探讨汽车空调鼓风机低温异响及处理

探讨汽车空调鼓风机低温异响及处理摘要：以某型汽车暖通空调(HVAC)系统为研究对象，采用隔振、隔声、消声和改变壳体阻尼的方法对鼓风机的低温异响进行了试验研究。应用相干分析、阶次分析以及频谱分析等方法，确定了43阶低温异响源为鼓风机叶轮，确定其传递特性为叶轮旋转产生的气动力传递至电机壳体和蜗壳壳体，引起结构振动并辐射噪声，另有部分气动力产生的低温异响通过进、出风口向外气动传播。对于相关领域科研工作者和同行业工作人员具有十分重要的参考意义。关键词：汽车空调；鼓风机；低温异响1前言当前，汽车已经成为日常旅行的主要交通工具，并且用户日益要求更舒适的座椅。汽车空调作为汽车的重要电气配件，可以实现冷却，加热，除霜和除雾等功能，并为车内驾驶员和乘客提供良好而舒适的环境。舒适的环境包括合适的温度，湿度和良好的噪音水平。在噪声水平中，用户越来越受到关注。关于空调噪声，作者通过咨询著作发现，在低温环境中，有关鼓风机噪声的概述很少。因此，本文讨论了低温环境下鼓风机的常见噪声问题。车内噪声已经成为重要的舒适性评价项目，现代汽车外部噪声已大幅降低，乘员舱密封效果也得到了显著提高，汽车暖通空调(Heating,VentilatingandAirConditioning，HVAC)系统的低温异响逐渐成为车内主要噪声源。根据产生机理可将汽车HVAC系统噪声分为低温异响、电磁噪声和机械噪声。低温异响来源于HVAC系统的鼓风机和风道，是该系统正常工作时的主要噪声源，因此，降低汽车HVAC系统的低温异响成为亟待解决的问题。2汽车空调鼓风机低温异响研究现状目前，针对汽车HVAC系统低温异响，研究者通过数值仿真与试验验证在噪声特性和噪声优化方面开展了大量研究。CaiJC通过数值仿真方法研究了离心风机的叶片通过频率噪声,结果表明，壳体的低温异响、叶片低温异响和流动引起的壳体振动辐射噪声声功率级分别为103dB、93dB和79dB。Chen应用大涡模拟(LargeEddySimulation，LES)和直接边界元方法的混合数值计算方法预测汽车HVAC系统出风口风道产生的低温异响，确定其噪声特性为在370Hz处存在峰值的宽频噪声，并且发现中间风道对低温异响的贡献量最大。MadaniV试验研究了空调系统的低温异响，发现低频噪声由风道产生，500Hz以上的高频噪声由风道和离心风机共同产生。李启良从汽车空调的系统层面开展低温异响的数值模拟，并通过整机台架试验验证仿真结果。汪怡平利用LES湍流模型和专业声学软件SYSNOISE计算汽车空调出风管道低温异响的传播情况。这些研究都集中在对低温异响的数值仿真，获得其噪声源与噪声特性，鲜有文献通过试验的方法研究汽车HVAC系统低温异响特性及其传递特性。因此，通过试验识别汽车HVAC系统低温异响源，分析其传递特性对于低温异响的理论研究与优化具有十分重要的指导作用。本文将采用试验的方法，通过阶次分析和频谱分析，得出汽车HVAC系统噪声中的低温异响特性，利用相干分析方法确定离散噪声的来源，并采用隔振、隔声、消声和改变壳体阻尼的方法确定离散低温异响的传递路径，以期为汽车HVAC系统鼓风机低温异响的优化提供切实可行的依据。3汽车HVAC系统图1所示为汽车鼓风机总成结构，鼓风机与风门配合，实现乘员舱内的空气循环和风量的分配。鼓风机总成的叶轮由43片均匀分布的叶片构成，叶轮运转时，内部高速气流将向蜗壳及叶轮施加非定常力，使固体发生结构振动，由此产生很大的低温异响，这也是汽车空调系统的主要噪声源。图1鼓风机总成汽车HVAC系统的低温异响包含宽频噪声和离散噪声，其中离散噪声的多数频率分量与旋转机械的主轴转速有关。阶次分析的实质是将非稳定的等时间间隔采样信号转变为稳定的等角度间隔采样信号，再对其进行频谱分析。