浅析汽车怠速开空调的合理转速

郑小龙　刘杰　邵俊龙

摘 要：为提高汽车怠速开空调时发动机轮系工作稳定性和整车NVH性能，对比了怠速开空调不同转速下张紧器工作稳定性及整车NVH的差异;采用理论分析和试验研究相结合的方法，分析了怠速开空调转速提升的原因及转速大小与自动张紧器工作稳定性和整车NVH性能的关系，给出了汽车怠速开空调转速标定的合理范围。结果表明：汽车怠速开空调的转速与多种因素有关，怠速开空调的合理转速必须保证发动机稳定运转和整车NVH性能及低油耗，推荐常用的汽车在怠速开空调时转速提升100～200r/min。

关键词：汽车 怠速 开空调 试验研究 自动张紧器 工作稳定性 NVH性能

1 引言

随着汽车技术的发展和现代生活水平的提高，人们对汽车驾乘舒适性的要求也越来越高。汽车怠速[1]是一种常见的工况，在车辆起步、等红绿灯、停车熄火时经常遇到，而夏季驾驶汽车在怠速时开空调也是我们经常遇到的情况。由于怠速开空调的工况比较特殊，对如何选择怠速开空调的转速，说法不一，缺乏科学性。开空调后发动机转速应提高，转速提高会带来整车NVH变化、油耗增加等影响，而转速提高不足则会引起发动机前端轮系工作不稳、抖动，影响轮系可靠性。笔者及其项目组通过解决国内某车型怠速开空调的异响问题，在理论分析的基础上，对怠速开空调转速的提升对自动张紧器及整车NVH的影响进行了相关测试研究，本文将对这些问题进行专题讨论。

2 怠速的定义

我们常说的汽车怠速是指一种工作状况。发动机空转时称为怠速，即在汽车起动后，当档位为空挡，完全放松油门踏板，此时发动机就处于怠速状态。发动机怠速时的转速被称为怠速转速。一般来讲，怠速转速以发动机稳定运转的最低转速为最佳。

3 怠速开空调转速合理与否的准则

怠速开空调后由于压缩机开始工作，此时发动机需提高转速，即输出更高的动力来满足整车功率需求，若需求与输出不平衡，发动机轮系[2]会工作不稳、抖动。怠速转速提高后，整车噪声、振动及油耗均会发生不同程度的恶化。另外考虑车辆一致性差异，为保证怠速转速升高带来的动力提升能覆盖所有车辆需求，一般建议转速增加留一定裕度。因此，汽车怠速开空调的转速应确保在满足所有整车稳定工作的前提下尽量降低，以保证整车更好的驾乘舒适性和油耗，这是确定汽车怠速开空调合理转速的准则。

4 怠速开空调合理转速的研究

4.1 怠速开空调转速提升与自动张紧器的关系

4.1.1 自动张紧器

汽车发动机前端轮系是由皮带[3]和若干轮组成的传动系统。为保证轮系在皮带预紧力的作用下运转一段时间后，皮带发生塑性变形（即皮带拉长）后不出现打滑或失效故障，常在轮系中增加自动张紧器。

4.1.2 怠速开空调转速变化对自动张紧器的影响

根据前面的分析可知当汽车怠速开空调后发动机转速会相应的提升，而对于搭载自动张紧器的发动机来说，当怠速开空调转速提升不足时，由于功率输出与需求不匹配，此时发动机会出现运转不稳、转速波动大等现象，进而引起自动张紧器[4]摆动及皮带抖动偏大等问题，最终导致发动机异响。

一般4缸及以上发动机的稳定怠速转速为600～800r/min，本文以稳定怠速750r/min为例进行分析测试。表1是笔者及其项目组在解决国内某车型怠速开空调时轮系异响问题所进行的测试结果。

从表1可知当发动机转速提高后，转速波动呈下降趋势;转速从880r/min上升至940r/min时张紧器摆动、皮带抖动均有明显的降低;而在转速从940r/min上升至1000r/min时张紧器摆动、皮带抖动趋于平稳，改善程度不明显。

一般行业内对于带有自动张紧器的发动机轮系，其稳定工作的要求如下：

i.张紧器摆幅<5°（波峰_波谷）

ii.皮带抖动<跨长的10%（波峰_波谷）

iii.附件带轮打滑率<3%

其中，张紧器的摆幅大小体现前端轮系稳定性，张紧器的摆幅越小则轮系稳定性越好，反之稳定性越差。张紧器摆幅过大会影响张紧器可靠性，一般要求张紧器摆幅不超过5°。

皮带抖动大小，即两个皮带轮跨度上的皮带振幅，要求振幅不能太大，过大可能会引起皮带与周边零部件干涉，也影响轮系的可靠性。一般要求皮带振幅小于两个皮带轮跨度的10%。

