盧國綱，劉 鋼

基于二級隔振壓縮機支架的車內(nèi)振動噪聲優(yōu)化

盧國綱，劉 鋼*

（海南海馬汽車有限公司，海南 ?？?570216）

某燃料電池汽車空調(diào)開啟的工況下，車內(nèi)噪聲及方向盤振動較大，主觀評價某些轉(zhuǎn)速下車內(nèi)聲音有明顯壓耳感，不可接受。文章運用振動系統(tǒng)隔振理論對該問題進行分析和研究，通過空調(diào)開啟工況下整車隔振性能測試分析，提出空調(diào)壓縮機支架使用二級橡膠隔振系統(tǒng)的方式，優(yōu)化壓縮機支架隔振性能進而解決車內(nèi)振動噪聲大的問題。對空調(diào)壓縮機本體來說，不用跳躍共振轉(zhuǎn)速段，發(fā)揮空調(diào)壓縮機最佳制冷性能，具有較高的工程指導(dǎo)意義。

燃料電池汽車；渦旋式壓縮機；二級隔振；振動噪聲；優(yōu)化設(shè)計

隨著“碳中和”目標的確立，汽車行業(yè)在新能源汽車領(lǐng)域取得了不錯的進展。氫能汽車相較于純電動汽車，能夠?qū)崿F(xiàn)真正的零碳排放，同時燃料電池汽車在報廢回收階段，也比純電動汽車回收更容易且更有經(jīng)濟吸引力[1]。因此，各大汽車廠也在加速推動氫燃料汽車的研發(fā)。

與傳統(tǒng)燃油車相比，燃料電池汽車的噪聲主要來源于空氣供應(yīng)系統(tǒng)和供氫系統(tǒng)，其中空調(diào)壓縮機的工作噪聲較大，是燃料電池汽車的主要噪聲源之一[2]?，F(xiàn)有針對空調(diào)壓縮機引起的整車車內(nèi)噪聲研究，多是以提高空調(diào)壓縮機支架剛度和固有模態(tài)，來進行剛體模態(tài)避頻。后期再通過空調(diào)壓縮機本身控制策略進行共振轉(zhuǎn)速段跳升進行避頻[3]。本文研究在以往研究的基礎(chǔ)上，對空調(diào)壓縮機支架的隔振性能進行診斷優(yōu)化，在原有單級隔振支架的基礎(chǔ)上進一步設(shè)計二級隔振系統(tǒng)，從傳遞路徑上解決空調(diào)壓縮機工作轉(zhuǎn)速段的振動噪聲問題，對空調(diào)壓縮機本身來說，不用跳升轉(zhuǎn)速，從而延長空調(diào)壓縮機使用壽命，發(fā)揮空調(diào)壓縮機最佳制冷性能。

1 整車噪聲測試及隔振理論

目前新能源汽車使用的空調(diào)系統(tǒng)均為渦旋式空調(diào)壓縮機[4]?？照{(diào)壓縮機通過單級隔振支架安裝在車身剛度較大的橫梁或縱梁上，當空調(diào)壓縮機工作時，所產(chǎn)生的的振動通過單級隔振傳遞到車身結(jié)構(gòu)，進而傳遞到車內(nèi)地板、座椅、方向盤等，引起駕駛員和乘員對振動噪聲的主觀感受。在進行問題診斷時，試驗測點可以根據(jù)關(guān)注部位進行測點布置，如圖1所示。

圖1 試驗測點的布置

空調(diào)壓縮機按照整車安裝狀態(tài)進行布置，壓縮機渦旋動盤對應(yīng)的外殼體布置加速度傳感器測試三向加速度信號。在空調(diào)壓縮機支架主動端和被動端分別布置三向加速度傳感器。在車內(nèi)方向盤12點鐘位置和駕駛員座椅安裝腳處分別布置加速度傳感器，測量響應(yīng)點位置的加速度信號。在駕駛員內(nèi)耳位置布置聲學(xué)麥克風(fēng)。

1.1 振動系統(tǒng)隔振理論

通過對空調(diào)壓縮機支架主動端和被動端振動幅值的數(shù)據(jù)，可以計算支架隔振率，評價空調(diào)壓縮機隔振性能[5]。

隔振性能通常用振動傳遞系數(shù)描述，可以理解為通過隔振系統(tǒng)傳遞的力與激勵力之間的比值，或傳遞的位移與激勵位移之間的比值，值越小，則反映通過隔振系統(tǒng)傳遞的振動越小，隔振性能越好。單自由度有阻尼隔振系統(tǒng)的振動傳遞系數(shù)計算式為

1.2 二級隔振系統(tǒng)模型

為了進一步提高隔振性能，可以提高系統(tǒng)值，即降低系統(tǒng)固有頻率0。二級隔振系統(tǒng)能對激勵源進行二次衰減，使系統(tǒng)的剛體模態(tài)進一步降低，理論上能獲得更好的減振作用[7]。將壓縮機支架隔振系統(tǒng)簡化為多自由度隔振模型，如圖2所示。將壓縮機看作1質(zhì)量體，壓縮機與壓縮機支架之間作為一級隔振1的彈簧。壓縮機支架總成看作2質(zhì)量體，壓縮機支架與燃料電池堆總成安裝橫梁之間作為二級隔振2的彈簧。

