怠速开空调车内共振问题的研究
赵伟丰
（长城汽车股份有限公司技术中心河北保定，071000）
摘 要: 本文系统研究了怠速开空调工况车内共振问题的试验和分析方法，并通过对悬置、冷却风扇、转向管系统等进行优化，使车内轰鸣声消除，噪声及振动明显减小，主观感觉车内舒适性明显提高，为解决同类问题提供了方法和思路。
关键词: 怠速开空调共振 优化
Abstract：This article researched the experimentations and analytical methods about the question of resonance when the car idle AC ON. Throughing optimized the mount、Cooling fan、steering system and so on, eliminate the bomming of the car and reduce the vibration and the noise . And the comfort has been improved greatly. This article has offered the method for the same questions.
Key words: idle AC ON resonance optimize
1前言
随着汽车工业的不断发展，人们对汽车舒适的要求也越来越高，车内的噪声振动问题日益成为用户关注的焦点。车辆怠速开空调时常常出现共振问题，常表现为车内噪声大以及方向盘等部位振动大，对车内乘坐舒适性造成大影响。本文以一款小型车怠速开空调共振问题的分析及优化过程为例，为解决类似问题提供参考。
2问题描述
通过对该工装样车进行主观评价，怠速空调关闭时车内噪声及振动可以接受，但当空调压缩机工作时，车内噪声随即增大且有节奏的脉动，且有强烈的耳压迫感，同时方向盘振动明显，无法接受。利用LMS测试系统进行噪声及振动测量，开空调时驾驶员右耳噪声达60dB(A)，噪声频谱如图1所示，
图1怠速车内噪声频谱
3原因分析
根据车内噪声传递原理，影响开空调车内噪声振动的可能因素如图2。该车开空调转速为950rpm，从图1频谱分析，车内噪声主要成分为32Hz ，为发动机点火频率，同时在2阶附近有一43.3Hz 的噪声峰值，对车内噪声贡献也较明显，可能与点火频发生调制产生拍频。
图2 原因分析故障树
3.1悬置振动分析：
发动机产生的振动激励，经过动力总成悬置系统传递到车身，悬置应具有良好的隔振效果，以减小传递到车身的振动。通常通过测量悬置主动侧振动加速度a a 和被动侧振动加速度a p ，评价悬置隔振效果通常采用振动传递率dB T ，用分贝形式表示为：
dB T =20lg p a a a
通常当振动传递率大于20dB, 即意味着加速度从主动侧传递到被动侧衰减10倍，悬置隔振性能被认为是满足要求的。通过对此车悬置测动进行测试，结果如表一所示。
通过对以上数据分析可以看出，后悬置隔振性能较差，各方向均不满足20dB 隔振要求，尤其是Z 方向隔振效果更差，同时右悬置Z
方向隔振性能也不满足要求，说明悬置匹配效果较差。
3.2车身模态测试：
对该款车的白车身采用激振器法进行模态测试，分析其固有频率和振型，试验结果如下：
表二：
阶次频率阻尼比振型
1 31.5 0.61% 一阶扭转
2 38.9 0.34% 一阶弯曲
3 40.3 0.60% 二阶扭转
4 49.6 0.58% 二阶弯曲
5 51.0 0.33%
6 55.
