汽车空调管路NVH性能优化

摘要

　　汽车空调压缩机工作时产生的振动噪声是空调系统主要噪声源之一,空调连接管路在传输制冷媒质时会将压缩机的振动噪声传递到车内，从阻断噪声传播且不影响正常工作的角度出发，管路应当具有良好的消声性能与流体动力性能。

　　空调管路是由铝管、皮管、消声器与冷却水管等构件连接而成。本文以专业声学分析软件 LMS.Virtual.lab 和流体计算软件 FLUENT 为平台，使用有限元方法针对空调管路声学性能与流体动力性能的主要评价指标传声损失与压力损失进行数值仿真计算，分析管路消声器进出口偏心距离、膨胀腔长度、共振器、管路连接方式、弯曲铝管和皮管等结构参数对管路整体声学性能的影响，并计算不同结构下管路进出口压力损失。在对管路整体进行仿真计算分析的基础上，综合考虑其声学性能与流体动力学性能，为其结构优化提出改进性意见，结果表明：按改进意见改进后空调管路性能得到良好的改善。

　　通过对汽车空调压缩机振动噪声实验测试，发现压缩机噪声能量主要集中在100Hz-2000Hz 频域范围内且随转速的增大而增大，为声学计算提供了目标频率，然后通过声学实验测试管路声压传递函数，与仿真结果对比发现得到的传递函数曲线在峰值处具有良好的一致性，验证了仿真分析可靠性。

　　关键词： 空调管路；振动噪声；消声器；传声损失；压力损失

ABSTRACT

　　Vibration and noise of automobile air conditioning compressor is the main noise source of air conditioning system. The noise of the compressor will be transmitted to the vehicle through the connecting pipe of the air conditioner, and the pipeline should have good performance of noise elimination and fluid dynamic performance from the angle of blocking noise and not affecting normal operation of compressor.

　　Air conditioning pipelines are composed of aluminum pipe, tube, mufflers and cooling pipes. Based on the professional acoustic analysis software LMS.Virtual.lab and fluid calculation software FLUENT, the finite element method is used to calculate the transmission loss and pressure loss，main evaluation index of acoustic performance and hydrodynamic properties, by numerical simulation. The effect of eccentric distance,expansion chamber length, resonator, connection mode, bending tube and the skin tube structure on the whole acoustic performance are discussed, and the pressure loss of different pipelines are calculated. Based on pipeline calculation of the acoustic performance and hydrodynamic performance, then the improving suggestions are put forward. The results show that the air conditioning pipeline performance is improved after improved design.

　　Through the test of experiment on vibration and noise of automobile air conditioning compressor, the compressor noise is found mainly in the 100Hz-2000Hz frequency range and increases with the increase of rotational speed. The target frequency is provided for the calculation of the acoustic transfer function. After the acoustic test of pressure pipeline, we found that the transfer function curve has good consistency in the peak compared with the simulation curve. The results verified the simulation reliability.

　　KEYWORDS: air conditioning pipelines; noise and vibration; muffler; transmission-loss; pressure loss

　　本课题源于校企合作项目，主要目的在于研究汽车空调管路声学特性及流体动力学性能，针对空调压缩机振动噪声优势频率，使用有限元仿真与声学实验测试方法分析研究管路结构对其传声损失和压力损失等评价指标的影响，基于仿真对比分析结果对汽车空调压缩机排气管路进行结构优化设计，减小压缩机噪声传递的同时，兼顾排气管路流体动力学性能，解决噪声通过管路传递到驾驶室引起噪声增加问题。