圖2 二級隔振系統(tǒng)簡化示意圖

在振動的主方向上簡化為二級隔振模型。根據(jù)隔振系統(tǒng)模型測試，空調(diào)壓縮機在2 650 r/min傳遞至車身振動較大，車身結(jié)構(gòu)件、方向盤、座椅總成等受迫振動，向車內(nèi)產(chǎn)生輻射噪聲。因此，本文通過在振動傳遞路徑上增加二級隔振橡膠來進行整車振動問題的優(yōu)化和改善[8]。

2 空調(diào)壓縮機支架隔振分析

為對比單級隔振和二級隔振效果，本文采集空調(diào)壓縮機工作時，隔振系統(tǒng)主動端、被動端的加速度數(shù)據(jù)，得出空調(diào)壓縮機工作轉(zhuǎn)速下主方向隔振率。

2.1 振動路徑分析

空調(diào)壓縮機本體的振動噪聲控制主要通過兩條路徑傳播：1）通過空調(diào)管路與橫梁安裝點傳遞到車身前圍板從而傳遞到方向盤及前地板位置，該路徑已做橡膠隔振和安裝位置優(yōu)化，無提升空間；2）通過空調(diào)壓縮機單級隔振支架傳遞到燃料電池堆總成安裝橫梁，再通過橫梁傳遞到前縱梁，經(jīng)過車身最終傳遞到方向盤及前地板位置。通過振動傳遞路徑分析排查，目前貢獻較大的仍為空調(diào)壓縮機單級隔振支架，可以通過增加壓縮機二級隔振進而達到優(yōu)化車內(nèi)振動噪聲的效果。

2.2 單級隔振性能分析

采集空調(diào)壓縮機從1 000 r/min到3 500 r/min運行過程中，原壓縮機單級隔振支架主、被動端的振動加速度數(shù)據(jù)，可以得到壓縮機支架的主方向隔振率曲線，如圖3所示。

圖3 原壓縮機單級隔振支架隔振率

由圖3可以看出，單級隔振支架主方向在 2 500 r/min附近隔振率小于20 dB，造成了壓縮機支架被動端振動較大[9]，通過車身傳遞至車內(nèi)。

3 空調(diào)壓縮機支架隔振系統(tǒng)改進

綜合以上分析，理論上可以通過優(yōu)化壓縮機本體振動，以及優(yōu)化壓縮機支架隔振性能，來更好地提升燃料電池汽車在怠速和行駛時的舒適性。但是，為滿足燃料電池整車熱管理性能的基本需求，空調(diào)壓縮機采用量產(chǎn)52 mL大排量渦旋式壓縮機，壓縮機本體很難進行本體振動的優(yōu)化。

所以，本研究采用二級橡膠隔振系統(tǒng)進行空調(diào)壓縮機支架優(yōu)化，提高支架的隔振效果，同時改善力的傳遞特性，降低車內(nèi)噪聲。

3.1 壓縮機支架二級隔振優(yōu)化

壓縮機本體與壓縮機支架安裝之間為原設(shè)計的單級隔振系統(tǒng)。為進一步降低彈性系統(tǒng)剛度，提高隔振效果，在壓縮機支架與燃料電池堆總成安裝橫梁之間設(shè)計第二級隔振，優(yōu)化方案如圖4所示，實現(xiàn)空調(diào)壓縮機二級隔振效果。

在測試過程中，進一步采用隔振橡膠的邵氏硬度為45 HA，隔振橡膠主方向上的靜剛度 65 N/mm，降低系統(tǒng)剛度。

優(yōu)化后的二級隔振壓縮機支架在壓縮機運行過程中，壓縮機二級隔振支架主方向的隔振率在各轉(zhuǎn)速下均大于20 dB，如圖5所示。尤其在 2 000 r/min以上轉(zhuǎn)速階段，二級隔振效果有明顯提升，可以達到40 dB，對降低車內(nèi)噪聲有明顯效果。

圖5 二級隔振支架隔振率

3.2 隔振系統(tǒng)優(yōu)化后車內(nèi)噪聲效果驗證

結(jié)合問題診斷優(yōu)化，對二級隔振壓縮機支架進行整車振動噪聲測試和主觀評價。車內(nèi)駕駛員內(nèi)耳位置噪聲優(yōu)化前優(yōu)化后對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 二級隔振系統(tǒng)優(yōu)化后駕駛員內(nèi)耳位置聲壓級

優(yōu)化后駕駛員內(nèi)耳位置聲壓級對比如表1所示。開啟空調(diào)后車內(nèi)聲壓級峰值由原狀態(tài)的47 dB(A)降低到37 dB(A)，主觀評價車內(nèi)無明顯低頻“嗡嗡”聲，尤其是影響舒適性的壓耳感消失，主觀感受改善明顯。

