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                        汽車空調管路NVH性能優化

                        添加時間:2018/10/18 來源:合肥工業大學 作者:徐傲
                        本文主要研究對象為汽車空調壓縮機排氣管路,首先對其連接的噪聲源-汽車空調壓縮機振動噪聲特性測試分析,然后使用有限元方法分析管路各個部件結構設計因素對于管路整體聲學性能即流體動力性能的影響。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          汽車空調壓縮機工作時產生的振動噪聲是空調系統主要噪聲源之一,空調連接管路在傳輸制冷媒質時會將壓縮機的振動噪聲傳遞到車內,從阻斷噪聲傳播且不影響正常工作的角度出發,管路應當具有良好的消聲性能與流體動力性能。

                          空調管路是由鋁管、皮管、消聲器與冷卻水管等構件連接而成。本文以專業聲學分析軟件 LMS.Virtual.lab 和流體計算軟件 FLUENT 為平臺,使用有限元方法針對空調管路聲學性能與流體動力性能的主要評價指標傳聲損失與壓力損失進行數值仿真計算,分析管路消聲器進出口偏心距離、膨脹腔長度、共振器、管路連接方式、彎曲鋁管和皮管等結構參數對管路整體聲學性能的影響,并計算不同結構下管路進出口壓力損失。在對管路整體進行仿真計算分析的基礎上,綜合考慮其聲學性能與流體動力學性能,為其結構優化提出改進性意見,結果表明:按改進意見改進后空調管路性能得到良好的改善。

                          通過對汽車空調壓縮機振動噪聲實驗測試,發現壓縮機噪聲能量主要集中在100Hz-2000Hz 頻域范圍內且隨轉速的增大而增大,為聲學計算提供了目標頻率,然后通過聲學實驗測試管路聲壓傳遞函數,與仿真結果對比發現得到的傳遞函數曲線在峰值處具有良好的一致性,驗證了仿真分析可靠性。

                          關鍵詞: 空調管路;振動噪聲;消聲器;傳聲損失;壓力損失

                        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

                          本課題源于校企合作項目,主要目的在于研究汽車空調管路聲學特性及流體動力學性能,針對空調壓縮機振動噪聲優勢頻率,使用有限元仿真與聲學實驗測試方法分析研究管路結構對其傳聲損失和壓力損失等評價指標的影響,基于仿真對比分析結果對汽車空調壓縮機排氣管路進行結構優化設計,減小壓縮機噪聲傳遞的同時,兼顧排氣管路流體動力學性能,解決噪聲通過管路傳遞到駕駛室引起噪聲增加問題。

                          第一輛汽車誕生到今天以來已經有 100 多年的歷史。在這期間,汽車工業經歷了規范化的變革,多次經濟危機的打擊和二戰后蓬勃的發展迎來了空前的繁榮。

                          在我國,1956 年第一汽車制造廠成批生產解放牌載重汽車,是中國汽車工業的開端。幾十年來中國的汽車工業有了很大發展,相繼建立了不少主機廠、改裝廠以及零配件廠。已能生產載重汽車、越野車、自卸汽車、大客車、小轎車等各種類型的汽車。汽車工業一直是我國重點發展的對象,是我國工業化進程的重要標志也是國家經濟的重要支柱之一,為我國的經濟的迅猛發展與國民生活水平的提高做出了重要的貢獻。目前,乘用車是我國汽車產品的主體,相對汽車總數所占比重也在逐年升高,2016 年的乘用車比例已達到總量的 86%。中國加入 WTO 后,開放市場面對更加激烈的國際競爭,中國汽車企業如何提高自身核心競爭力成為理論學者與企業界研究的關注焦點,我國汽車企業起步晚,現在仍處于發展上升的階段。不同用途的汽車對性能的要求有所側重,例如微型乘用車要求經濟實用,高級乘用車要求動力強勁、內飾豪華乘坐舒適,載貨汽車要求多拉快跑,越野汽車要求越過何種障礙……概括起來,離不開五個方面的性能指標:動力性、經濟性、機動性、安全性和舒適性[1]。