皮带与皮带轮间的打滑大小很大程度上影响皮带的寿命，也影响轮系工作的稳定性，打滑率过大则可能导致轮系失效。一般要求皮带与皮带轮间的打滑率小于3%。

笔者根据以上分析，重点对怠速开空调时发动机转速850r/min和900r/min的張紧器摆幅进行了测试对比，测试工况分别为“1挡换3挡，附件全开”及“1挡爬坡”。

1挡换3挡，附件全开工况时怠速850r/min，张紧器摆幅为2.55°，怠速900r/min，张紧器摆幅为2.4°。

1挡爬坡，怠速850r/min张紧器摆幅为1.75°，怠速900r/min张紧器摆幅为1.65°。

通过对比不同工况下张紧器摆幅的差异，900r/min怠速的张紧器摆幅优于850r/min怠速。

根据以上测试及分析可知，汽车怠速开空调后合理的提升发动机转速能有效改善张紧器摆动和皮带抖动，提升轮系工作的稳定性，进而对轮系可靠性产生积极影响，有效降低轮系异响及失效风险。

4.2 怠速开空调转速提升与整车NVH的关系

NVH[5]，即噪声、振动与声振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness）。声压与声压级，振动加速度与振动加速度级是NVH的两个基本概念。其中，振动加速度A的单位是m/s2，振动加速度级定义为：

声压P的单位是Pa，对于1000Hz的纯音，人耳能感受到的声压为2×10-5Pa，叫做“听阈声压”，把它作为参考声压P0，声压级定义为：

一般随着汽车怠速转速的升高，发动机噪声会增加，振动也会加剧，再通过传动系统、悬架系统及车身等传递至车内。基于该理论依据，笔者在解决国内某车型怠速开空调后轮系异响问题时，进行了怠速转速提升至850r/min、900r/min的NVH对比测试。表2是随机抽取三辆车，在驾驶员右耳、方向盘、换挡手柄位置分别布点进行噪声、振动的测试结果。

从表2测试结果可知，车辆转速由850r/min提升至900r/min后驾驶员右耳噪声声压级都呈上升趋势，但变化不明显，因此主观评价噪声大小相当。三辆车换挡手柄各方向上的振动随转速上升变化趋势不明显，主观评价振动大小相当。

从图3方向盘振动测试结果可知，三辆车中有两辆车在Z方向上的振动明显恶化，主观感受变差。

综上，汽车怠速开空调后发动机转速的提升需在发动机前端轮系稳定工作的基础上考虑整车驾乘舒适性、燃油消耗的影响（怠速转速越低油耗越低，反之越高，本文不再赘述[6]）。因此，本文所述车型怠速开空调转速建议按900r/min标定更合理。

5 结语

（1）汽车怠速是一种工作状况，怠速开空调则是一种特殊工况，由于开空调后压缩机参与工作，因此需要发动机提供更高的动力。

（2）笔者分析认为评判汽车怠速开空调转速合理的准则为：首先应确保整车功能需求;其次考虑整车NVH性能和油耗影响;另外汽车由成百上千个零部件组成，一致性偏差不可避免，在标定性能参数时需根据实际情况留有一定裕度，保证所有产品的性能均满足要求。

（3）怠速开空调转速大小影响发动机前端轮系工作的稳定性，整车振动、噪声以及油耗等，选择时应综合考虑这些因素，折中确定一个最佳值。经过理论分析和测试研究，推荐汽车怠速开空调后转速提升100～200r/min。

（4）本文的研究结论，对类似怠速开空调这种特殊工况的标定和测试也有参考价值。

参考文献：

[1]张西振.汽车发动机电控技术[M].北京： 机械工业出版社，2007.

[2]李楠，王东. 发动机前端轮系的故障分析[J]. 汽车维修与保养， 2012.

[3]吕兆平.多楔带轮系设计基础[J].企业科技与发展， 2008.

[4]李春荣. 发动机前端轮系动力学分析[J]. 南方农机， 2014.

[5]庞剑. 汽车噪声与振动[M]. 北京： 北京理工大学出版社， 2006.

[6]朱曉亮，陆优等.浅析怠速变化对整车的影响[J]. 北京汽车， 2014.