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        某純電動(dòng)汽車用HVAC 空調(diào)箱轟鳴聲優(yōu)化方案研究

        2021-05-07 12:47:58趙淵博
        汽車電器 2021年4期
        關(guān)鍵詞:汽車空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)渦流

        李 鵬,趙淵博,孫 放

        (航空工業(yè)新航豫新汽車熱管理科技有限公司a.研發(fā)二所,b.研發(fā)四所,c.研發(fā)三所,河南 新鄉(xiāng) 453049)

        1 項(xiàng)目背景

        目前,汽車生產(chǎn)廠商對(duì)各種汽車零部件,尤其對(duì)整車安全性與舒適性有重要影響的零部件的要求越來越高。汽車空調(diào)作為直接影響整車舒適性的重要零部件,其制冷、制熱、聲品質(zhì)等受到了客戶更多的關(guān)注。隨著科技的發(fā)展,小型、高效、節(jié)能已成為汽車空調(diào)發(fā)展的主流趨勢[1]。

        汽車駕駛艙在汽車行駛過程中易產(chǎn)生各種噪音,進(jìn)而增加駕駛員及乘員的疲勞感,顯著影響整車的舒適性??照{(diào)箱作為汽車車身的重要部件,其自身的噪音必然會(huì)降低整車舒適性[2]??照{(diào)箱噪音的一個(gè)典型來源就是轟鳴聲,轟鳴聲的產(chǎn)生能給駕駛員及乘員帶來主觀上的不舒適,易使人焦躁不安,甚至出現(xiàn)頭暈惡心的現(xiàn)象。因此為了保證駕駛艙的聲品質(zhì),提高整車的舒適性,保證行車安全,HVAC自身轟鳴聲的優(yōu)化就顯得尤為重要[3]。

        電動(dòng)汽車的一個(gè)重要指標(biāo)就是節(jié)能、高效,因此對(duì)電動(dòng)汽車用空調(diào)箱的小型、高效、節(jié)能也提出了更高的要求。在相同性能指標(biāo)下,在更小的空間,實(shí)現(xiàn)更高效的空調(diào)箱性能發(fā)揮,就需要對(duì)汽車空調(diào)箱內(nèi)外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行更多的優(yōu)化。純電動(dòng)汽車車用空調(diào)箱相比于傳統(tǒng)汽油車車用空調(diào)箱,由于其加熱系統(tǒng)熱力源由發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)檐囕d電池,換熱載體也由暖風(fēng)芯體變?yōu)镻TC,相同通風(fēng)面積下,為了提高電動(dòng)車的功效,PTC結(jié)構(gòu)相比于暖風(fēng)芯體就顯得更為緊湊。在相同換熱效率下,PTC結(jié)構(gòu)的緊湊必然會(huì)增加HVAC空調(diào)箱內(nèi)部的通風(fēng)阻力,就會(huì)造成空調(diào)箱自身噪聲的增大,轟鳴聲也會(huì)變得更加明顯。與此同時(shí),由于純電動(dòng)汽車相比于傳統(tǒng)汽油車,動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)榱穗妱?dòng)機(jī),動(dòng)力源的噪聲顯著降低,在相同使用環(huán)境下空調(diào)箱的轟鳴聲會(huì)表現(xiàn)得更加突出[4]。為此,本文以某純電動(dòng)汽車用HVAC空調(diào)箱為研究對(duì)象,通過CFD仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證,進(jìn)行轟鳴聲優(yōu)化方案研究,探索出一種轟鳴聲的優(yōu)化方案。

        2 空調(diào)箱轟鳴聲產(chǎn)生機(jī)理

        HVAC空調(diào)箱的主要框架為塑料件結(jié)構(gòu),厚度一般為1.2~1.8mm,其工作的原理是通過空氣作為媒介,經(jīng)由空調(diào)箱內(nèi)部的空氣流道,進(jìn)行熱量的交換與傳輸。而空氣作為彈性體,在汽車空調(diào)箱塑料件殼體內(nèi)部流道內(nèi)更易產(chǎn)生渦流以及振動(dòng)和聲腔模態(tài)[5]??諝庠谄嚳照{(diào)箱塑料件殼體內(nèi)部流道內(nèi)流通的過程中,隨著塑料件流道體積的不斷變化,相同質(zhì)量的空氣,其體積會(huì)不斷發(fā)生變化。隨著空氣體積的波動(dòng),其與空調(diào)箱殼體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)在低頻范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的耦合作用。這種低頻的耦合作用在一定的激勵(lì)下,如果產(chǎn)生的響應(yīng)較大,便會(huì)在空調(diào)箱內(nèi)產(chǎn)生很高的壓力脈動(dòng),進(jìn)而使空調(diào)箱產(chǎn)生轟鳴聲,影響整車聲品質(zhì),降低整車舒適性[6]。