　　第一辆汽车诞生到今天以来已经有 100 多年的历史。在这期间，汽车工业经历了规范化的变革，多次经济危机的打击和二战后蓬勃的发展迎来了空前的繁荣。

　　在我国，1956 年第一汽车制造厂成批生产解放牌载重汽车，是中国汽车工业的开端。几十年来中国的汽车工业有了很大发展，相继建立了不少主机厂、改装厂以及零配件厂。已能生产载重汽车、越野车、自卸汽车、大客车、小轿车等各种类型的汽车。汽车工业一直是我国重点发展的对象，是我国工业化进程的重要标志也是国家经济的重要支柱之一，为我国的经济的迅猛发展与国民生活水平的提高做出了重要的贡献。目前，乘用车是我国汽车产品的主体，相对汽车总数所占比重也在逐年升高，2016 年的乘用车比例已达到总量的 86%。中国加入 WTO 后，开放市场面对更加激烈的国际竞争，中国汽车企业如何提高自身核心竞争力成为理论学者与企业界研究的关注焦点，我国汽车企业起步晚，现在仍处于发展上升的阶段。不同用途的汽车对性能的要求有所侧重，例如微型乘用车要求经济实用，高级乘用车要求动力强劲、内饰豪华乘坐舒适，载货汽车要求多拉快跑，越野汽车要求越过何种障碍……概括起来，离不开五个方面的性能指标：动力性、经济性、机动性、安全性和舒适性[1]。

　　汽车的动力性通常用汽车最高车速、汽车加速时间、汽车最大爬坡度三个参数来评价，称为动力性指标。汽车的经济性主要指燃料的经济性，指单位燃料消耗量完成的运输工作量。通常用的评价指标是在规定条件下行驶单位里程所消耗的燃料量，如百公里油耗（L/100km）。机动性指标简单来说就是指汽车快速运动的能力。汽车的安全性指标包括主动安全性、被动安全性和环境安全性。主动安全性指汽车的制动性和操纵稳定性；被动安全性主要是撞车安全性、防火安全型和防盗安全性；环境安全性主要涉及废气排放和噪声控制。舒适性最基本的要求是行驶的平稳性，即在汽车在一般行驶速度内，要保证驾驶人员不致因为车身的振动与车内的噪声等因素引起疲劳不适的感觉。目前，国内外汽车厂家在汽车的轻量化、动力性、可靠性和安全性等方面的技术已经日臻完善，而汽车舒适性一直是汽车工程领域研究的热点问题。影响汽车舒适性的一个重要因素是汽车的 NVH 性能，因此，减小汽车车内外的振动噪声可以提高其舒适性[2]。随着我国经济的高速发展，大量的汽车、工程机械、轨道交通等应用，交通噪声问题日益突出，已成为城市环境噪声中最主要的噪声源之一，城市环境噪声中约有 75%以上的噪声来自于机动车辆[3-4]。汽车的多个噪声源中，发动机、空调、风机等设备工作时是汽车的主要噪声源，发动机噪声由燃烧噪声、机械噪声和空气动力噪声等构成，其中空气动力噪声主要包含汽车进排气噪声和风扇噪声，进排气噪声是发动机最大的噪声源之一[5]。汽车的类型虽然众多，但它基本的组成部分是一致的，都是由发动机、底盘、车身和电气设备四大部分组成。

　　发动机是汽车的动力装置，它的作用是将输入其中的燃料燃烧而产生动力驱动汽车行驶。底盘由传动装置和控制装置几部分构成，主要作用是传递动力，连接部件，支撑全车，保证正常行驶。车身形成驾驶人员乘坐空间，也起到存放行李物品的作用。电气设备是汽车的重要组成部分，由电源、发动机点火系（汽油机）和启动系、照明和信号装置、空调系统、仪表和报警系统以及其他的辅助电器共同组成。

　　自上世纪 20 年代汽车空调诞生以来经历了 5 个阶段发展至今，空调已成为汽车现代化的标志之一，成为现在汽车的必备的配置。在汽车中配置空调有许多的作用，可以让乘客在更加舒适健康环境下驾驶车辆，空调可以调节车内的温度、湿度、调节车内的气流速度、净化车厢内的空气、调节送风方向等等。各大汽车企业正在寻求以最小的经济投入满足顾客对于安静程度、耐用性、紧凑性、以及效率的要求。汽车空调一般主要由压缩机、电控离合器、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、贮液干燥器、管道、冷凝风扇、真空电磁阀、怠速器和控制系统等组成。汽车发动机带动压缩机运转将制冷剂压缩成高温高压的气体然后经过车前冷凝管冷凝成高压低温的液体储存在储液干燥器中进行过滤净化，然后流过膨胀阀后经过节流降压在蒸发器内蒸发吸热，从而达到降低车内温度的目的，虽然汽车空调系统和其他空调的原理是相同的，但是汽车空调的工作环境差，在汽车形式的过程中会有颠簸振动的情况，制冷剂在高压的情况下容易产生泄露，污染环境，空调系统的维修保养也比固定式空调复杂。

