汽車空調(diào)電磁膨脹閥的噪聲測(cè)試與控制
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?2020-07-10 03:42:20
【摘要】隨著壓縮機(jī)等變頻技術(shù)的日益成熟，特別是空調(diào)系統(tǒng)的迅速發(fā)展，系統(tǒng)中冷媒循環(huán)量的合理控制顯得尤為重要。傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)中常采用熱力膨脹閥，隨著生活水平的提高，人們對(duì)汽車品質(zhì)要求的提高，一些合資品牌汽車和自主品牌高端汽車空調(diào)系統(tǒng)中逐步采用流量可變性節(jié)流元件，電磁膨脹閥的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)采用的熱力膨脹閥主要通過(guò)控制蒸發(fā)器出口氣態(tài)制冷劑的過(guò)熱度來(lái)控制進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量。噪聲源主要來(lái)自于冷媒高速通過(guò)閥門時(shí)產(chǎn)生的噪聲。電磁膨脹閥主要通過(guò)電磁線圈通電控制閥針開關(guān)，噪聲源更復(fù)雜，為合理的控制電磁膨脹發(fā)工作噪聲，提出一種電磁膨脹閥的噪聲測(cè)試及控制方法，提高空調(diào)系統(tǒng)整體噪聲品質(zhì)，從而提高駕乘舒適性。
傳統(tǒng)空調(diào)制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)的類型通常都選用定頻壓縮機(jī)，而定頻壓縮機(jī)能量輸出為定定值，在整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)中，冷媒工作時(shí)循環(huán)量變化比較小，對(duì)流量的調(diào)節(jié)一般是進(jìn)行微小的調(diào)節(jié)方式，目前比較廣泛的使用的節(jié)流元件為毛細(xì)管。近幾年來(lái)，壓縮機(jī)變頻技術(shù)逐漸成熟，尤其是多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組發(fā)展迅速，新型系統(tǒng)中冷媒循環(huán)量的合理控制得到了廣泛關(guān)注。目前流量可變性節(jié)流元件通常采用電子膨脹閥、熱力膨脹閥等。
1. 電子膨脹閥工作原理
空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電子膨脹閥作為電子控制元件，因其精度高，動(dòng)作快速、準(zhǔn)確、節(jié)能效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，在制冷系統(tǒng)中的運(yùn)用，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。
電磁式膨脹閥在電磁線圈通電前，閥針處于開的位置，閥針的開度取決于線圈上施加的控制電壓，從而調(diào)節(jié)膨脹閥的流量。該閥動(dòng)作響應(yīng)快，但在制冷系統(tǒng)中工作時(shí)一直需要供電。
電動(dòng)膨脹閥是一種以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電子膨脹閥，它通過(guò)給步進(jìn)電機(jī)施加一定邏輯關(guān)系的數(shù)字信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)通過(guò)螺紋驅(qū)動(dòng)閥針的向前或向后運(yùn)動(dòng)，從而改變閥口的流量面積來(lái)達(dá)到控制流量的目的。
這種電子膨脹閥又可分為直動(dòng)型和減速型兩種。直動(dòng)型是步進(jìn)電機(jī)直接帶動(dòng)閥針，減速型是步進(jìn)電機(jī)將動(dòng)力通過(guò)減速齒輪組來(lái)推動(dòng)閥針的動(dòng)作。通過(guò)減速齒輪組可以產(chǎn)生較大的推力，所以目前許多步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電子膨脹閥都是曹勇的這一種驅(qū)動(dòng)方式。
