某纯电车型车内空调轰鸣声优化

谭善明　陆日海　梁有广　赖国锋　李海平

摘 要：针对某小型纯电汽车怠速开空调时存在轰鸣声问题，运用频谱相关性分析、振动噪声源传递路径分析、CAE仿真分析等手段，找到了车内产生轰鸣声的原因，是由于开空调后压缩机在3800rpm，频率在63Hz附近振动较大，通过电驱动力总成后悬置Z向传递至车身与车内声腔模态耦合，产生轰鸣声；最后牺牲空调系统制冷性能，通过降低压缩机最高转速至3400rpm，使压缩机激励转速与整车声腔模态解耦，最终解决该问题。

关键词：频谱相关性分析 轰鸣声 声腔模态

1 引言

随着国家对新能源汽车的重视，新能源汽车在国内得到了蓬勃发展；由于能源的使用方式不同，新能源汽车与传统汽车相比，动力系统、空调系统上存在较大差异，车辆怠速时少了发动机噪声；开启空调系统时，传统燃油车，通过发动机皮带带动压缩机转动，实现制冷；而新能源汽车则由动力电池组提供电能，通过电动压缩机工作，实现制冷。与传统燃油车相比，新能源汽车电动压缩机存在较多优势，它不受汽车车速的影响，可以根据车内实际温度调节精准控制压缩机转速，从而达到快速降低车内温度的效果；低速或者怠速时，新能源汽车少了发动机噪声的掩盖，空调系统作为一个独立的振动、噪声源，相比传统燃油车空调系统振动噪声会更突出。

本文针对某后驱小型电动车开空调后车内存在轰鸣声的问题，通过NVH测试分析，找出车辆怠速开空调时车内后排存在低频轰鸣的原因，并通过压缩机转速策略，降低压缩机转速的方法达到优化车内轰鸣声的效果，从而解决该问题。

2 汽车轰鸣声产生机理

2.1 什么是轰鸣声

轰鸣词义为连续混杂的呼啸声。在汽车NVH分析中指在某一特定工况下，乘客在车内感受到的压耳膜的声音。持续的轰鸣声会容易引起人耳感觉不适，严重的甚至会出现头晕、恶心等症状。

2.2 车内轰鸣产生原理

汽车车内是一个密闭的空间，里面充满空气。密闭状态下的车内空气存在许多声腔模态。较薄结构板通过冲压成型再焊接成一个车身，在受到来自动力系统的振动、路面不平衡导致的振动、压缩机（独立安装）等振动的激励下通过车身传递，导致车身某些钣金受迫振动，振动频率与车内密闭空气的声腔模态频率达到一致，将会产生耦合作用，车内的空气压力就会发生变化，在车内造成较强的压力脉动，从而产生让人难以接受的轰鸣声[1]。

3 问题描述

某小型電动汽车在中期改款时，将车身加长、电动空调压缩机安装位置从车辆前副车架更改安装到动力总成上，前围钣金结构也做了更改，动力总成由前驱改为后驱之后，激励源位置发生改变。

车辆怠速开空调时，随着压缩机转速不断升高在到达某特定转速后，车内后排存在低频压耳感，主观上声品质较差，不可接受。

4 问题诊断分析

4.1 NVH数据采集

本次NVH数据采集使用西门子 LMS SCADAS MOBILE 40通道数据采集前端，采用PCB 1/2自由场传声器，灵敏度为50mv/pa量程3Hz～20kHz，测点根据企业内部标准，试验地点为整车半消声试验室，布置在驾驶员座椅内耳，后排座椅中间位置，测试工况1：车辆怠速开空调工况，鼓风机1档风量，制冷温度调到最冷，迎面风模式；测试工况2：鼓风机1档风量，制冷温度调到最冷，迎面风模式压缩机1000～6000rpm扫略工况。

4.2 原状态测试数据分析

从数据频谱上看，车内前排、后排噪声数据在63Hz附近均存在较突出峰值，其中前排噪声为56.1dB（A），后排噪声为67.6dB（A），前后排噪声相差10dB（A），与主观感受一致，后排轰鸣声较前排明显（如下图1）；打开尾门，车内后排噪声63Hz单频噪声降低5.3dB（A）、总声压级噪声降低4.9dB（A），降低较明显，主观上与客观数据一致，噪声降低明显，基本属于可接受状态。说明车内轰鸣声跟车内声腔模态相关性较大（如下图2）。