本文将通过阶次分析方法确定鼓风机叶轮对低温异响中的一些离散频率分量的贡献量，进而确定噪声源。4汽车空调鼓风机低温异响处理鼓风机叶轮旋转产生的低温异响一方面随气流传播，另一方面也能作用于壳体辐射噪声为确定43阶低温异响的传递特性，本文从隔振、隔声、消声以及改变壳体阻尼角度出发开展试验。为了分析43阶低温异响是否通过空调鼓风机壳体向外辐射，通过隔振原理开展如下试验：减小电机周围均匀分布的4个橡胶隔振器压缩量；在蜗壳与法兰盘间加装硅胶垫，将刚性连接变为柔性连接。在减小隔振器压缩量试验中，将法兰盘盖与法兰盘之间的连接螺钉拧松2mm,达到减小隔振器压缩的效果。螺钉拧松后，43阶低温异响声压级在麦克风测点处降低3.9dB(A),在麦克风测点处降低9.3dB(A)，根据汽车空调鼓风机的结构分析可知，叶轮旋转产生的非定常气动力作用于叶轮，通过轴系传递到电机，并经电机的隔振器传递到法兰盘，向外辐射噪声。根据前文的结果，非定常气动力将作用于法兰盘，并向外辐射43阶低温异响，为进一步验证是否还通过蜗壳向外辐射噪声，将蜗壳上的螺钉柱下锉3mm,并在锉削位置加装厚度为3mm的硅胶垫，以此将法兰盘与蜗壳之间的刚性连接变为柔性连接。加装3mm硅胶垫后与原始结构43阶噪声声压级对比，麦克风测点处变化不大，麦克风测点处降低了2.67dB(A)。从测试结果可知，加装硅胶垫降低了通过螺钉安装柱传递到蜗壳的作用力，因为麦克风测点与鼓风机的空间距离更近，且麦克风测点附近的声压还受到分配箱和出风口风道的影响，所以由鼓风机辐射噪声产生的声压波动在麦克风测点处更为明显。从以上隔振分析可知，43阶次低温异响的传递特性之一为：叶轮旋转产生的43阶次作用力通过轴系传递到电机，经电机的隔振器传递到电机法兰盘盖，部分气动力进而通过法兰盘和蜗壳之间的刚性螺钉柱传递至空调箱壳体，进而辐射噪声。因此改变隔振器压缩量和增加弹性隔振垫能对43阶次低温异响有明显的抑制作用。解决方案主要是提高鼓风机电机轴承的低温性能。当前，马达轴承有两种类型：油轴承和球轴承。从耐低温性的角度来看，滚珠轴承性能更好。轴承轴和轴承内圈通过过盈配合，钢球表面被油脂覆盖。在-40C的低温环境下，润滑脂的润滑性能仍然良好。电动机工作时,轴承内圈中的滚珠旋转，并且滚珠直接用油脂润滑，不会因干摩擦而产生吱吱声。使用新电动机进行的HVAC低温工作台测试显示，冷启动期间没有异常声音，并且HVAC正常运行。5结束语本文通过相干分析和阶次分析确定某型汽车HVAC系统鼓风机43阶低温异响源为鼓风机叶轮，叶轮旋转时与周围空气相互作用而连续产生压力脉动，并作用于叶轮和壳体。通过隔振、隔声、消声和变壳体阻尼试验与频谱分析的方法得到43阶低温异响传递过程的如下特性：叶轮旋转产生的43阶次气动力作用于叶轮并通过电机轴系传递至电机，经电机隔振器传递给法兰盘和法兰盘盖，引起结构振动并辐射噪声，部分气动力也会通过法兰盘与蜗壳之间的刚性螺钉柱传递到蜗壳，引起壳体振动并向外辐射噪声；叶轮旋转产生的气动力作用在叶轮上方薄弱的方形平面，引起该平面的结构振动，向外辐射噪声；叶轮高速旋转产生的气体压力脉动，随气流向外传播噪声。通过对汽车空调鼓风机的改造可以改善低温异响，对于汽车空调研究十分重要。参考文献[1]禹乐，何景林,涂家富•汽车空调鼓风机低温异响的分析与解决[J].汽车电器,2019(12):61-62.⑵赵连胜•一种异形汽车空调鼓风机蜗壳降噪性研究[C].中国汽车工程学会汽车空气动力学分会.2019中国汽车工程学会汽车空气动力学分会学术年会论文集.中国汽车工程学会汽车空气动力学分会:中国汽车工程研究院股份有限公司汽车风洞中心(筹),2019:147-151.⑶胡世健，敬文博,范