某纯电动汽车用HVAC 空调箱轰鸣声优化方案研究

李 鹏，赵渊博，孙 放

（航空工业新航豫新汽车热管理科技有限公司a.研发二所，b.研发四所，c.研发三所，河南 新乡 453049）

1 项目背景

目前，汽车生产厂商对各种汽车零部件，尤其对整车安全性与舒适性有重要影响的零部件的要求越来越高。汽车空调作为直接影响整车舒适性的重要零部件，其制冷、制热、声品质等受到了客户更多的关注。随着科技的发展，小型、高效、节能已成为汽车空调发展的主流趋势［1］。

汽车驾驶舱在汽车行驶过程中易产生各种噪音，进而增加驾驶员及乘员的疲劳感，显著影响整车的舒适性。空调箱作为汽车车身的重要部件，其自身的噪音必然会降低整车舒适性［2］。空调箱噪音的一个典型来源就是轰鸣声，轰鸣声的产生能给驾驶员及乘员带来主观上的不舒适，易使人焦躁不安，甚至出现头晕恶心的现象。因此为了保证驾驶舱的声品质，提高整车的舒适性，保证行车安全，HVAC自身轰鸣声的优化就显得尤为重要［3］。

电动汽车的一个重要指标就是节能、高效，因此对电动汽车用空调箱的小型、高效、节能也提出了更高的要求。在相同性能指标下，在更小的空间，实现更高效的空调箱性能发挥，就需要对汽车空调箱内外部结构进行更多的优化。纯电动汽车车用空调箱相比于传统汽油车车用空调箱，由于其加热系统热力源由发动机变为车载电池，换热载体也由暖风芯体变为PTC，相同通风面积下，为了提高电动车的功效，PTC结构相比于暖风芯体就显得更为紧凑。在相同换热效率下，PTC结构的紧凑必然会增加HVAC空调箱内部的通风阻力，就会造成空调箱自身噪声的增大，轰鸣声也会变得更加明显。与此同时，由于纯电动汽车相比于传统汽油车，动力系统由发动机变为了电动机，动力源的噪声显著降低，在相同使用环境下空调箱的轰鸣声会表现得更加突出［4］。为此，本文以某纯电动汽车用HVAC空调箱为研究对象，通过CFD仿真分析与试验验证，进行轰鸣声优化方案研究，探索出一种轰鸣声的优化方案。

2 空调箱轰鸣声产生机理

HVAC空调箱的主要框架为塑料件结构，厚度一般为1.2～1.8mm，其工作的原理是通过空气作为媒介，经由空调箱内部的空气流道，进行热量的交换与传输。而空气作为弹性体，在汽车空调箱塑料件壳体内部流道内更易产生涡流以及振动和声腔模态［5］。空气在汽车空调箱塑料件壳体内部流道内流通的过程中，随着塑料件流道体积的不断变化，相同质量的空气，其体积会不断发生变化。随着空气体积的波动，其与空调箱壳体的结构振动在低频范围内会产生一定的耦合作用。这种低频的耦合作用在一定的激励下，如果产生的响应较大，便会在空调箱内产生很高的压力脉动，进而使空调箱产生轰鸣声，影响整车声品质，降低整车舒适性［6］。

轰鸣声作为低频噪音，通常发生在25～100Hz的低频范围内。不同频率范围内，激励源以及激励方式也会不同。空调箱轰鸣声的激励方式主要有：鼓风机电动机振动、叶轮振动以及空气与空调箱壳体间的壁面振动。空调箱轰鸣声产生的因素主要有：空调箱激励源、发生耦合的频率以及主要响应位置［7］。因此，需要通过以上3个因素的优化，来实现空调箱轰鸣声的改善。

3 空调箱轰鸣声原因分析

该纯电动汽车车用空调为小型、立式、中置式结构，其内部流道参照了某款汽油车车用空调的内部流场结构，为全新开发。由于空间结构的限制，其内部非常紧凑，通风区域相对狭窄，相对风阻较大。冷暖风门由全冷模式切换为全热模式的过程中，主观评价轰鸣声逐步加重，在全热吹脚模式表现最为明显。因此需要从轰鸣声激励源、轰鸣声发生的频率、轰鸣声产生的位置，逐步确定轰鸣声产生的具体原因［8］。

