某车型空调箱声品质优化与研究

王若明 邓雨来 贺其富 邱祥宇 张亚国

摘  要：从汽车行业IQS调查结果，可以看到用户对于空调系统噪音的关注度逐步提高。在管控噪音的幅值的同时，对于声品质也应引起关注。本文结合在开发某款车型空调时遇到的案例，从主观及客观测试上对故障进行排查分析，通过对比测试达到改善声品质的目的，为后续项目的优化改善提供了参考。基于上述优化思路，在新车型新空调箱体开发时，需要关注空调箱体的音品质，涉及到空调结构需提前分析，评估是否存在大的压降、回流、涡流等风险，开展不同方案的分析测试对比，以达到更好的音品质效果。

关键词：空调箱;声品质;集流器;防涡圈

中图分类号：U463.85+1      文献标识码：     文章编号：1005-2550（2018）05-0089-06

Optimization And Research On The Sound Quality Of HVAC

WANG Ruo-ming， DENG Yu-lai， HE Qi-fu， QIU Xiang-yu， ZHANG Ya-guo

（ Dong Feng Motor Corporation Technical Center， Wuhan 430058， China ）

Abstract： From the IQS survey results of the automobile industry， it can be seen that users pay more attention to the noise of air conditioning system. While controlling noise amplitude， attention should be paid to sound quality. This paper in the development of the case， from the subjective and objective tests to stepwise screening analysis of fault， through different scheme contrast test， finally to achieve the purpose of improving the quality of sound， provides reference for the news. Based on the optimization， at the early stage of the development of HVAC， more attention should be concentrated to HVAC sound quality， specifically involves structure， require advance pertinence analysis， evaluation of whether there is a big pressure drop， the problem such as reflux， eddy current， as soon as possible to carry out the different plan contrast analysis and test， in order to achieve better sound quality effect.

1    前言背景

某車型空调系统开发时，整车主观评价存在明显的“隆隆”轰鸣音，严重影响乘员的舒适性。经对空调箱体单体进行测试评价，此异音仍然存在，该异音与空调系统或压缩机是否运行无关。经对空调箱单体进行不同工况下测试评估，发现该异音在某一状态下尤为明显，如下图1。具体工况如下，吹脚除霜、全热、外循环、风量为8档。

测量在该工况下的噪音分贝值为59dB（A），小于目标要求64dB（A），异音在噪音分贝大小上没有超标，但其声品质很差，影响用户的舒适性。

2    原因分析及改善验证

2.1   初步排查

分析空调箱体噪音，首先需要了解汽车空调系统噪音的主要噪音源及表现。汽车空调系统的主要噪音源包括：气流噪音、运动机构噪音、制冷剂流动噪音、振动与结构强度[1]。

气流噪音：主要是鼓风机或风扇，风机工作过程中旋转产生的强烈的压力脉动导致噪音。亦可解释为，当气体与气体、气体与其他物体（固体或液体）之间做高速相对运动时，由于粘滞作用引起了气体扰动，就产生空气动力性噪声。空气动力噪声主要包括旋转噪声和旋涡噪声，空调箱体的空气动力性噪声就是两者互相叠加的结果[2]。

其他噪音形式及对应表现如下：运动机构噪音，也称为机械噪声，主要是空调箱模式、冷暖、内外循环、风门连杆机构、鼓风机等所产生的噪音;制冷剂流动噪音，是由制冷剂通过膨胀阀内部各种启闭件时振动引起的;振动与结构强度，空调零部件等安装到整车后与整车振动模态、振型、应力分布、安装点受力情况分析。

根据噪音的主观感受及初步拆解分析，排除运动机构噪音、制冷剂流动音、振动及结构强度因素，锁定原因为气流噪音，气流噪音的表现形式与噪音频段关系如下表1。

2.2   测试分析

采用相同工况进行单体台架噪音测试，模拟测试驾驶员右耳噪音，测出该工况下的噪音、频率、转速之间关系。测试结果如下图2，左图为频率-噪音图，右图为转速-频率图。左图中绿色线为实测结果，右图亮线区域为轰鸣区域所在。

由图分析可以看出，异音区域对应的频率集中在在104Hz、145Hz、196Hz三个位置，三个频率点对应位置，为噪音-频率图（a）中的波峰位置。同时，在转速-频率图（b）中可以看出，轰鸣区域位置对应的噪音阶次为2阶、3阶、4阶。

另外，鼓风机叶片数量为47片，如噪音是由于鼓风机叶片所导致，则对应的噪音阶次与47成整数倍关系，实际在图中可以看出，并无47阶次噪音，因素排除。

空调箱体的空气动力性噪声，是旋转噪声和旋涡噪声两者互相叠加的结果。当叶轮旋转时，在叶片出口处，沿着周向气流的速度和压力都是不均匀的，这种不均匀的气流作用在蜗壳上，产生压力随时间的脉动噪音。噪声产生机理与流动分离和旋涡密切相关，要改善优化该噪音，需评估分析该鼓风机+蜗壳结构，针对性改善优化流体分离及旋涡点。

一种文献研究观点，离心通风机蜗壳宽度远大于叶轮出口宽度，气流进入蜗壳后不会立刻完全充满进口段的整个空间，气流进入蜗壳后扩压度变大，气体从叶轮出口到机壳通道经历了减速扩压过程，导致二次流涡旋产生[3]。空调蜗壳结构断面如下图3，左图（c）（d）为文献研究结果，在蜗壳宽度明显大于叶轮出口宽度时，在集流器、叶轮前盖、蜗壳之间会形成明显涡流;通过增加防涡圈，能够有效降低该区域涡旋的强度（e）（f），改善气流流动均匀性。与未加防涡圈的风机相比，加防涡圈后风机，大尺度旋涡得到有效抑制、旋涡旋转强度明显降低，内部流畅更加均匀化[4]。