表1 優(yōu)化后駕駛員內(nèi)耳位置聲壓級對比

駕駛員外耳位置聲壓級/dB(A) 改進前改進后 2 050 r/min附近4335 2 650 r/min附近4735

車內(nèi)方向盤向振動由0.08降低至0.02，座椅安裝腳架位置向加速度從0.008降低至0.005，主觀評價方向盤及座椅無明顯振動，使用舒適。

4 結(jié)論

燃料電池汽車的空氣供應(yīng)系統(tǒng)是整車振動噪聲來源的重要部分。本文針對空調(diào)壓縮機低頻振動大和車內(nèi)噪聲大且壓耳感問題進行了分析和研究，可以得出以下結(jié)論：

1）新能源汽車多采用渦旋式空調(diào)壓縮機，其特點是激勵頻率范圍較大，容易出現(xiàn)多個整車共振點。解決這類問題可以通過模態(tài)解耦、改善隔振率、改善力的傳遞路徑、控制空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速策略等方向進行問題優(yōu)化。

2）二級隔振系統(tǒng)相比單級隔振系統(tǒng)，可以有效衰減激勵源的激勵。在進行新能源車型空調(diào)壓縮機支架設(shè)計時，應(yīng)充分預(yù)留空調(diào)壓縮機支架的布置空間，在單級隔振支架無法滿足性能要求時，可以使用二級隔振壓縮機支架。

3）空調(diào)壓縮機振動是通過壓縮機支架傳遞到燃料電池堆總成安裝橫梁，再通過橫梁傳遞到前縱梁，經(jīng)過車身最終傳遞到方向盤及前地板位置。在空調(diào)壓縮機和車身優(yōu)化改動受制約的情況下，設(shè)計支架二級隔振，對降低車內(nèi)噪聲有明顯效果。

4）結(jié)合空調(diào)壓縮機選型實際情況，設(shè)計了壓縮機支架二級隔振系統(tǒng)，二級隔振系統(tǒng)可以有效降低來自振源的激勵，優(yōu)化方案將車內(nèi)噪聲降低10 dB(A)，驗證了二級隔振的有效性。

[1] ZHANG X M,XIA C L,ALSALHI M S,et al. Assess- ments of the Power Production, Energy Consumption and Emission Comparison of Hydrogen Feed Vehicles [J]. Fuel,2023,334:126794.

[2] 周鋒,葉勝望,何健,等.某燃料電池車空調(diào)壓縮機支架共振問題分析及優(yōu)化[J].上海汽車,2018(1):2-4.

[3] 朱愛武.空調(diào)壓縮機對車內(nèi)噪聲的影響[J].噪聲與振動控制,2010,30(4):47-49.

[4] 賈昳麗.渦旋壓縮機減振設(shè)計分析[D].天津:天津大學(xué),2015.

[5] 楊立云,張濤,李文濤,等.渦旋壓縮機減振底座設(shè)計[J].裝備制造技術(shù),2018(10):73-74,84.

[6] 盛美萍,王敏慶,馬建剛.噪聲與振動控制技術(shù)基礎(chǔ)[M].3版.北京:科學(xué)出版社,2017:112-115.

[7] 姚斌輝,上官文斌.被減振物體連接于彈性地基時動力吸振器的設(shè)計[J].振動與沖擊, 2012(7):58-62.

[8] 徐小彬,郭明濤,李一,等.某汽車空調(diào)壓縮機支架振動噪聲優(yōu)化分析[J].汽車實用技術(shù),2016,41(3):69-71.

[9] 龐劍.汽車車身噪聲與振動控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2015.

Optimization of Vibration and Noise in Vehicle Based on Two-stage Vibration Isolation Compressor Bracket

LU Guogang, LIU Gang*

( Hainan Haima Automobile Company Limited, Haikou 570216, China )

When the air conditioning of a fuel cell vehicle is turned on, the noise inside the vehicle and the vibration of the steering wheel are relatively large. Subjectively, the sound inside the vehicle at certain speeds has obvious ear pressure, which is unacceptable. This paper analyzes and studies the problem by using the vibration isolation theory of vibration system. Through the test and analysis of the vibration isolation performance of the whole vehicle under the condition that the air conditioner is turned on, it puts forward the way of using the two-stage rubber vibration isolation system for the air conditioner compressor bracket, optimizes the vibration isolation performance of the compressor bracket, and solves the problem of large vibration noise in the vehicle. For the air conditioning compressor body, it is of high engineering significance to give full play to the best refrigeration performance of the air conditioning compressor without jumping the resonance speed range.

Fuel cell vehicle; Scroll compressor; Two-stage vibration isolation; Vibration noise; Optimal design

U462.3

A

1671-7988(2023)17-01-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.001

盧國綱（1967－），男，工程師，研究方向為產(chǎn)品戰(zhàn)略及高階管理，E-mail:lugg@haima.com。

劉鋼（1982－），男，高級工程師，研究方向為整車性能仿真，E-mail:lg84416848@163.com。

2021年海南省重大科技計劃項目：高性能氫能MPV研發(fā)（ZDKJ2021046）。