7 0.36%
怠速开空调时发动机转速为950rpm，激振频率为950/60*2=31.6Hz，与车身一阶固有频率（31.5Hz）非常接近，在发动机振动激励下车身易产生共振并辐射噪声，由于频率较低产生较强的耳压迫感。车身一阶模态振型见图3，表现为车身整体扭转，主要原因是由于车身整体刚度较弱。
图3 一阶扭转振型
3.3冷却风扇振动分析：
通过对该车冷却系统结构分析发现，该车装配2个冷却风扇，一个装在冷凝器前面为空调冷凝器制冷，另一个装在水箱后面为水箱提供冷却风，通过在水箱上横梁安装加速度传感器，单独使以上两风扇工
作从而测出它们的工作频率，测试结果如图4所示。
注：实线为水箱冷却风扇振动频谱，虚线为冷凝器风扇振动频谱
图4 电子扇振动频谱图
从测试结果可以看出，水箱冷却风扇和冷凝器风扇振动频率分别为44Hz和46Hz，其中水箱冷却风扇振动频率与车内噪声频率相吻合，对车内噪声贡献较大，同时由于2风扇振动频率相接近，易产生调制而导致拍频问题。
3.4转向系统分析：
方向盘、转向管柱和仪表板加强梁及相关支架共同组成一个系统，它们的整体模态特性决定了方向盘处振动的固有特性，通常在整车状态下通过测试方向盘的固有频率来验证是否满足要求，方向盘系统的一阶固有频率应避开怠速及怠速开空调时发动机的激振频率，以避免与发动机激振频率藕合而使方向盘产生共振，一般会要求在35Hz-38Hz以上，部分高级轿车会在40 Hz以上。
采用LMS模态测试系统锤击法模态测试方法，分别在方向盘12点位置X、Z方向布置加速度传感器，用力锤分别激励X、Z方向，测试其频响函数，方向盘系统第一阶固有频率为31Hz，与车身及发动机激振频率相藕合，使方向盘振动放大产生共振；
3.5.分析总结：
通过以上对各系统试验分析可知，导致怠速开空调时车内产生共振的主要原因如下：1）悬置系统匹配不合理，后悬置隔振性能较差，不能有效衰减发动机传递到车身上的振动；
2）水箱电子扇与冷凝器电子扇振动较大，且两频率间隔较近可产生拍频；
3）车身、方向盘系统与发动机点火频率相藕合产生共振。
4.优化方案
4.1悬置系统优化：
对悬置系统进行重新匹配，根据动力总成参数计算各悬置刚度及解藕，结果显示后悬置解藕度较差，通过对后悬置结构进行重新设计，经测试各悬置隔振率如表三：表三：
可以看出各悬置隔振率均满足隔振要求。
4.2电子扇振动改进
1）通过对隔振胶块结构分析发现，胶块很薄且刚度非常高，没有起到隔振作用。为增加隔振效果，将胶块硬度由60度降低到50度，同时将胶块厚度由10mm增加到30mm。
2)将冷凝器风扇的转速由2300rpm调整到2000rpm；
3）由生产厂家控制风扇的动平衡量，减小由于不平衡产生的振动。
通过以上方案，风扇对车内噪声的贡献量明显减小，通过主观评价车内拍频明显减弱。
4.3转向管柱优化
1）将转向管柱连接支架板厚由2mm增加至3mm，提高支架刚度；
2）增加仪表板加强梁与连接支架处焊点数量，提高连接刚度。
采用以上两种优化方案后，将样件装车并对方向盘进行固有频率测试，一阶固有频率由31Hz提高到35Hz.。
5．效果验证
将悬置、电子扇、转向管柱优化后的样件安装在原试验样车上，在怠速开空调工况下进行车内噪声振动测试，驾驶员右耳噪声降低12dB(A)，方向盘振动显著降低，主观感觉车内舒适性明显提高，测试结果见图5。
图5 优化前后对比结果
6.结束语
车辆在怠速开空调工况运行时，由于发动机负荷增大、压缩机、电子扇工作，很容易引发车内共振问题，因此在整车开发过程中应对各系统进行合理匹配，尤其注意以下几方面问题：
1）应根据动力总成参数对悬置进行系统匹配，保证悬置隔振性能；
保定汽车2）在对冷却系统进行设计时，降低冷却风扇振动激励，同时在保证制冷效果的同时合理匹配风扇的转速，避免两风扇或与发动机相互作用产生“拍频”现象；
3）转向系统设计时应保证仪表板加强梁、转向管柱及其连接支架的刚度，提高转向管柱的固有频率，以避免与发动机激振频率藕合产生共振。
本文通过对一台车怠速开空调共振问题的分析及解决过程，对影响车内振动的主要因素进行了分析，并对优化方法进行了探讨，为其它车型开发过程中NVH优化工作提供参考。
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