基于改善吸排气脉动的汽车空调旋转斜盘式变排量压缩机的NVH改进

2018-05-28王翔

汽车实用技术 2018年9期

王翔

引言

现今，被广泛使用的汽车空调系统设计仍然是由发动机通过皮带轮的传动来驱动汽车空调压缩机的皮带轮，皮带轮旋转带动压缩机工作，从而运行整个空调系统进行循环工作。压缩机在运行时所产生的噪音，大致可分为三类（图1所示）：振动噪音，传递噪音和脉动噪音。依据声学的理论，噪音的传递需要噪音源头和传递路径两部分来实现（图1所示）。早期，由于汽车还属于奢侈品的范畴，因此压缩机本体的要求是快速降温，压缩机的噪音则交给了高成本的隔音隔振的材料以及管路的优化设计。现今，随着汽车行业竞争的不断加剧，成本压力的不断提升，整个汽车行业将目光聚焦到了压缩机本体噪音的改善结合传递路径的改善的策略上来，以期待在控制成本的同时达到了提升整体的舒适性的目的。

图1

本文将聚焦于汽车空调压缩机脉动噪音改善，以当下使用较为广泛的旋转斜盘式变排量压缩机为例，以结构理论分析结合实际试验的方式给出优化的设计建议。

1 压缩机的脉动噪音

为了改善压缩机的脉动噪音，首先当然需要了解它产生的机理。目前使用于汽车空调的压缩机大多为往复式活塞式压缩机，为了能够高效利用传递扭矩一般采用多缸结构，旋转斜盘式变排量压缩机就是其典型的代表。在压缩机工作的过程中，由发动机带动压缩机主轴旋转，主轴带动连杆推动活塞在气缸内作往复运动，实现制冷剂蒸汽的吸入，排除，压缩，膨胀的周期性工作。由于压缩机在每运行一转的过程中都会经历吸入和排出的过程，且每次吸入和排出过程中是有间隔的，同时在运行的过程中，每个气缸的工作状态也各有不同，因此这种每次循环的吸气和排气不连续性产生了气流波动。这种不连续的吸气与排气会引起吸排气腔产生气体涡流，以及制冷剂流速突变与管壁产生的摩擦，从而产生了压缩机的脉动噪音。另外，汽车空调压缩机的工作转速一般都在1000～3000转/分，导致该类噪音的频率一般都在人类听觉容易辨别的范围，约为100～3000Hz之间。

如之前所述，我们不难发现作为往复式的活塞式压缩机来说，由于吸排气都存在不连续性，因此脉动是这类压缩机的固有特点，如现有结构没有重大的变革，这类噪音本质上是无法被消除的。因此后续探讨的是如何采用优化的设计来实现降低压缩机本体的脉动噪音，从而避免被人耳识别，到达改善压缩机对于整车空调系统NVH的贡献。

2 脉动噪音的改善

图2

2013年，在于A公司（某知名跨国车企）合作空调压缩机整车配套项目中，客户与5月夏季路试时候发来反馈，抱怨部分整车在开启空调之后有明显的噪音异响。经过现场的噪音测试，我们获得了在车辆怠速情况下，部分压缩机在500Hz频率范围附近存在明显噪音差异（如图2所示）。

在试验台架上，我们采用模拟整车工况对NG件和OK件进行了NVH对比，在吸气脉动对比时（如图3），我们同样发现在500Hz范围附近，NG件的存在高亮带吸气脉动表现较差，同时与实车发生 NVH噪音的频段相对应，由此我们可以锁定吸气脉动是引起此次发生实车异响的原因。

图3

由脉动噪音产生的原理来看，改善脉动噪音的方式大致可以分为三种：1）减小管路直径降低压力脉动；2）降低脉动冲击力使得脉动变得平缓；3）就是将1和2方案叠加使用。

1）减小管路直径降低压力脉动：根据流体力学公式和伯努利定理（如图 4），由于流体的能量为“定值”，因此剩下的就是压力P会发生改变。换而言之，流速的提高（管道直径减小）会导致压力会变小。所以，通过减小气路直径（管道截面面积减少）能够减小压力脉动。综上所述，在通常的情况下，压缩机会在气路内增加单向阀来减小气路直径，降低脉动噪音。

图4

图5

2）降低脉动冲击力使得脉动变得平缓：一般来说吸气阀片和阀板的配合设计（如图5右上角）会在通气孔的周围再增加一个环槽设计，这样的设计可以有效避免阀片由于油膜的作用吸附与阀板上，达到降低开启压力的作用。环槽与通气孔之间的密封带宽度也会对于阀片开启的压力有略微的影响。图5为密封带宽窄对于开启压力的影响的对比，从图5中我们可以看到在吸气阀片开启的时候，红色宽密封带的设计比蓝色窄密封带的设计需要更大的压力才能打开。综上所述，设计和加工的合理范围之内越是窄的密封带开启的压力值会越小，这样对于整个吸气的脉动冲击也就越小。

图6

针对该项目发生的 NVH问题，我们最终拿出了两套改进方案：1）在吸气口增加吸气单向阀；2）将阀板环槽的加工进度提高，将密封带的宽度收紧。图6为两种方案与OK件和NG件的吸气脉动数据对比，从中不难发现两个改进措施都能够有效地降低500Hz范围处吸气脉动噪音。在实车验证下，这两个方案对于整车 NVH的改进效果都获得了客户的认可，虽然两个方案都到达了预期的效果，但是由于单向阀的方案对于空调系统性能有一定的损耗，因此最终还是采取了阀板改进的方案。