電子膨脹閥的形式有多種，但都需要有電信號(hào)來(lái)控制，為再制冷循環(huán)中實(shí)施現(xiàn)代微機(jī)控制提供了可能。同時(shí)因系統(tǒng)、控制方法不同，每種形式的電子膨脹閥都有自己的優(yōu)勢(shì)。但不僅電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電子膨脹閥因其更適用微機(jī)控制、并有較好的穩(wěn)定性，而為更多的制冷系統(tǒng)所采用。
采用電子膨脹閥來(lái)控制壓縮機(jī)排氣溫度，可以防止因排氣溫度的升高對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的不利影響，同時(shí)可省去專設(shè)的安全保護(hù)器，節(jié)約成本，提高工作效率。
采用電子膨脹閥的制冷系統(tǒng)，停機(jī)時(shí)令膨脹閥全關(guān)，防止冷凝器的高溫液體流入蒸發(fā)器，造成再次啟動(dòng)時(shí)的能量損失，而在開機(jī)前，將膨脹閥全開，使系統(tǒng)高低壓側(cè)平衡，然后開機(jī)，這樣既實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)的輕載啟動(dòng)，又減少了壓縮機(jī)啟、停造成的熱損失，節(jié)能省電。電磁膨脹閥結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖 1 電磁膨脹閥結(jié)構(gòu)圖
2.電磁膨脹閥節(jié)流噪聲產(chǎn)生原因
空調(diào)系統(tǒng)主要組成部分為：冷凝器、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、管路系統(tǒng)等。空調(diào)系統(tǒng)工作時(shí)（如圖2所示），低溫低壓的氣態(tài)冷媒經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w，經(jīng)過(guò)冷凝器的冷卻和冷凝，轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏旱臉I(yè)態(tài)，再經(jīng)過(guò)電磁膨脹閥的節(jié)流轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖簝上鄳B(tài)的冷媒在蒸發(fā)器中蒸發(fā)達(dá)到制冷的效果。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部壓力是脈動(dòng)的。當(dāng)流體傳遞到系統(tǒng)中的鎖扣截面時(shí)，液體的壓力和流速會(huì)產(chǎn)生較大變化。主要表現(xiàn)為：冷凝后的液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)系統(tǒng)中的節(jié)流裝置，由于通道截面突然變窄，高速高壓得制冷劑會(huì)在變截面處產(chǎn)生壓縮波，從而導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。
圖2 空調(diào)系統(tǒng)工作原理圖
3.電磁膨脹閥噪聲分類
電磁膨脹閥通過(guò)溫度傳感器采集到的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制開度變化，反應(yīng)和動(dòng)作速度非常快，流量調(diào)節(jié)比其他的節(jié)流裝置更加平穩(wěn)、準(zhǔn)確，在汽車空調(diào)系統(tǒng)工作時(shí)，制冷劑流經(jīng)電磁膨脹閥時(shí)將產(chǎn)生低頻振動(dòng)、液流噪聲、口哨聲等噪聲。然而距離節(jié)流點(diǎn)較近的換熱器對(duì)這些噪聲起到放大器的作用，從而將噪聲通過(guò)風(fēng)道傳到駕駛室內(nèi)，影響汽車的駕乘舒適性。
根據(jù)電磁膨脹閥噪聲產(chǎn)生的原因，可以將節(jié)流噪聲分為：閥針振動(dòng)噪聲、大氣泡擠破噪聲、小氣泡噪聲。
4．電磁膨脹閥噪聲測(cè)試與分析
在車輛開發(fā)中，各零部件單體噪聲振動(dòng)測(cè)試與控制在項(xiàng)目前期開發(fā)中起到了至關(guān)重要的作用。本文對(duì)某車型電磁膨脹閥單體噪聲大問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。采用1個(gè)聲學(xué)傳感器和2個(gè)振動(dòng)傳感器。聲學(xué)傳感器布置在距離電磁線圈距離中心位置10cm處，振動(dòng)傳感器1個(gè)布置在電磁線圈上，1個(gè)布置在閥體上。通過(guò)減小閥針與閥針導(dǎo)孔的配合間隙明顯改善電磁閥噪聲水平。