        轟鳴聲作為低頻噪音,通常發(fā)生在25~100Hz的低頻范圍內(nèi)。不同頻率范圍內(nèi),激勵(lì)源以及激勵(lì)方式也會(huì)不同??照{(diào)箱轟鳴聲的激勵(lì)方式主要有:鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、葉輪振動(dòng)以及空氣與空調(diào)箱殼體間的壁面振動(dòng)??照{(diào)箱轟鳴聲產(chǎn)生的因素主要有:空調(diào)箱激勵(lì)源、發(fā)生耦合的頻率以及主要響應(yīng)位置[7]。因此,需要通過以上3個(gè)因素的優(yōu)化,來實(shí)現(xiàn)空調(diào)箱轟鳴聲的改善。

        3 空調(diào)箱轟鳴聲原因分析

        該純電動(dòng)汽車車用空調(diào)為小型、立式、中置式結(jié)構(gòu),其內(nèi)部流道參照了某款汽油車車用空調(diào)的內(nèi)部流場結(jié)構(gòu),為全新開發(fā)。由于空間結(jié)構(gòu)的限制,其內(nèi)部非常緊湊,通風(fēng)區(qū)域相對(duì)狹窄,相對(duì)風(fēng)阻較大。冷暖風(fēng)門由全冷模式切換為全熱模式的過程中,主觀評(píng)價(jià)轟鳴聲逐步加重,在全熱吹腳模式表現(xiàn)最為明顯。因此需要從轟鳴聲激勵(lì)源、轟鳴聲發(fā)生的頻率、轟鳴聲產(chǎn)生的位置,逐步確定轟鳴聲產(chǎn)生的具體原因[8]。

        3.1 半消音室NVH近場分析

        考慮到該汽車空調(diào)轟鳴聲的具體表現(xiàn),為了初步確認(rèn)空調(diào)總成轟鳴聲產(chǎn)生的原因及其表現(xiàn)形式,我們使用LMS Test.Lab NVH測試系統(tǒng),在半消音室進(jìn)行HVAC總成近場噪聲測試。試驗(yàn)布點(diǎn)(Point D1)方法如圖1所示。

        圖1 試驗(yàn)布點(diǎn)方法

        轟鳴聲主要產(chǎn)生于全熱模式,首先進(jìn)行全冷吹腳模式和全熱吹腳模式下的空調(diào)箱總成噪聲差異性分析。如圖2所示,對(duì)比全冷吹腳外循環(huán)和全熱吹腳外循環(huán)的噪聲頻譜,全熱模式與全冷模式的頻譜差異主要體現(xiàn)在63~400Hz頻段,前者幅值較高。此頻段噪聲源復(fù)雜,主要有鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲、氣流流動(dòng)噪聲和鼓風(fēng)機(jī)階次噪聲等。

        因?yàn)镠VAC工作時(shí)需要鼓風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)氣流產(chǎn)生風(fēng)量,風(fēng)機(jī)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)是空調(diào)總成的一個(gè)重要激勵(lì)源。為排除該振動(dòng)激勵(lì),將HVAC總成安裝到半消音室內(nèi)的風(fēng)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,通過臺(tái)架為HVAC送風(fēng),鼓風(fēng)機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)。鼓風(fēng)機(jī)工作和靜止?fàn)顟B(tài)下的空調(diào)總成近場噪聲測試結(jié)果如圖3所示??梢园l(fā)現(xiàn),63~400Hz頻段的頻譜差異依然存在。與此同時(shí),我們也進(jìn)行了轟鳴聲的主觀評(píng)價(jià),鼓風(fēng)機(jī)兩種狀態(tài)下的轟鳴聲無明顯差異,說明此問題的根源不在鼓風(fēng)機(jī),而是由空調(diào)總成內(nèi)部氣流流動(dòng)產(chǎn)生。