　　汽车空调的舒适性是衡量其性能的主要指标之一，它包括温度、湿度和气流速度除此之外汽车空调系统在工作运行的过程中产生的振动噪声也会影响车内人员的乘车舒适性，空调噪声会使驾驶员感觉疲劳，影响身体健康。汽车空调技术的发展迅速 ，其主要功能调节温度湿度、换气调节风向都得到了逐步的完善，所以空调系统产生的噪声问题得到了越来越多人的重视。随着空调在现代汽车中的普遍使用，车载空调在给车内带来舒适温度的同时，空调系统工作产生的噪声也给车内乘客带来诸多困扰，甚至危害到人的身心健康。研究表明，汽车在平整的公路上低速行驶时，空调系统对汽车内噪声贡献量占主要部分[6]， 在车内空调正常工作的情况下，噪声值甚至超过 67dB，车内噪声过高会损伤乘客听力，让人产生疲惫感。

空调管路模型

消声器内部流体域

加共振腔消声器流体域网格

消声器连接弯曲管路

管路流体域网格

空调管路整体与局部流体域

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题研究目的
　　　　1.2 汽车空调管路研究意义
　　　　1.3 管路声学及流体动力性能研究现状
　　　　　　1.3.1 管路消声器声学研究现状
　　　　　　1.3.2 管路消声器流体动力性能研究现状
　　　　1.4 本文主要研究内容
　　第二章 管路声学及评价
　　　　2.1 管路声学理论
　　　　　　2.1.1 波动方程求解
　　　　　　2.1.2 声强与声功率
　　　　　　2.1.3 声压级与声强级
　　　　　　2.1.4 声波在管路中的传播
　　　　2.2 管路消声器设计要求与分类
　　　　　　2.2.1 消声器设计要求
　　　　　　2.2.2 消声器的分类
　　　　2.3 管路消声器主要评价指标
　　　　　　2.3.1 声学性能评价指标
　　　　　　2.3.2 空气动力性能评价指标
　　　　　　2.3.3 机械结构性能评价指标
　　　　2.4 简单管路消声器声学分析
　　　　2.5 本章小结
　　第三章 空调压缩机振动噪声测试分析
　　　　3.1 汽车空调压缩机噪声传播
　　　　3.2 实验仪器及测点布置
　　　　3.3 测试数据分析
　　　　　　3.3.1 辐射噪声分析
　　　　　　3.3.2 机体振动分析
　　　　　　3.3.3 吸排气压力脉动分析
　　　　3.4 本章小结
　　第四章 管路声学与流体动力学分析
　　　　4.1 管路消声器声学计算
　　　　　　4.1.1 汽车空调管路结构模型
　　　　　　4.1.2 圆形管路中三维声波
　　　　　　4.1.3 管路声学计算
　　　　4.2 管路消声器声学分析
　　　　　　4.2.1 偏心距影响
　　　　　　4.2.2 腔体长度影响
　　　　　　4.2.3 共振腔的影响
　　　　　　4.2.4 弯曲管路的影响
　　　　4.3 管路整体声学性能分析
　　　　　　4.3.1 弯曲管路分析
　　　　　　4.3.2 管路连接方式分析
　　　　　　4.3.3 共振器作用分析
　　　　　　4.3.4 偏心距分析
　　　　　　4.3.5 扩张长度分析
　　　　4.4 声模态方法计算管路传递损失
　　　　　　4.4.1 管路声模态
　　　　　　4.4.2 声模态方法计算结果分析
　　　　4.5 管路流体特性分析
　　　　　　4.5.1 流体理论方程
　　　　　　4.5.2 管路消声器阻力特性计算分析
　　　　　　4.5.3 五种管路模型阻力特性计算分析与对比
　　　　4.6 本章小结
　　第五章 管路声学实验
　　　　5.1 传递函数测试原理
　　　　5.2 传递函数测试实验
　　　　5.3 实验测试与仿真结果对比
　　　　5.4 本章小结
　　第六章 总结与展望
　　　　6.1 全文总结
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

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