变排量压缩机脉动噪音分析和优化

敬文博 董奇奇

摘 要：气流脉动是引起斜盘式变排量压缩机噪音的主要原因。文章通过对一类搭载至整车的压缩机产生的气流脉动噪音问题进行分析，为汽车空调气流脉动噪音控制制定出有效的解决方案，从而为提升汽车空调的乘坐舒适性奠定基础。

关键词：汽车空调;变排量压缩机;气流脉动噪音;控制方法

中图分类号：U664.5+1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）15-100-03

Abstract： Gas pulsation is a major cause of the noise in the swash plate type variable displacement compressors. Here， we analyzed the problems of the gas pulsation noise generated from a class of compressors installed in the whole vehicle， and developed an effective solution for the gas pulsation noise control of the air conditioner of automobiles， and thus constructed a foundation for improving the riding comfort of automobile air conditioners.

Keywords： Automotive air conditioning; Variable displacement compressor; Gas pulsation noise; Control method

CLC NO.： U664.5+1  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）15-100-03

引 言

随着汽车的不断更新换代，整车舒适性的要求也在不断提高，特别是整车NVH性能，其中的重要性日益凸显。开空调压缩机噪音作为整车核心指标之一，在整车研发体系中的要求也越来越高。因此，对压缩机噪音的分类和产生机理极其有必要了解。斜盘式变排量压缩机噪音分为机械噪音、电磁离合器噪音、气流脉动噪音。机械噪音主要由压缩机内部部件与部件的摩擦冲击产生。斜盘与滑履的摩擦冲击，导致滑履在活塞半球型槽内的剧烈振动。转子系统（主轴、斜盤等）的动不平衡，导致整个系统的不平衡惯性力，产生的振动传递至其他部件。进排气阀片在开启、闭合时的冲击以及活塞与气缸之间的摩擦等都会产生振动与噪声。复位弹簧弹性系数影响斜盘在运转过程中的稳定性，十分影响斜盘在工作状态下的振动。电磁离合器噪音，主要指吸合瞬间的撞击噪音。气流脉动噪音，是由于压缩机吸、排气的间歇性，使气流的压力和速度呈周期性的变化而产生的噪音。相比于机械噪音、电磁离合器噪音，气流脉动是引起斜盘式变排量压缩机噪音的主要原因。本文主要阐述气流脉动噪音的形成机理，分析了一款内控变排量压缩机的气流脉动噪音问题，并制定出有效的控制方案解决了此问题。

1 气流脉动噪音形成机理

斜盘内控变排量压缩机主要由离合器、主轴驱动盘、斜盘、滑履、活塞、气缸体等部件组成。压缩机在工作过程中，利用发动机驱动，通过斜盘带动活塞在气缸内往复运动，实现制冷剂气体的吸入、压缩、排除、膨胀的周期性工作。压缩机每运行一转都会经历吸入和排出的过程，每次的吸入和排出过程都是有间隔的。同时在运行的过程中，每个活塞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。在吸气腔和排气腔形成涡流，产生脉动噪音。在吸气侧压力较低主要以声波的形式，通过管路回传至乘员舱。在排气侧较高的压力脉动引起管路振动，通过车体、前端模块等固定点模态较弱的部件传递至乘员舱。由于斜盘活塞式压缩机的工作原理不可避免的会产生脉动噪音，因此，一般会在传递路径上，针对吸排气端脉动压力不同的特点，制定不同的控制方案。

2 一款内控变排量压缩机脉动噪音的改善

2020年夏季，一款内控变排量压缩机搭载整车空调系统，在发动机怠速，鼓风机风量一档工况下，开启空调的前几秒，压缩机存在明显的“嘶嘶”异响声，疑似金属敲击声，不可接受。在空调系统运转稳定后，异响消除。所有车辆均有此类问题，整车热负荷较低时，异响明显加重，整车热负荷较高时，异响有所缓解。

经过整车实测频谱、结合滤波分析，异响噪音存在100-600Hz左右的宽频特征，在冷媒流动频率101Hz、202Hz等处存在突出的峰值。经过计算，峰值与整车怠速压缩机倍频相吻合。结合内控变排量压缩机的内部结构和工作原理进行分析，在车辆刚开启压缩机的前几秒时间内，压缩机处于变排量运行状态，由小排量启动运行逐渐加大排量运行，直至动态平衡。在压缩机开启后，整车处于低负荷的情况下，小排量运行时吸气压力较低，吸气阀片无法触碰到缸体的限位面，吸气腔的气流脉动导致阀片会出现自由振动的情况，产生机械噪音，并引起相互作用影响。在变排量运行过程中，吸气压力逐渐变大，吸气阀片触碰到压缩机缸体的限位面，自由震荡消除。

基于这种噪音的产生机理分析，可以发现，在传递路径上是难以削弱的，需要在噪音源头进行控制。一种是降低脉动压力，一种是优化缸体内部的气流稳定性，降低不均匀度。根据流体积分形式的能量方程和连续方程有：

基于该车型噪音存在时间区间短，压缩机排量变化范围小，基本在最小排量区间运行，以及冷媒内存在PAG润滑油，压缩机吸气端气流流动可以近似看做不可压缩理想流体定常一维绝能流流动，因此式（1）、（2）可以积分并简化为式（3）、（4）：

由式（3）、（4）可以看出，流动中速度增大，压强就减小;速度减小，压强就增大。本次整改方案在压缩机吸气口增加了单向阀，来提高流速，降低脉动压力。空调开启起始阶段，单向阀弹簧力大于吸气压力，阀体开度较小，使吸气流道内气流截面积变小，提高了流速。运转平稳后，吸气压力大于单向阀弹簧力，使阀体处于全开状态。手工制作增加单向阀的压缩机，并进行台架试验（图2），试验结果显示，脉动压力值和不均匀度均有显著的改善（图3、图4）。进一步搭载至整车验证，主观评价异响改善效果明显。

另一方面，改善吸气腔的气流稳定性，降低不均匀度，需要优化压缩机的内部结构。如环形槽、月牙槽的结构优化，吸气阀片与阀板搭接处的材料优化，使吸气阀片的开启压力降低，自动脱落阀板的时间变短，一定程度上可改善吸气端的气流稳定性。另外，此款压缩机的吸气腔体积较小，位于后缸盖的内圈（排气腔在外圈），基于吸气压力的变化范围较大，较小的吸气腔使吸气脉动缺少有效的缓冲，导致气流稳定性差。由于涉及压缩机本体的结构变更，验证周期长，不能满足项目需求，因此本次整改未能进行验证及实施。

3 结论

本文基于脉动噪音的形成机理，结合实测频谱及变排量压缩机的内部结构和工作原理，分析出噪音源头为吸气脉动引起的阀片机械噪音，确定了实施方案，通过在压缩机吸气端增加单向阀，从源头上削弱了脉动压力值和不均匀度，有效消除了异响，提升了开启空调的驾乘舒适性。

参考文献

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