基于二级隔振压缩机支架的车内振动噪声优化

卢国纲，刘 钢

基于二级隔振压缩机支架的车内振动噪声优化

卢国纲，刘 钢*

（海南海马汽车有限公司，海南 海口 570216）

某燃料电池汽车空调开启的工况下，车内噪声及方向盘振动较大，主观评价某些转速下车内声音有明显压耳感，不可接受。文章运用振动系统隔振理论对该问题进行分析和研究，通过空调开启工况下整车隔振性能测试分析，提出空调压缩机支架使用二级橡胶隔振系统的方式，优化压缩机支架隔振性能进而解决车内振动噪声大的问题。对空调压缩机本体来说，不用跳跃共振转速段，发挥空调压缩机最佳制冷性能，具有较高的工程指导意义。

燃料电池汽车；涡旋式压缩机；二级隔振；振动噪声；优化设计

随着“碳中和”目标的确立，汽车行业在新能源汽车领域取得了不错的进展。氢能汽车相较于纯电动汽车，能够实现真正的零碳排放，同时燃料电池汽车在报废回收阶段，也比纯电动汽车回收更容易且更有经济吸引力[1]。因此，各大汽车厂也在加速推动氢燃料汽车的研发。

与传统燃油车相比，燃料电池汽车的噪声主要来源于空气供应系统和供氢系统，其中空调压缩机的工作噪声较大，是燃料电池汽车的主要噪声源之一[2]。现有针对空调压缩机引起的整车车内噪声研究，多是以提高空调压缩机支架刚度和固有模态，来进行刚体模态避频。后期再通过空调压缩机本身控制策略进行共振转速段跳升进行避频[3]。本文研究在以往研究的基础上，对空调压缩机支架的隔振性能进行诊断优化，在原有单级隔振支架的基础上进一步设计二级隔振系统，从传递路径上解决空调压缩机工作转速段的振动噪声问题，对空调压缩机本身来说，不用跳升转速，从而延长空调压缩机使用寿命，发挥空调压缩机最佳制冷性能。

1 整车噪声测试及隔振理论

目前新能源汽车使用的空调系统均为涡旋式空调压缩机[4]。空调压缩机通过单级隔振支架安装在车身刚度较大的横梁或纵梁上，当空调压缩机工作时，所产生的的振动通过单级隔振传递到车身结构，进而传递到车内地板、座椅、方向盘等，引起驾驶员和乘员对振动噪声的主观感受。在进行问题诊断时，试验测点可以根据关注部位进行测点布置，如图1所示。

图1 试验测点的布置

空调压缩机按照整车安装状态进行布置，压缩机涡旋动盘对应的外壳体布置加速度传感器测试三向加速度信号。在空调压缩机支架主动端和被动端分别布置三向加速度传感器。在车内方向盘12点钟位置和驾驶员座椅安装脚处分别布置加速度传感器，测量响应点位置的加速度信号。在驾驶员内耳位置布置声学麦克风。

1.1 振动系统隔振理论

通过对空调压缩机支架主动端和被动端振动幅值的数据，可以计算支架隔振率，评价空调压缩机隔振性能[5]。

隔振性能通常用振动传递系数描述，可以理解为通过隔振系统传递的力与激励力之间的比值，或传递的位移与激励位移之间的比值，值越小，则反映通过隔振系统传递的振动越小，隔振性能越好。单自由度有阻尼隔振系统的振动传递系数计算式为

1.2 二级隔振系统模型

为了进一步提高隔振性能，可以提高系统值，即降低系统固有频率0。二级隔振系统能对激励源进行二次衰减，使系统的刚体模态进一步降低，理论上能获得更好的减振作用[7]。将压缩机支架隔振系统简化为多自由度隔振模型，如图2所示。将压缩机看作1质量体，压缩机与压缩机支架之间作为一级隔振1的弹簧。压缩机支架总成看作2质量体，压缩机支架与燃料电池堆总成安装横梁之间作为二级隔振2的弹簧。

图2 二级隔振系统简化示意图

在振动的主方向上简化为二级隔振模型。根据隔振系统模型测试，空调压缩机在2 650 r/min传递至车身振动较大，车身结构件、方向盘、座椅总成等受迫振动，向车内产生辐射噪声。因此，本文通过在振动传递路径上增加二级隔振橡胶来进行整车振动问题的优化和改善[8]。

2 空调压缩机支架隔振分析

为对比单级隔振和二级隔振效果，本文采集空调压缩机工作时，隔振系统主动端、被动端的加速度数据，得出空调压缩机工作转速下主方向隔振率。

2.1 振动路径分析

空调压缩机本体的振动噪声控制主要通过两条路径传播：1）通过空调管路与横梁安装点传递到车身前围板从而传递到方向盘及前地板位置，该路径已做橡胶隔振和安装位置优化，无提升空间；2）通过空调压缩机单级隔振支架传递到燃料电池堆总成安装横梁，再通过横梁传递到前纵梁，经过车身最终传递到方向盘及前地板位置。通过振动传递路径分析排查，目前贡献较大的仍为空调压缩机单级隔振支架，可以通过增加压缩机二级隔振进而达到优化车内振动噪声的效果。

