消音器和膨胀阀在汽车空调降噪中的应用研究
摘 要：通过对汽车空调系统噪声根源的分析，用实验的手段得出了铝壳小孔喷射消音器在整车空调系统下对压缩机降噪的显著效果。针对膨胀阀出口处存在的各种噪声情况，分析了这些噪声产生的根本原因，从膨胀阀的内部结构入手，通过增加阻尼、减小钢球直径、改用单顶针、改变容量等内部结构的调整遏制了噪声的产生。汽车空调系统的噪声是用户抱怨比较多的问题，因此降噪对于提高汽车驾乘的舒适度至关重要。空调系统的噪声种类主要有振动声、喇叭声、鸟叫声、啸叫声等，噪声的发生从表象上看是由膨胀阀产生的，但实际上绝大部分是由系统共振[1-2]等原因引起的。压缩机是空调系统的心脏，提供空调系统运行所需的动力。作为动力源的压缩机也是整个空调系统的噪声源。因此，空调系统降噪首先要从源头上遏制震动的产生，其次通过改善膨胀阀的性能减少系统共振的产生。空调系统降噪的方法比较多，通过在空调管路中增加消音器来降噪是一个比较简单和实用的方法。作为汽车空调系统常用的降噪原件[3]，消音器的种类多样。根据空调系统合理选用消音器，可以最大化的发挥消音器的功能。由于噪声源来自压缩机排气口，在其排气口的管路上加装消音器，可以从源头上遏制噪声的产生。压缩机排气口的噪声为气体喷射时产生。气体喷射产生的噪声与喷射孔的孔径成反比。如果减小喷射孔径，噪声将会加大，但是如果将孔径降低到毫米级，喷射的噪声频率将会降低到人耳不敏感的范围。因此将大喷口改为相同面积的小喷口，可以起到降噪的效果。式中，xA= 0.165d（指阻塞情况，d为喷射口直径）由公式（2）可以看出孔径越小，消音量越大，一般小孔孔径选用1～3 mm。孔径太小容易造成管路堵塞。如果超过4 mm，消音的效果不明显。根据以上推断，根据实车空调系统来验证降噪效果。测量方法是在压缩机排气口四周放置四个测量点，采集噪声声压级信号。具体测量示意图见图1测试分为3中消音器结构，分别选用量产车自带的消音器和两种不同小孔结构的消音器。消音器结构一：在过流面上加工φ1.5 mm的小孔21个。小孔结构分布见图3消音器结构二：在过流面上加工φ1.2 mm的小孔32个。小孔结构分布见图4根据实际测试数据可以看出，小孔喷射消音器的降噪效果明显优于原车的普通消音器。在结构二的3#车中，噪声的降低值甚至接近9分贝，在驾驶舱中主观感知的效果也非常好。小孔喷射消音器的应用可以极大地提高乘员的舒适度。在空调系统中，膨胀阀处在冷凝器与蒸发器之间，是制冷剂由液态变为气态的一个关键装置，空调系统中不同频率的震动所产生的噪音都会以不同的声音模式表现在膨胀阀的出口处。空调系统膨胀阀出口处典型的噪声种类有喇叭声、鸟叫声、啸叫声、气体喷射或流动声。对于膨胀阀出口处产生的喇叭声，其频率在400到600 Hz，属于高噪音，在所有的空调系统中都可能发生。此噪音在压缩机开启、关闭阶段以及平稳工作阶段都可能发生。它是由制冷剂通过膨胀阀内部各种启闭件时振动引起的。这种现象在系统高负荷工作时发生更为频繁。引起的原因为膨胀阀垂直方向的共振。解决的方法是在膨胀阀内部加装阻尼夹和减小钢珠直径来实现。如图5所示。在珠座上增加一个星型阻尼夹。加装阻尼夹可以提高摩擦力，减少振幅，从而防止膨胀阀的自然共振。使系统产生非线性变化，消除共振现象。减小钢珠直径，降低接触压力振动的面积，从而降低了系统的干扰性。膨胀阀[4]出口处产生的鸟叫声属于中等频率的 噪音，峰值在900到1 000 Hz。产生的原因为空调 系统在高温与高湿度环境的环境下，制冷剂的运 动与膨胀阀水平方向产生的共振。如图6所示，将 膨胀阀内部的双顶针结构改为单顶针结构，加装 顶杆套，这样可以增强顶针的刚性，防止气流对 顶杆的直接冲击，达到减少共振的效果。啸叫声的频率峰值在2 000 Hz与5 000 Hz之间， 在任何空调系统中都可能发生的现象。这种噪音开始于压缩机的启动阶段，是由制冷剂气体冲击膨胀阀低压侧的顶针而引起的。这种情况频发于高负荷工况下的空调开启阶段。通过加装顶杆套、增加膨胀阀顶针的直径可以消除气流对顶杆的直接冲击，增强顶针的刚性，降低膨胀阀的初始容量。从而改善了膨胀阀的制冷剂供给，最终降低噪音。在装有定排量压缩机的空调系统中，当压缩机停止或开始工作的瞬间，容易发生气体喷射或流动的声音[5]。这是由于在膨胀阀膨胀阀快速开/关的过程中，压力会发生突变，然而温度不会在瞬间变化，造成膨胀阀入口处的制冷剂的过冷度不够，产生气液两相混合物。当气液混合物通过膨胀阀节流口时就会产生气体喷射或流动声。可行的解决方法是降低膨胀阀的容量。降低膨胀阀的容量就是减少膨胀阀节流孔的横截面积。如图7所示，改变膨胀阀的容量通过增加或减少顶杆的直径来实现。2T时小一点的顶杆横截面：直径1.5毫米。1.5 T时大一点的顶杆横截面：直径1.8-2.0毫米。通过降低膨胀阀的容量，可以在压缩机切断的瞬间保持膨胀阀入口处的压力不发生突变，而是缓慢的降压，使液态制冷剂不产生气化。确保通过膨胀阀的制冷剂为液态，从而不产生气体喷射或流动声。本文对消音器和膨胀阀在汽车空调系统中的降噪应用进行了分析。通过整车实验的手段验证了小孔喷射消音器在空调系统中具有较好的降噪效果。从汽车空调系统各种噪声入手，分析了这些噪声产生的原因，通过对膨胀阀进行相应的改造，消除了这些噪声。消音器和膨胀阀的这些研究结果已经应用于某些车型的空调系统中，效果良好，极大地提高了驾乘的舒适度。作者单位：（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，柳州 545007） 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-10-10
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