                          汽車的動力性通常用汽車最高車速、汽車加速時間、汽車最大爬坡度三個參數來評價,稱為動力性指標。汽車的經濟性主要指燃料的經濟性,指單位燃料消耗量完成的運輸工作量。通常用的評價指標是在規定條件下行駛單位里程所消耗的燃料量,如百公里油耗(L/100km)。機動性指標簡單來說就是指汽車快速運動的能力。汽車的安全性指標包括主動安全性、被動安全性和環境安全性。主動安全性指汽車的制動性和操縱穩定性;被動安全性主要是撞車安全性、防火安全型和防盜安全性;環境安全性主要涉及廢氣排放和噪聲控制。舒適性最基本的要求是行駛的平穩性,即在汽車在一般行駛速度內,要保證駕駛人員不致因為車身的振動與車內的噪聲等因素引起疲勞不適的感覺。目前,國內外汽車廠家在汽車的輕量化、動力性、可靠性和安全性等方面的技術已經日臻完善,而汽車舒適性一直是汽車工程領域研究的熱點問題。影響汽車舒適性的一個重要因素是汽車的 NVH 性能,因此,減小汽車車內外的振動噪聲可以提高其舒適性[2]。隨著我國經濟的高速發展,大量的汽車、工程機械、軌道交通等應用,交通噪聲問題日益突出,已成為城市環境噪聲中最主要的噪聲源之一,城市環境噪聲中約有 75%以上的噪聲來自于機動車輛[3-4]。汽車的多個噪聲源中,發動機、空調、風機等設備工作時是汽車的主要噪聲源,發動機噪聲由燃燒噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲等構成,其中空氣動力噪聲主要包含汽車進排氣噪聲和風扇噪聲,進排氣噪聲是發動機最大的噪聲源之一[5]。汽車的類型雖然眾多,但它基本的組成部分是一致的,都是由發動機、底盤、車身和電氣設備四大部分組成。

                          發動機是汽車的動力裝置,它的作用是將輸入其中的燃料燃燒而產生動力驅動汽車行駛。底盤由傳動裝置和控制裝置幾部分構成,主要作用是傳遞動力,連接部件,支撐全車,保證正常行駛。車身形成駕駛人員乘坐空間,也起到存放行李物品的作用。電氣設備是汽車的重要組成部分,由電源、發動機點火系(汽油機)和啟動系、照明和信號裝置、空調系統、儀表和報警系統以及其他的輔助電器共同組成。

                          自上世紀 20 年代汽車空調誕生以來經歷了 5 個階段發展至今,空調已成為汽車現代化的標志之一,成為現在汽車的必備的配置。在汽車中配置空調有許多的作用,可以讓乘客在更加舒適健康環境下駕駛車輛,空調可以調節車內的溫度、濕度、調節車內的氣流速度、凈化車廂內的空氣、調節送風方向等等。各大汽車企業正在尋求以最小的經濟投入滿足顧客對于安靜程度、耐用性、緊湊性、以及效率的要求。汽車空調一般主要由壓縮機、電控離合器、冷凝器、蒸發器、膨脹閥、貯液干燥器、管道、冷凝風扇、真空電磁閥、怠速器和控制系統等組成。汽車發動機帶動壓縮機運轉將制冷劑壓縮成高溫高壓的氣體然后經過車前冷凝管冷凝成高壓低溫的液體儲存在儲液干燥器中進行過濾凈化,然后流過膨脹閥后經過節流降壓在蒸發器內蒸發吸熱,從而達到降低車內溫度的目的,雖然汽車空調系統和其他空調的原理是相同的,但是汽車空調的工作環境差,在汽車形式的過程中會有顛簸振動的情況,制冷劑在高壓的情況下容易產生泄露,污染環境,空調系統的維修保養也比固定式空調復雜。

