也消失；同时主观感觉在加速过程中不存在周期性轰鸣异响，表明更改到新的发电机速比后效果良好。 从而也证明更改速比能很好解决发动机皮带轮与发电机皮带轮的拍频现象问题。 6 结论 将发动机与压缩机速比调整为 1:，能够很好地解决怠速时空调系统出现拍频异响现象，避免车内周期性轰鸣异响，同时对整车性能和油耗没有大的改变。将发动机与发电机速比调整为 1:2 后，也能够很好地解决加速时发电机与发动机之间的振动拍频现象，消除了汽车在加速情况下 3700的周期性轰鸣异响。 从上面的分析， 我们知道发动机总成在运转过程中， 由于发动机转速与其它轮系传递会出现各种问题，包括拍频和共振问题；当出现拍频问题时，要搞清楚拍频现象出现的原因，设计合理的轮系速比，保证它们的频率差在 2外，尽量避免拍频现象的产生