摘要
针对旋叶式压缩机的启动噪声，对压缩机系统进行了试验、分析和改进。在半消声室中搭建了噪声测试试验平台，测试了压缩机的启动噪声，分析了压缩机的启动机制。提出了控制启动噪声时长的措施，试验测试不同球阀结构及离合器结构对压缩机启动噪声的控制效果，并在整车上对球阀结构与离合器结构的控制效果进行了试验验证。结果表明：旋叶式压缩机的启动噪声是不可避免的固有表征；通过优化压缩机球阀结构及离合器结构的控制方法能够有效缩短启动噪声时长1~2 s。
空调压缩机是汽车空调系统的心脏，同时也是一个不可忽略的振动源，在开空调时必然引起一些振动噪声问
国内外对空调压缩机噪声已有一定的研究。陈文卿
笔者针对旋叶式压缩机的启动噪声，搭建了噪声测试平台，分析了压缩机的启动机理。提出了控制启动噪声时长的措施，试验测试了不同球阀结构、离合器结构对压缩机启动噪声的控制效果，并在整车上对球阀结构与离合器结构的控制效果进行了验证。
旋叶式压缩机主要由气缸、转子、叶片、前后端盖、阀片、油分和壳体等组成，
图1 旋叶式压缩机结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of rotary vane compressor structure
旋叶式压缩机工作时，叶片在叶片槽内做径向往复运动，叶片端部在气体力、背压力、摩擦力、润滑油黏滞阻力和往复惯性力等共同作用下与缸体内壁保持接触，其中背压力起主要作用。启动噪声是指压缩机启动初期，当背压力不足以平衡其他外力时，叶片端部不能始终与缸体内壁保持接触，而在某一旋转角度出现叶片端部与缸体内壁脱离，再次接触时产生撞击噪声。
旋叶式压缩机启动初期，由于制冷剂迁移，液态制冷剂多储存在气液分离器和压缩机中，建立起一定大小的吸、排气压力需要一段时间，而背压力与排气压力相关，因此这段时间内的背压力过小，导致叶片与气缸内壁发生反复接触碰撞，产生启动噪声。另外，在压缩机启动过程中，当有大量的液态制冷剂进入气缸时，将出现液压缩现象，压缩腔内液态制冷剂压力上升的速度远大于气体制冷剂，在排气阀片提前开启的同时，将导致叶片端部与缸体内壁脱离并产生启动噪声。
为了研究旋叶式压缩机启动噪声，在半消声室中搭建噪声测试平台，进行以振动噪声为主的多参量测试分析。该测试系统主要由吸气压力脉动传感器、排气压力脉动传感器、转速传感器、振动传感器及传声器传感器等组成。旋叶式压缩机通过刚性支架安装在试验台上，且半消声室外有连接制冷负荷系统，实现对压缩机运转条件的稳定控制。噪声测试试验台如
图2 噪声测试试验台
Fig.2 Noise test bench
环境温度设置为10℃，压缩机以800 r/min稳定运行。当压缩机吸排气压力平衡时启动压缩机，稳定运行0.5 h后停机。循环6次试验，每次均需吸排气压力平衡后且冷机状态时再启动，采集实时动态参量（噪声、振动、压力等），通过Test Lab测试系统处理试验数据。
以某型旋叶式压缩机为试验对象，在台架上进行试验。根据启动噪声产生机理，在试验过程中对测试参量进行监控，主要有2个方面：①通过对吸排气压力的监控，观测启动瞬间叶片伸出过程中所受气体力的变化特征；②通过使用高频振动传感器监控启动瞬间叶片与缸体内壁之间摩擦力的变化特征，通过电容式传声器记录声音变化的时长与频率范围。压缩机各实时参数总值如
图3 压缩机各实时参数总值
Fig.3 Total value of real time parameters of the compressor
图4 压缩机启动过程中叶片状态
Fig.4 Blade status during compressor startup
吸、排气压力由平衡值到稳定值的过程中，叶片端部与缸体内壁的反复接触碰撞将产生启动噪声，一旦吸、排气压力达到稳定数值后，启动噪声将消失。因此，启动噪声是该型压缩机不可避免的固有表征，控制启动噪声时长是最有效的措施之一。
叶片在多源复杂激励下与缸体内壁表面保持接触，叶片槽背压力起主要作用。背压力主要是通过内部油路传递油压，其压力大小与排气压力相关。油路的长短影响建立背压力所需的时间，即直接影响压缩机启动时长。
旋叶式压缩机内部的球阀结构位于压缩机气道和油路的结合部位，其作用是缩短油路长度，使压缩机在启动时更快地产生叶片槽背压力。在压缩机启动前期，球阀结构处于开启状态，油可以通过球阀结构更快地进入叶片槽，有助于减小叶片与缸体内壁反复接触碰撞的时长；产生的压力达到一定值后，该机构处于常闭状态。因此，可通过在压缩机内涉及油路的部件设计球阀结构，提升建立背压力的速率，缩短启动噪声时长。
在单品台架测试的压缩机球阀结构仅位于前端板，根据球阀结构特征原理，在后端板、油分离器上设计后球阀结构和油分球阀结构。
图5 球阀结构示意图
Fig.5 Ball valve structures diagram