                          汽車空調的舒適性是衡量其性能的主要指標之一,它包括溫度、濕度和氣流速度除此之外汽車空調系統在工作運行的過程中產生的振動噪聲也會影響車內人員的乘車舒適性,空調噪聲會使駕駛員感覺疲勞,影響身體健康。汽車空調技術的發展迅速 ,其主要功能調節溫度濕度、換氣調節風向都得到了逐步的完善,所以空調系統產生的噪聲問題得到了越來越多人的重視。隨著空調在現代汽車中的普遍使用,車載空調在給車內帶來舒適溫度的同時,空調系統工作產生的噪聲也給車內乘客帶來諸多困擾,甚至危害到人的身心健康。研究表明,汽車在平整的公路上低速行駛時,空調系統對汽車內噪聲貢獻量占主要部分[6], 在車內空調正常工作的情況下,噪聲值甚至超過 67dB,車內噪聲過高會損傷乘客聽力,讓人產生疲憊感。

                        空調管路模型
                        空調管路模型

                        消聲器內部流體域
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                        加共振腔消聲器流體域網格
                        加共振腔消聲器流體域網格

                        消聲器連接彎曲管路
                        消聲器連接彎曲管路

                        管路流體域網格
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                        空調管路整體與局部流體域
                        空調管路整體與局部流體域

                        目 錄

                          第一章 緒論
                            1.1 課題研究目的
                            1.2 汽車空調管路研究意義
                            1.3 管路聲學及流體動力性能研究現狀
                              1.3.1 管路消聲器聲學研究現狀
                              1.3.2 管路消聲器流體動力性能研究現狀
                            1.4 本文主要研究內容
                          第二章 管路聲學及評價
                            2.1 管路聲學理論
                              2.1.1 波動方程求解
                              2.1.2 聲強與聲功率
                              2.1.3 聲壓級與聲強級
                              2.1.4 聲波在管路中的傳播
                            2.2 管路消聲器設計要求與分類
                              2.2.1 消聲器設計要求
                              2.2.2 消聲器的分類
                            2.3 管路消聲器主要評價指標
                              2.3.1 聲學性能評價指標
                              2.3.2 空氣動力性能評價指標
                              2.3.3 機械結構性能評價指標
                            2.4 簡單管路消聲器聲學分析
                            2.5 本章小結
                          第三章 空調壓縮機振動噪聲測試分析
                            3.1 汽車空調壓縮機噪聲傳播
                            3.2 實驗儀器及測點布置
                            3.3 測試數據分析
                              3.3.1 輻射噪聲分析
                              3.3.2 機體振動分析
                              3.3.3 吸排氣壓力脈動分析
                            3.4 本章小結
                          第四章 管路聲學與流體動力學分析
                            4.1 管路消聲器聲學計算
                              4.1.1 汽車空調管路結構模型
                              4.1.2 圓形管路中三維聲波
                              4.1.3 管路聲學計算
                            4.2 管路消聲器聲學分析
                              4.2.1 偏心距影響
                              4.2.2 腔體長度影響
                              4.2.3 共振腔的影響
                              4.2.4 彎曲管路的影響
                            4.3 管路整體聲學性能分析
                              4.3.1 彎曲管路分析
                              4.3.2 管路連接方式分析
                              4.3.3 共振器作用分析
                              4.3.4 偏心距分析
                              4.3.5 擴張長度分析
                            4.4 聲模態方法計算管路傳遞損失
                              4.4.1 管路聲模態
                              4.4.2 聲模態方法計算結果分析
                            4.5 管路流體特性分析
                              4.5.1 流體理論方程
                              4.5.2 管路消聲器阻力特性計算分析
                              4.5.3 五種管路模型阻力特性計算分析與對比
                            4.6 本章小結
                          第五章 管路聲學實驗
                            5.1 傳遞函數測試原理
                            5.2 傳遞函數測試實驗
                            5.3 實驗測試與仿真結果對比
                            5.4 本章小結
                          第六章 總結與展望
                            6.1 全文總結
                            6.2 展望
                          參考文獻
                          攻讀碩士學位期間的學術活動及成果情況

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