从扫略工况上看压缩机低转速1000～3000rpm车内噪声无较明显突出峰值，3000rpm开始随着压缩机转速不断升高，车内后排总声压级噪声曲线也随着升高，直至压缩机到4500rpm后，车内后排总声压级噪声曲线回落到最低点，数据中可看出压缩机在3800rpm附近车内后排噪声峰值达到最高值（如下图3），根据转速阶次关系进行压缩机1阶激励对车内噪声的贡献频率计算，车内后排中间轰鸣声频率为63.3Hz左右与怠速开空调测试频谱噪声峰值一致。

4.3 振动噪声传递分析

根据源——传递路径——响应点分析，对车辆怠速开空调车内后排存在轰鸣声进行分析。压缩机振动噪声传播主要有两种路径，第一为结构路径传递，第二为空气噪声传递[2]。该车辆压缩机是布置在电驱动动力总成上面，动力总成驱动形式为后驱，压缩机振动噪声传递路径分析如下（如下图4）：

（1）结构噪声路径为：压缩振动噪声通过电驱动总成悬置、空调管路、膨胀阀，通过车身、前围防火墙传递车内；

（2）空气噪声路径为：压缩机本体噪声辐射通过空气从后车体地板、后侧门、尾门传递车内；

由于车内噪声贡献频率为63.3Hz左右，频率较低，故空气噪声路径传播车内占比较小，优先排查结构噪声路径。

根据源传递路径测试分析，分别在压缩机悬置被动侧、膨胀阀处布置加速度传感器进行测试，测试状态分为原状态及断开空调压缩机全部管路安装点状态，通过测试数据，对这几个测点的振动传递对车内后排噪声的贡献量进行相关分析。

通过后排车内噪声与振动源路径振动相关性对比数据可知，动力总成被动侧、膨胀阀振动侧点在63Hz均存在振动峰值且与车内轰鸣声峰值对应。

通过各振动路径的振动数据对比发现，后悬置Z向63Hz振动峰值较其他测点振动幅值高很多，初步判断车内后排63Hz轰鸣声是由压缩机激励通过动力总成后悬置传递车内（如下图5）。

再对比仿真整车声腔模态数据（如下图6），车内轰鸣声的主要贡献频率63Hz与整车空腔1阶模态频率65.37Hz十分接近。

根据以上分析，综合轰鸣声主要发生在后排的特点，并且打开尾门轰鸣声明显改善的情况，可以得到结论：此轰鸣声为整车声腔模态与压缩机工频耦合所致。

5 方案验证

通过问题诊断分析及结论，得到以下三个优化方案：

（1）改变整车声腔模态频率，使其与轰鸣声主要贡献频率解除耦合；

（2）调试动力总成悬置刚度，从传递路径进行优化；

（3）调整压缩机工作转速，改变其振动基频，从源头解决问题。

方案（1），由于项目已经进行到后期阶段，想要提高整车声腔模态，涉及到车身多处改动，该方案实施难度大，故排除该方案。

方案（2），对压缩机振动的传递路径进行分解，显示主要传递路径为动力总成悬置，通过手工降低悬置刚度进行初步验证，测试对比原状态悬置与手工样件悬置的隔振效果。

通过测试结果可分析得出（如上图7），手工软悬置在压縮机3400rpm～4200rpm转速区间，其X向和Z振动明显优于原状态悬置，说明手工软悬置对压缩机3400rpm～4200rpm振动的隔振效果要更好，证明排查方向是有效果的。但该方案下一步需要对不同刚度的悬置进行测试分析，逐一排查验证，所需的周期长，整改成本高，只能作为备选方案。

方案（3），直接改变压缩机转速，屏蔽引起车内轰鸣的转速区间。最终结果是：牺牲一定的制冷性能，降低压缩机最高转速在3400rpm，可以非常好的避开压缩机工作激励频率和整车声腔模态，从而得以解决轰鸣问题。

经多方会议评审，方案三既不影响项目进度，同时也可以节省时间和成本，是相对最合理的方案。

6 结语

通过车内轰鸣声问题，透过结果反推问题原因，研究分析问题起源及传递路径，再针对实际情况提出方案进行验证，选择最合理的方案实施，从而解决问题。

通过对问题进行分析，采取最适合的方案去解决问题，既能降低车型开发成本，省时省力，同时还能有效的提升车型的NVH性能，增强车型市场竞争力。

基金项目：2020年度湖南省高新技术产业科技创新引领计划项目：封闭特定场景无人驾驶通用底盘平台开发关键共性技术研究与应用（2020GK4010）。

参考文献：

[1]谢晓龙，汪晓虎，王亮，等.汽车轰鸣声产生机理研究[DB/OL].（2013-1-7）2014-1-21.

[2]张武，陈剑，夏海.基于灵敏度分析的发动机悬置系统稳健优化设计[J].汽车工程.2009，6：728-732，755.