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 項目背景

目前，汽車生產(chǎn)廠商對各種汽車零部件，尤其對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、聲品質等受到了客戶更多的關注。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降低整車舒適性［2］?？照{(diào)箱噪音的一個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，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］。

電動汽車的一個重要指標就是節(jié)能、高效，因此對電動汽車用空調(diào)箱的小型、高效、節(jié)能也提出了更高的要求。在相同性能指標下，在更小的空間，實現(xiàn)更高效的空調(diào)箱性能發(fā)揮，就需要對汽車空調(diào)箱內(nèi)外部結構進行更多的優(yōu)化。純電動汽車車用空調(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)動機變?yōu)檐囕d電池，換熱載體也由暖風芯體變?yōu)镻TC，相同通風面積下，為了提高電動車的功效，PTC結構相比于暖風芯體就顯得更為緊湊。在相同換熱效率下，PTC結構的緊湊必然會增加HVAC空調(diào)箱內(nèi)部的通風阻力，就會造成空調(diào)箱自身噪聲的增大，轟鳴聲也會變得更加明顯。與此同時，由于純電動汽車相比于傳統(tǒng)汽油車，動力系統(tǒng)由發(fā)動機變?yōu)榱穗妱訖C，動力源的噪聲顯著降低，在相同使用環(huán)境下空調(diào)箱的轟鳴聲會表現(xiàn)得更加突出［4］。為此，本文以某純電動汽車用HVAC空調(diào)箱為研究對象，通過CFD仿真分析與試驗驗證，進行轟鳴聲優(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)生機理

HVAC空調(diào)箱的主要框架為塑料件結構，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)生渦流以及振動和聲腔模態(tài)［5］。空氣在汽車空調(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，相同質量的空氣，其體積會不斷發(fā)生變化。隨著空氣體積的波動，其與空調(diào)箱殼體的結構振動在低頻范圍內(nèi)會產(chǎn)生一定的耦合作用。這種低頻的耦合作用在一定的激勵下，如果產(chǎn)生的響應較大，便會在空調(diào)箱內(nèi)產(chǎn)生很高的壓力脈動，進而使空調(diào)箱產(chǎn)生轟鳴聲，影響整車聲品質，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)，激勵源以及激勵方式也會不同?？照{(diào)箱轟鳴聲的激勵方式主要有：鼓風機電動機振動、葉輪振動以及空氣與空調(diào)箱殼體間的壁面振動?？照{(diào)箱轟鳴聲產(chǎn)生的因素主要有：空調(diào)箱激勵源、發(fā)生耦合的頻率以及主要響應位置［7］。因此，需要通過以上3個因素的優(yōu)化，來實現(xiàn)空調(diào)箱轟鳴聲的改善。

3 空調(diào)箱轟鳴聲原因分析

該純電動汽車車用空調(diào)為小型、立式、中置式結構，其內(nèi)部流道參照了某款汽油車車用空調(diào)的內(nèi)部流場結構，為全新開發(fā)。由于空間結構的限制，其內(nèi)部非常緊湊，通風區(qū)域相對狹窄，相對風阻較大。冷暖風門由全冷模式切換為全熱模式的過程中，主觀評價轟鳴聲逐步加重，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)，在半消音室進行HVAC總成近場噪聲測試。試驗布點（Point D1）方法如圖1所示。

圖1 試驗布點方法

轟鳴聲主要產(chǎn)生于全熱模式，首先進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。此頻段噪聲源復雜，主要有鼓風機振動噪聲、氣流流動噪聲和鼓風機階次噪聲等。

因為HVAC工作時需要鼓風機葉輪旋轉帶動氣流產(chǎn)生風量，風機帶動葉輪高速旋轉產(chǎn)生的振動激勵是空調(diào)總成的一個重要激勵源。為排除該振動激勵，將HVAC總成安裝到半消音室內(nèi)的風量實驗臺架，通過臺架為HVAC送風，鼓風機處于靜止狀態(tài)。鼓風機工作和靜止狀態(tài)下的空調(diào)總成近場噪聲測試結果如圖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，我們也進行了轟鳴聲的主觀評價，鼓風機兩種狀態(tài)下的轟鳴聲無明顯差異，說明此問題的根源不在鼓風機，而是由空調(diào)總成內(nèi)部氣流流動產(chǎn)生。

圖2 全冷與全熱模式下空調(diào)總成噪聲頻譜

圖3 鼓風機工作和靜止狀態(tài)下的噪聲頻譜

初步判定轟鳴聲產(chǎn)生的原因為空調(diào)箱內(nèi)部產(chǎn)生渦流以及局部的壁面振動。

3.2 CFD仿真分析

為了進一步確認轟鳴聲產(chǎn)生的原因，我們進行全熱吹腳外循環(huán)模式下的空調(diào)總成流場CFD仿真，對其內(nèi)部流場進行分析［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，我們進一步對其渦量云圖進行分析，結果如圖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)化與驗證

4.1 優(yōu)化方案

根據(jù)上述分析結果，可以初步判定空調(diào)箱總成轟鳴聲產(chǎn)生的原因為空調(diào)總成內(nèi)部產(chǎn)生渦流，進而引起氣流流動噪聲，產(chǎn)生轟鳴聲。為了驗證此分析結論，我們對空調(diào)箱內(nèi)部流場結構進行優(yōu)化，減小渦流，優(yōu)化全熱模式下氣流流動噪音［10］。通過圖5，我們可以看出轟鳴聲的位置為空調(diào)箱內(nèi)部流道導流板處，改善前空調(diào)箱總成全熱吹腳模式下的導流板結構及其內(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

結合CFD仿真分析結果及空調(diào)箱內(nèi)部流道圖，綜合考慮空調(diào)總成的風量、混風、結構強度等因素，初步確定優(yōu)化空調(diào)總成的導流板結構為改善方案。改善前后空調(diào)總成導流隔板結構如圖7所示。

圖7 導流板優(yōu)化前后的空調(diào)箱總成內(nèi)部結構圖

4.2 試驗驗證與主觀評價

為驗證優(yōu)化方案結果，我們對導流板改善前后的空調(diào)總成分別進行了近場噪聲測試及轟鳴聲主觀評價。改善前后的噪聲頻譜對比見圖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原始結構和優(yōu)化結構噪聲頻譜

同時，主觀評價的結果也表明，該方案轟鳴聲改善明顯，得到了客戶的認可。

5 結束語

從該純電動車用空調(diào)系統(tǒng)的轟鳴聲優(yōu)化方案試驗結果來看，低頻峰值得到顯著降低，轟鳴聲主觀評價改善明顯，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。

與此同時，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、半消音室近場試驗分析與驗證、主觀評價，對該方案進行了一個系統(tǒng)的研究與驗證。試驗及主觀評價結果表明該優(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。