某车型空调风管振动问题试验研究与优化

李 智，龙书成，付玉乐，常文瑞，黄 毅

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州511434）

0 引言

随着汽车行业的发展，人们对汽车各类振动越来越关注，对汽车的驾驶及乘坐体验要求越来越高。汽车暖通空调系统也是汽车振动噪声的重要来源，HVAC（Heating，Ventilation and Air Conditioning）系统带来的振动噪声日益被重视。当前对HVAC系统振动噪声问题的研究，主要集中在风管气动噪声分析与控制、鼓风机振动和噪声控制、制冷剂流动音等方面［1-5］，对风管系统振动方面的研究相对较少。吹脚风管振动过大，会使驾驶员及副驾乘客脚底发麻，影响乘坐舒适性甚至行车安全。宋鲁涛等［6］借助CFD手段对吹脚风管流场进行分析，通过改善气流走向，优化了吹脚风管振动问题。本文作者针对某车型吹脚模式地板振动大的问题，通过试验手段，分析鼓风机振动、传递路径振动以及吹脚风管自身振动和频响函数，发现问题原因是风管刚度不足导致局部模态被激起产生共振，通过优化风管结构，提高了风管刚度，最终将问题解决。

1 问题描述

某车型开发过程中，空调系统吹脚模式鼓风机2挡以上风量时主驾和副驾脚底有较明显的发麻感，鼓风机风量越大，发麻感越强烈。关闭A／C，或关闭发动机，现象依然存在，因此，该问题与发动机及压缩机是否工作无关，主要由HVAC系统引起。

2 原因分析

拆开前排地毯，发现后排吹脚风管的末段放置于前排地毯下方的地板上，出风口在前排座椅底下。鼓风机2挡以上风量时，吹脚风管和地板振动都较大，此时将风管从地板拿开，地板振动消失，风管振动依旧大。因此判断，吹脚模式前排脚底发麻，原因是后排吹脚风管振动大，振动传递至地毯。

2.1 吹脚风管振动测试

为分析吹脚风管振动大的原因，先对风管振动进行测试。选取副驾吹脚风管上表面作为振动加速度测点 （图1），鼓风机风量分别从1挡调节至7挡 （最高7挡），振动频谱如图2所示。

从风管的振动加速度频谱可以看出：随着鼓风机挡位增大，风管振动幅值变大，从2挡开始，振动幅值突变明显，1挡最大振动幅值为0.07 m／s2，2挡为0.28 m／s2，增大了4倍，与主观感受相符。尽管风管振动幅值随鼓风机挡位增大，但振动的主要频率并未发生变化，两个主要峰值的频率始终为55 Hz与 100 Hz。

图1 风管振动测点 （副驾）

图2 鼓风机各挡位吹脚风管振动频谱

2.2 问题分析

NVH问题一般从激励源-传递路径-响应三方面依次排查。结构上，吹脚风管放置在地板，与地毯直接接触，另一端则通过暖通箱上伸出的一段过渡风管与暖通箱连接，暖通箱再连接到鼓风机，结构见图3。鼓风机是整个吹脚风管系统上的激励源，暖通箱及过渡风管则是传递路径。

图3 吹脚风管及暖通箱结构

针对吹脚风管系统的上述振动传递特征，测试鼓风机壳体和过渡风管振动。由于问题现象为鼓风机风量越大，吹脚风管振动幅值越大，因此选取现象最明显的7挡风量作分析工况。7挡风量时，各测点振动结果如图4所示。

图4 吹脚风管振动频谱与鼓风机、过渡风管振动频谱对比

通过数据分析，吹脚风管的振动频谱与鼓风机及过渡风管的振动频谱相差较大。吹脚风管的振动幅值远远大于鼓风机及过渡风管振动幅值，在吹脚风管的问题频率55 Hz和100 Hz处，鼓风机及过渡风管上振动频谱并没有对应关系。由此判断，吹脚风管振动并非从鼓风机-过渡风管传递，极有可能是其自身结构特性导致。

2.3 吹脚风管频响测试

为了更直接确定问题原因，运用测试手段调查风管结构特性。整车约束状态下，测试吹脚风管上表面的原点频响函数，频率响应可以表征结构的振动特性，是系统的固有属性，测试结果如图5曲线2所示。

图5 风管频响

从测试结果可以看出：风管频响曲线上55 Hz和100 Hz处有2个明显峰值，与风管振动峰值频率吻合。进一步确定了问题是由于风管刚度不足，存在局部模态，风管在气流激励下，局部共振，导致脚底板发麻感。

3 优化方案制定及实施

3.1 优化方案

风管的频响特性取决于风管的形状、材料及安装状态。风管形状受布置空间约束，样车调校阶段，由于周边零件已设计完成，风管布置空间及安装位置已定，风管形状的可调整空间一般较小；风管壁厚增加，可在一定程度上降低风管频率响应幅值，但质量及成本会随之增加。最终结合现有风管结构形状，尽可能改动小的前提下，将风管上下表面用加强筋连接，如图6所示。连接后，测试频响如图5中曲线1所示。

图6 风管结构优化方案

从图5可以看出：风管上下表面用加强筋连接后，频响测试结果的峰值频率有变化，幅值降低明显，表明风管在单位力激励下的响应变小，风管结构得到加强，刚度提升。

3.2 优化方案效果验证

样件装车验证，测试鼓风机各风量挡位风管振动频谱，结果见图7。与图1对比，最高挡7挡的最大振动幅值从1.0 m／s2左右降低至0.35 m／s2左右。进一步计算各风量挡位下风管优化前后的振动总值，如表1所示。

图7 风管结构优化后振动频谱

表1 风管优化前后振动总值 （0～200 Hz）

风管结构优化后，各风量挡位工况下，风管振动总值均降低60%以上，主观评价脚底振动改善明显，可以接受，问题解决。

4 总结

对某车型空调系统吹脚模式2挡以上风量地板振动大的问题进行研究：

（1）通过关闭压缩机和发动机，使鼓风机单独工作，判断地板振动由HVAC系统引起。将吹脚风管脱离地板，结合主观评价，锁定振动来自吹脚风管。

（2）从激励源-传递路径上对吹脚风管振动进行测试排查，并测试吹脚风管频率响应特性，发现振动并非从鼓风机传递过来，而是风管自身结构刚度较弱，在气流激励下，吹脚产生共振。

（3）对吹脚风管结构进行优化，使吹脚风管刚度大幅提升，振动改善明显。并且，风管结构的优化仅通过优化加强筋深度实现，未改变风管主体结构及走向，易于实现，成本低，有利于问题快速解决。