由表 1 和圖 3 可以觀察到，電磁膨脹閥經(jīng)過(guò)減小閥針與閥針導(dǎo)孔的配合間隙后，工作噪聲明顯得到了改善。電磁膨脹閥閥針優(yōu)化后開啟噪聲聲壓級(jí)低于優(yōu)化前 28dB（A）,關(guān)閉時(shí)噪聲聲壓級(jí)低于優(yōu)化前 13.1d(B)。
為了解決對(duì)電磁膨脹閥的噪聲風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及噪聲控制，提出一種電磁膨脹閥的噪聲測(cè)試及控制方法。該測(cè)試方法主要對(duì)駕駛室內(nèi)噪聲、電磁線圈振動(dòng)和電磁閥體振動(dòng)信號(hào)采集，通過(guò)駕駛室內(nèi)噪聲頻段分析初步判斷聲源，通過(guò)結(jié)合振動(dòng)信號(hào)分析進(jìn)行聲源識(shí)別。
測(cè)試設(shè)備有：聲學(xué)傳感器1個(gè)、振動(dòng)傳感器2個(gè)、聲學(xué)校準(zhǔn)器1個(gè)、HEAD DIC6B數(shù)據(jù)采集前端、電壓表1個(gè)、電流表1個(gè)、直流穩(wěn)壓電源和電腦1臺(tái)。
實(shí)車啟動(dòng)時(shí)，測(cè)量電磁膨脹閥的工作電壓，通過(guò)外接直流穩(wěn)壓電源按實(shí)車工作電壓供電，測(cè)試車內(nèi)噪聲以及電磁線圈振動(dòng)和電磁閥體振動(dòng)。
1. 在車輛怠速狀態(tài)下，電壓表測(cè)量并記錄工作時(shí)電磁線圈端電壓范圍（通常電壓范圍為9-12v）和常用端電壓；
2. 測(cè)試過(guò)程中放置2個(gè)聲學(xué)傳感器和1個(gè)振動(dòng)傳感器，聲學(xué)傳感器布置在后排左側(cè)座位乘客外耳側(cè)，1個(gè)振動(dòng)傳感器布置在電磁線圈側(cè)，1個(gè)振動(dòng)傳感器布置在電磁膨脹閥閥體上；
3. 數(shù)據(jù)采集前確認(rèn)待測(cè)電磁膨脹閥的正負(fù)極，使外接式穩(wěn)壓電源為電磁膨脹閥提供工作電壓；
4. 測(cè)試工況點(diǎn)為9v、10v、11v、12v、13.5v和常用端電壓；
5. 采集數(shù)據(jù)時(shí)，必須保證車輛發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，車輛門窗正常閉合。
通過(guò)采集膨脹閥的車內(nèi)噪聲和線圈及閥體振動(dòng)信號(hào)分析噪聲來(lái)源。
電磁膨脹閥節(jié)流噪聲主要來(lái)自于三部分：大氣泡擠破噪聲、小氣泡擠破噪聲和閥針振動(dòng)噪聲。
大氣泡擠破噪聲主要表現(xiàn)為吱吱聲、咕嚕咕嚕等液流聲音，其頻率一般在1k~2KHz.氣泡的存
在導(dǎo)致節(jié)流壓力波動(dòng)而產(chǎn)生液流噪聲。此類噪聲如果不改進(jìn)電磁膨脹閥結(jié)構(gòu)，提出一種靠近節(jié)流點(diǎn)20mm處增加一個(gè)100目的過(guò)濾網(wǎng)，將大氣泡轉(zhuǎn)變?yōu)樾馀荩档凸?jié)流噪聲。
小氣泡擠破噪聲主要是小氣泡破碎產(chǎn)生的噪聲，一般表現(xiàn)為尖銳的口哨聲，頻率范圍在
4~6KHz。對(duì)于小氣泡噪聲，一般采用改善流場(chǎng)來(lái)降低噪聲，將節(jié)流通道做成喇叭形狀改善噪聲。
閥針振動(dòng)噪聲一種是制冷劑在電磁膨脹閥內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生渦流引起的振動(dòng)，一種是閥針與閥體撞擊的聲音。為改善此類噪聲有以下幾種方式：減小閥體腔體與閥針的間隙或改變腔體形狀；減小閥針與閥針導(dǎo)孔的配合間隙；改變閥針尖端形狀從而減小渦流形成降低渦流導(dǎo)致閥針振動(dòng)引起的低頻噪聲。
對(duì)于汽車電磁膨脹閥噪聲進(jìn)行詳細(xì)研究，提出了電磁膨脹閥單體和整車噪聲與振動(dòng)的測(cè)試方法。通過(guò)針對(duì)某車型采用的電磁膨脹閥單體噪聲大問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)改善閥針與閥針導(dǎo)孔間隙將噪聲水平明顯改善，證明了方案的有效性。根據(jù)噪聲產(chǎn)生的原因進(jìn)行總結(jié)分類，針對(duì)冷媒在流經(jīng)電磁膨脹閥時(shí)產(chǎn)生節(jié)流噪聲不同的產(chǎn)生機(jī)理提出了相應(yīng)的噪聲控制方法。
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