汽车空调吹脚模式地板振动分析与控制

宋鲁涛 王雷 王晖 董良

（华晨汽车工程研究院NVH 工程室）

随着汽车发展的高速化，振动和噪声（NVH）成为越来越重要的舒适性评价指标。在怠速和稳态低速运行工况，汽车地板作为驾驶员和乘客接触比较多的车身位置，其振动问题易引起较大的不舒适感，汽车暖通空调系统也成为车内噪声振动的一个贡献源。当前对暖通空调系统NVH 性能的研究除了主要集中在暖通箱体本身之外，对吹面、吹脚和除霜风管及吹风口的噪声问题也高度重视，并将CFD 技术应用到汽车空调系统吹风管道的设计，大大缩短了设计周期和试验费用[1-4]。相对而言，对吹风管道振动引起的舒适性问题关注较少。文章对汽车空调系统吹脚模式地板振动问题进行研究，详细分析了问题的原因，并通过CFD 手段对此问题进行了优化。

1 吹脚模式风道气流数学模型

由于HVAC 吹脚风管在结构安装上与地板地毯直接连接，如果管路设计不当，会引起风管有较大振动，并直接通过地毯传递给人脚。因此，HVAC 吹脚管路设计对驾驶室舒适性的提高有比较重要的作用。为了对风道内的空气流动进行计算，对风道模型作如下简化：风道系统密封良好，除进风口和出风口外没有空气泄漏，空气为不可压缩流体，且体积质量为常数，分析模式为吹脚全热外循环。

风道空气紊流流动采用不可压缩流体的k-ε 模型描述。

连续方程：

动量方程：

则k 方程为：

ε 方程为：

式中：Ui，Uj——第i，j 个节点的平均速度，m/s；

t——时间，s；

P——压力，Pa；

Xi，Xj——第i，j 个节点的位移，m；

k——动能，Pa/s；

ε——耗散能，m2/s3；

ρ——体积质量，kg/m3；

vt——粘度，vt=Cμk2/ε。

常数：Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

2 吹脚模式地板抖动原因分析

2.1 问题描述

在主观感受上，某车型怠速HVAC 吹脚全热外循环模式，驾驶员和副驾驶员地板能够感觉到比较明显的抖动。当关闭发动机，利用外接电源使鼓风机工作时，相同模式也能够感觉到比较明显的地板抖动。因此此问题与发动机是否工作无关，应主要由暖通箱工作引起。对此，文章进行了客观测试，其地板振动结果图谱，如图1所示。

由图1 可以看出，在90 Hz 附近地板存在较大振动峰值，会使人产生不舒适感。

2.2 问题识别

暖通箱及吹脚风道模型，如图2所示。吹脚风道放置于地板，与地毯直接连接。

此问题吹脚模式感觉明显，其他模式无明显感觉，怀疑此问题由暖通箱和吹风管道引起。经测试分析为地板及吹脚模式风管90 Hz 模态频率，排除共振引起振动峰值，判断风道内流场分布引起的流速变化可能为此问题主要原因。

脱开吹脚模式风道连接位置，使暖通箱气流无法进入吹脚风管。基础状态与脱开风道后地板振动对比，如图3所示。

由图3 可以看出，吹脚管道无气体进入后，地板振动峰值消失，主观感觉也明显改善。说明此问题主要由风管内高速流动气体产生。

将吹脚风管表面粘贴阻尼片（如图4所示），使风管振动响应降低，分析地板振动是否改善。

地板振动与基础状态对比，如图5所示。

由图5 可以看出，风管表面贴阻尼片后，地板振动略有改善，主观感觉仍不能满足要求，进一步说明此问题由风管内部高速气体产生。风管振动响应降低可以使问题改善，但无法从根本上解决问题。下一步将利用CFD 手段分析问题原因，并改善流场分布使地板振动降低。

3 吹脚风道的CFD分析及优化

3.1 吹脚风道的流场分析

汽车吹脚风道模型，如图6所示。采用k-ε 模型对风道模型进行描述。先在Hypermesh 中划分三角形的表面网格，这样表面的连接和修补相对容易，然后输出为Patran 格式，再导入到ICEM-CFD 中生成体网格。风道网格采用四面体网格。

HVAC 工作模式为吹面全热外循环，分析结果，如图7所示。由图7 可以看出，由于吹脚模式进风口存在挡板，产生很大的湍流，此处气流的变化可能为产生问题的主要原因。

3.2 吹脚风道的优化

3.2.1 改进方案的流场分析

对吹脚进气口挡板位置进行改进，改善气流走向后，风管内流场分布，如图8所示。由图8 可以看出，气流走向得到一定改善。

3.2.2 改进方案的试验验证

采用手工方式，将吹脚风道进风口挡板填平，改善气流走向。手工填平后进风口前后对比，如图9所示。

进风口挡板填平后，地板振动图谱，如图10所示。由图10 可以看出，地板振动明显改善，验证了问题推断的准确性。吹脚模式风道内气流走向对地板振动有较大影响。

4 结论

1）分析问题原因需要主观和客观测试有机的结合，采用客观数据锁定问题的特征；2）利用CFD 流场模拟计算能有效直观地发现问题的本质，从对吹脚风道进行流场分析结果提出改进方案，使问题得到较大改善；3）对地板振动问题的优化仅通过风道走向进行，未涉及暖通箱内部结构优化，对成本要求没有形成突出矛盾，有利于问题的及时解决。