经过单品台架6次循环试验，不同球阀结构台架试验结果如
| 球阀结构 | 启动噪声时长控制效果/% |
|---|---|
| 前球阀 | — |
| 前球阀+后球阀 | 34.7 |
| 前球阀+油分球阀 | 43.9 |
电磁离合器是压缩机启动瞬间最先动作的传动部件，其衔铁与压缩机转子在静止状态下处于未接合状态。在启动瞬间，衔铁与皮带轮之间会产生相位摩擦，同时衔铁与压缩机转子迅速吸合，转子会跟随皮带轮转动。因此，对离合器衔铁结构进行改进，有助于减小叶片伸出的时间与启动噪声时长。
图6 离合器衔铁示意图
Fig.6 Schematic diagram of clutch armatures
压缩机的球阀结构使用前球阀、后球阀组合结构，通过换装不同的离合器结构，在台架上组合测试离合器衔铁与转子的吸合时间。转子与离合器衔铁的接触状态通过离合器电流、压缩机噪声声压级变化进行辨别，不同离合器结构的吸合时间时域图如
图7 不同离合器结构的吸合时间时域图
Fig.7 Time domain diagram of different clutch structures
不同离合器结构台架试验结果如
| 离合器结构 | 离合器吸合时间/s | 启动噪声时长控制效果/% |
|---|---|---|
| 全周橡胶衔铁 | 0.057 | — |
| 三眼橡胶衔铁 | 0.049 | 32.7 |
| 条形簧片衔铁 | 0.039 | 42.2 |
为了进一步验证旋叶式压缩机球阀结构与离合器结构对启动噪声的控制效果，选择低温怠速启动空调时车外出现有异常噪声的样车，对压缩机空调系统启动噪声进行试验验证，试验样车如
图8 试验样车
Fig.8 Test sample vehicle
环境温度设置为10℃，发动机保持怠速运行。在压缩机本体布置振动传感器，在车外压缩机近场和车内驾驶员右耳处布置麦克风传感器。空调系统高、低压出口处布置振动传感器和脉动传感器，测量加速度信号、噪声信号和脉动压力信号。部分测试传感器位置如
图9 测试传感器位置
Fig.9 Test sensor position
汽车空调启动过程中实车噪声频谱如
图10 实车噪声频谱
Fig.10 Real vehicle noise spectrum
将配有全周橡胶衔铁离合器的压缩机换装不同组合球阀结构，在整车上单次试验后得到不同球阀结构启动噪声总值如
图11 不同球阀结构启动噪声总值
Fig.11 Total value of starting noise of different ball valve structures
经过整车6次循环试验，压缩机装配不同球阀结构试验数据对比如
| 球阀结构 | 启动噪声时长 控制效果/% | 实车启动噪声时长比台架的减小率/% |
|---|---|---|
| 前球阀 | — | 43.0 |
| 前球阀+后球阀 | 34.7 | 28.0 |
| 前球阀+油分球阀 | 43.9 | 42.6 |
将装配前、后球阀组合结构的压缩机换装为不同离合器结构，在实车上单次试验后得到不同离合器结构的启动噪声总值如
图12 不同离合器结构启动噪声总值
Fig.12 Total value of starting noise of different clutch structures
经过整车6次循环试验，压缩机装配不同离合器结构试验数据对比如
| 离合器结构 | 启动噪声时长 控制效果/% | 实车启动噪声时长比台架的减小率/% |
|---|---|---|
| 全周橡胶衔铁 | — | 28.0 |
| 三眼橡胶衔铁 | 32.7 | 31.9 |
| 条形簧片衔铁 | 42.2 | 45.1 |
球阀结构与离合器结构控制方案在整车上得到验证，通过换装不同球阀和离合器结构，能够有效减小旋叶式压缩机1~2 s启动噪声时长。
1） 旋叶式压缩机的启动噪声来源为压缩机启动时，离合器与转子吸合以及吸、排气压力和背压力尚未正常产生，叶片与缸体内壁反复接触碰撞的机械激励。
2） 旋叶式压缩机启动噪声是不可避免的固有表征，但能通过改进减小启动噪声时长。在台架上试验时，前、后球阀组合结构、前球阀与离心球阀组合结构相对于单一的前球阀结构，叶片伸出时间分别减小了34.7%和43.9%；三眼橡胶衔铁与条形簧片衔铁离合器相比于全周橡胶衔铁离合器，叶片伸出时间分别减小了32.7%和42.2%。
3） 旋叶式压缩机启动噪声在车外会被识别，但在车内基本不会被识别，不影响乘车舒适性；整车启动噪声时长比台架更小；通过改进的球阀结构与离合器结构能有效缩短整车启动噪声时长1~2 s。
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