2.2 单级隔振性能分析

采集空调压缩机从1 000 r/min到3 500 r/min运行过程中，原压缩机单级隔振支架主、被动端的振动加速度数据，可以得到压缩机支架的主方向隔振率曲线，如图3所示。

图3 原压缩机单级隔振支架隔振率

由图3可以看出，单级隔振支架主方向在 2 500 r/min附近隔振率小于20 dB，造成了压缩机支架被动端振动较大[9]，通过车身传递至车内。

3 空调压缩机支架隔振系统改进

综合以上分析，理论上可以通过优化压缩机本体振动，以及优化压缩机支架隔振性能，来更好地提升燃料电池汽车在怠速和行驶时的舒适性。但是，为满足燃料电池整车热管理性能的基本需求，空调压缩机采用量产52 mL大排量涡旋式压缩机，压缩机本体很难进行本体振动的优化。

所以，本研究采用二级橡胶隔振系统进行空调压缩机支架优化，提高支架的隔振效果，同时改善力的传递特性，降低车内噪声。

3.1 压缩机支架二级隔振优化

压缩机本体与压缩机支架安装之间为原设计的单级隔振系统。为进一步降低弹性系统刚度，提高隔振效果，在压缩机支架与燃料电池堆总成安装横梁之间设计第二级隔振，优化方案如图4所示，实现空调压缩机二级隔振效果。

在测试过程中，进一步采用隔振橡胶的邵氏硬度为45 HA，隔振橡胶主方向上的静刚度 65 N/mm，降低系统刚度。

优化后的二级隔振压缩机支架在压缩机运行过程中，压缩机二级隔振支架主方向的隔振率在各转速下均大于20 dB，如图5所示。尤其在 2 000 r/min以上转速阶段，二级隔振效果有明显提升，可以达到40 dB，对降低车内噪声有明显效果。

图5 二级隔振支架隔振率

3.2 隔振系统优化后车内噪声效果验证

结合问题诊断优化，对二级隔振压缩机支架进行整车振动噪声测试和主观评价。车内驾驶员内耳位置噪声优化前优化后对比结果如图6所示。

图6 二级隔振系统优化后驾驶员内耳位置声压级

优化后驾驶员内耳位置声压级对比如表1所示。开启空调后车内声压级峰值由原状态的47 dB(A)降低到37 dB(A)，主观评价车内无明显低频“嗡嗡”声，尤其是影响舒适性的压耳感消失，主观感受改善明显。

表1 优化后驾驶员内耳位置声压级对比

驾驶员外耳位置声压级/dB(A) 改进前改进后 2 050 r/min附近4335 2 650 r/min附近4735

车内方向盘向振动由0.08降低至0.02，座椅安装脚架位置向加速度从0.008降低至0.005，主观评价方向盘及座椅无明显振动，使用舒适。

4 结论

燃料电池汽车的空气供应系统是整车振动噪声来源的重要部分。本文针对空调压缩机低频振动大和车内噪声大且压耳感问题进行了分析和研究，可以得出以下结论：

1）新能源汽车多采用涡旋式空调压缩机，其特点是激励频率范围较大，容易出现多个整车共振点。解决这类问题可以通过模态解耦、改善隔振率、改善力的传递路径、控制空调压缩机转速策略等方向进行问题优化。

2）二级隔振系统相比单级隔振系统，可以有效衰减激励源的激励。在进行新能源车型空调压缩机支架设计时，应充分预留空调压缩机支架的布置空间，在单级隔振支架无法满足性能要求时，可以使用二级隔振压缩机支架。

3）空调压缩机振动是通过压缩机支架传递到燃料电池堆总成安装横梁，再通过横梁传递到前纵梁，经过车身最终传递到方向盘及前地板位置。在空调压缩机和车身优化改动受制约的情况下，设计支架二级隔振，对降低车内噪声有明显效果。

4）结合空调压缩机选型实际情况，设计了压缩机支架二级隔振系统，二级隔振系统可以有效降低来自振源的激励，优化方案将车内噪声降低10 dB(A)，验证了二级隔振的有效性。

[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.

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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

卢国纲（1967－），男，工程师，研究方向为产品战略及高阶管理，E-mail:lugg@haima.com。

刘钢（1982－），男，高级工程师，研究方向为整车性能仿真，E-mail:lg84416848@163.com。

2021年海南省重大科技计划项目：高性能氢能MPV研发（ZDKJ2021046）。