3.1 半消音室NVH近场分析

考虑到该汽车空调轰鸣声的具体表现，为了初步确认空调总成轰鸣声产生的原因及其表现形式，我们使用LMS Test.Lab NVH测试系统，在半消音室进行HVAC总成近场噪声测试。试验布点（Point D1）方法如图1所示。

图1 试验布点方法

轰鸣声主要产生于全热模式，首先进行全冷吹脚模式和全热吹脚模式下的空调箱总成噪声差异性分析。如图2所示，对比全冷吹脚外循环和全热吹脚外循环的噪声频谱，全热模式与全冷模式的频谱差异主要体现在63～400Hz频段，前者幅值较高。此频段噪声源复杂，主要有鼓风机振动噪声、气流流动噪声和鼓风机阶次噪声等。

因为HVAC工作时需要鼓风机叶轮旋转带动气流产生风量，风机带动叶轮高速旋转产生的振动激励是空调总成的一个重要激励源。为排除该振动激励，将HVAC总成安装到半消音室内的风量实验台架，通过台架为HVAC送风，鼓风机处于静止状态。鼓风机工作和静止状态下的空调总成近场噪声测试结果如图3所示。可以发现，63～400Hz频段的频谱差异依然存在。与此同时，我们也进行了轰鸣声的主观评价，鼓风机两种状态下的轰鸣声无明显差异，说明此问题的根源不在鼓风机，而是由空调总成内部气流流动产生。

图2 全冷与全热模式下空调总成噪声频谱

图3 鼓风机工作和静止状态下的噪声频谱

初步判定轰鸣声产生的原因为空调箱内部产生涡流以及局部的壁面振动。

3.2 CFD仿真分析

为了进一步确认轰鸣声产生的原因，我们进行全热吹脚外循环模式下的空调总成流场CFD仿真，对其内部流场进行分析［9］。依据流道中线截面处速度矢量图 （图4），没有发现空调内部出现大的涡流。因此，我们进一步对其涡量云图进行分析，结果如图5所示。通过涡量云图，在黑色轮廓线指示位置，可以看到有2个明显的涡流且涡量较大，说明空调箱内部流场涡流可能是引起轰鸣声的原因。

图4 流道中线截面处速度矢量图

图5 涡量云图

4 优化与验证

4.1 优化方案

根据上述分析结果，可以初步判定空调箱总成轰鸣声产生的原因为空调总成内部产生涡流，进而引起气流流动噪声，产生轰鸣声。为了验证此分析结论，我们对空调箱内部流场结构进行优化，减小涡流，优化全热模式下气流流动噪音［10］。通过图5，我们可以看出轰鸣声的位置为空调箱内部流道导流板处，改善前空调箱总成全热吹脚模式下的导流板结构及其内部流道图如图6所示。

图6 空调箱总成全热吹脚模式下的内部流场图

结合CFD仿真分析结果及空调箱内部流道图，综合考虑空调总成的风量、混风、结构强度等因素，初步确定优化空调总成的导流板结构为改善方案。改善前后空调总成导流隔板结构如图7所示。

图7 导流板优化前后的空调箱总成内部结构图

4.2 试验验证与主观评价

为验证优化方案结果，我们对导流板改善前后的空调总成分别进行了近场噪声测试及轰鸣声主观评价。改善前后的噪声频谱对比见图8，可以看出，优化后的噪声幅值在63～160Hz的频率范围均有降低，特别是在100Hz和125Hz犹为显著；1/3倍频程中100Hz和125Hz频段噪声值降低了1.8dB。

图8 HVAC原始结构和优化结构噪声频谱

同时，主观评价的结果也表明，该方案轰鸣声改善明显，得到了客户的认可。

5 结束语

从该纯电动车用空调系统的轰鸣声优化方案试验结果来看，低频峰值得到显著降低，轰鸣声主观评价改善明显，说明该优化方案能显著优化空调箱轰鸣声，提高汽车空调声品质。

与此同时，探索出了一种空调箱轰鸣声优化的思路与方案。通过CFD仿真分析、半消音室近场试验分析与验证、主观评价，对该方案进行了一个系统的研究与验证。试验及主观评价结果表明该优化方案能有效改善轰鸣声，可为后续空调箱的轰鸣声优化提供参考与指导。