本车型蜗壳的结构断面如下图4，通过实际断面（g）和流场仿真（h）可以明显看出，在集流器、叶轮前盖、蜗壳之间明显有气流回流以及二次流涡旋产生。

另一种文献研究观点，气流在风机集流口流动时，会产生涡流及边界剥离并形成低压区，使得周围的气体聚集产生旋涡，下图5。气流流动主要分为三个阶段：阶段一为集流口喉部之前的渐缩平稳段;阶段二为气流从集流口喉部到叶轮入口边界分离，并在轮盘中心拐角处形成较大涡流;阶段三是叶轮入口到出口，受第二阶段影响明显，见（i）（j）。优化后的集流口，不仅使流动在渐缩段平稳，而且在渐扩段不再发生边界层分离[5]。改善集流器流道，有助于改善流动损失。集流器用于将气体导向多翼叶轮，一般将集流器做成圆弧外形或锥形，集流器设计好的风机可使压力系数最多可以提高一成左右[6]。通过改善集流口结构，能改善叶轮内气流流动状态，降低涡流及流动损失，见下图（k）。

基于上述分析，集流口设计不好会产生涡流及边界剥离，最终形成低压区。对问题蜗壳内流场仿真，可以通过图5中（l）看出，在深蓝色区域存在明显的负压区/低压区，位置区域锁定。

上述两种观点，在问题箱体中均存在，需要针对性的改善应对。

2.3   方案制定

基于上述理论分析及仿真结果，参照上述研究结论，针对性增加防涡圈及集流器。

防涡圈结构：在工程可行及使用安全范围内，涉及防涡圈相对叶轮前盖的径向间隙，以及防涡圈相对于叶轮前盖出风面（下图中红色虚线）的轴向间隙。考虑到不同区域的间隙，不同区域定义有所差异，详细见下图6。

不同角度区域间隙控制定义如下图（m）：A区域考虑到叶轮偏摆，轴向间隙控制设计为-5mm（等于叶轮前盖厚度），同叶轮边缘平齐，如下图（n），径向为2.7mm;B区域径向间隙2.7mm，轴向区域可能存在两种趋势，一种同叶轮出风面平齐，如下图（o），还有一种是高于出风面，下图（p）;C区域包含过渡区域及渐开区域，轴向间隙控制同B，渐开区域径向间隙保持5mm;D区域涉及到同蜗舌的关系，有同蜗舌位置连接和不连接两种差异，无间隙连接到蜗舌时采用渐开对接，有间隙时防涡圈与蜗舌间隙平均约5mm。E区域由于离蜗舌过近，无法布置防涡圈，结构断面如图（q）。

集流器结构：根据项目经验及文件研究结论，集流器设计为圆弧外形，优先考虑负压区域，内径相对于外径内收10mm，如下图7中（r）与（s）差异。

2.4   测试验证

综合上述影响因素，对影响因素进行正交设计，并进行主观及客观评价，详见下表2。

根据主观评价结果，挑选差异明显的方案进行客观对比测试：原始方案、改善方案二、改善方案三，图示结构差异如下。

原始方案，图8：无任何改善措施的原始方案，无防涡圈及集流器

改善方案二，图9： 防涡圈高于出风端面14mm，蜗舌位置无间隙，有集流器

改善方案三，图10： 防涡圈与出风端面平齐，蜗舌位置有间隙，平均约5mm，有集流器

主观评价：空调箱体总成进行单体主观评价，相比原始方案“隆隆”轰鸣音，两种改善方案均有不同的改善，但在音品质上改善方案三更优，在整车上主观评价效果同单体一致。

客观测试：台架上测试对比改善效果，如图11，从噪音-频率图上可以明显看出，相对原始方案三个频率点上，两种改善均不同程度降低了该点的波峰，其中改善方案三更为明显，改善幅值分别为15dB@104Hz，10dB@145Hz，8dB@196Hz。同时，在频率-转速图上，两种改善方案的亮线区域明显弱化改善，改善方案二亮线区域仍存在，改善方案三亮线区域基本消去。

综合主观及客观测试结果，改善方案三效果明显，三个频率点峰值明显改善，轰鸣亮线区域明显改善，主观评价轰鸣基本消除，改善方案明显可行。

3    总结

本文结合在开发某款车型空调时遇到的实际案例，从主观及客观测试上，通过设计不同防涡圈及集流器方案，达到明显改善声品质的效果。研究改善表明，防涡圈及集流器在改善气流回流，以及优化二次涡旋上改善明显，集流器在优化气流改善负压上效果明显。基于上述优化思路，在新车型空调箱体开发时，需关注空调箱体的音品质，涉及到叶轮与蜗壳需针对性分析，评估压降、回流、涡流等风险，并开展不同方案对比测试，以达到更好的音品质效果。

参考文献：

[1]吴波.汽车空调系统开发过程中的噪音控制.汽车实用技术，2016，（1）：4-5.

[2]冉苗苗.多翼离心风机的CFD分析及噪声预测[毕业论文].华中科技大学，2007：52-53.

[3]李曉丽，楚武利等.防涡圈对离心风机性能的影响.机械科学与技术，2011，30（7）：1183-1186.

[4]王松岭，雷泳等.电厂离心风机容积损失的数值分析.华北电力大学学报，第33卷第1期 2006，33（1）：60-63.

[5]林世扬，常贺英等.多翼离心风机集流口流场模拟和优化设计.流体机械，1995，23（9）：24-28.

[6]俞亚冕.多翼离心风机优化设计及性能测试[毕业论文].昆明理工大学，2017：3.