        圖2 全冷與全熱模式下空調(diào)總成噪聲頻譜

        圖3 鼓風(fēng)機(jī)工作和靜止?fàn)顟B(tài)下的噪聲頻譜

        初步判定轟鳴聲產(chǎn)生的原因?yàn)榭照{(diào)箱內(nèi)部產(chǎn)生渦流以及局部的壁面振動(dòng)。

        3.2 CFD仿真分析

        為了進(jìn)一步確認(rèn)轟鳴聲產(chǎn)生的原因,我們進(jìn)行全熱吹腳外循環(huán)模式下的空調(diào)總成流場CFD仿真,對(duì)其內(nèi)部流場進(jìn)行分析[9]。依據(jù)流道中線截面處速度矢量圖 (圖4),沒有發(fā)現(xiàn)空調(diào)內(nèi)部出現(xiàn)大的渦流。因此,我們進(jìn)一步對(duì)其渦量云圖進(jìn)行分析,結(jié)果如圖5所示。通過渦量云圖,在黑色輪廓線指示位置,可以看到有2個(gè)明顯的渦流且渦量較大,說明空調(diào)箱內(nèi)部流場渦流可能是引起轟鳴聲的原因。

        圖4 流道中線截面處速度矢量圖

        圖5 渦量云圖

        4 優(yōu)化與驗(yàn)證

        4.1 優(yōu)化方案

        根據(jù)上述分析結(jié)果,可以初步判定空調(diào)箱總成轟鳴聲產(chǎn)生的原因?yàn)榭照{(diào)總成內(nèi)部產(chǎn)生渦流,進(jìn)而引起氣流流動(dòng)噪聲,產(chǎn)生轟鳴聲。為了驗(yàn)證此分析結(jié)論,我們對(duì)空調(diào)箱內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,減小渦流,優(yōu)化全熱模式下氣流流動(dòng)噪音[10]。通過圖5,我們可以看出轟鳴聲的位置為空調(diào)箱內(nèi)部流道導(dǎo)流板處,改善前空調(diào)箱總成全熱吹腳模式下的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部流道圖如圖6所示。

        圖6 空調(diào)箱總成全熱吹腳模式下的內(nèi)部流場圖

        結(jié)合CFD仿真分析結(jié)果及空調(diào)箱內(nèi)部流道圖,綜合考慮空調(diào)總成的風(fēng)量、混風(fēng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素,初步確定優(yōu)化空調(diào)總成的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)為改善方案。改善前后空調(diào)總成導(dǎo)流隔板結(jié)構(gòu)如圖7所示。

        圖7 導(dǎo)流板優(yōu)化前后的空調(diào)箱總成內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

        4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證與主觀評(píng)價(jià)

        為驗(yàn)證優(yōu)化方案結(jié)果,我們對(duì)導(dǎo)流板改善前后的空調(diào)總成分別進(jìn)行了近場噪聲測試及轟鳴聲主觀評(píng)價(jià)。改善前后的噪聲頻譜對(duì)比見圖8,可以看出,優(yōu)化后的噪聲幅值在63~160Hz的頻率范圍均有降低,特別是在100Hz和125Hz猶為顯著;1/3倍頻程中100Hz和125Hz頻段噪聲值降低了1.8dB。

        圖8 HVAC原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)噪聲頻譜

        同時(shí),主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果也表明,該方案轟鳴聲改善明顯,得到了客戶的認(rèn)可。

        5 結(jié)束語

        從該純電動(dòng)車用空調(diào)系統(tǒng)的轟鳴聲優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果來看,低頻峰值得到顯著降低,轟鳴聲主觀評(píng)價(jià)改善明顯,說明該優(yōu)化方案能顯著優(yōu)化空調(diào)箱轟鳴聲,提高汽車空調(diào)聲品質(zhì)。

        與此同時(shí),探索出了一種空調(diào)箱轟鳴聲優(yōu)化的思路與方案。通過CFD仿真分析、半消音室近場試驗(yàn)分析與驗(yàn)證、主觀評(píng)價(jià),對(duì)該方案進(jìn)行了一個(gè)系統(tǒng)的研究與驗(yàn)證。試驗(yàn)及主觀評(píng)價(jià)結(jié)果表明該優(yōu)化方案能有效改善轟鳴聲,可為后續(xù)空調(diào)箱的轟鳴聲優(yōu)化提供參考與指導(dǎo)。

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