徐小彬，郭明濤，李一，邢桂麗，喬鑫

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

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某汽車空調(diào)壓縮機(jī)支架振動噪聲優(yōu)化分析

徐小彬，郭明濤，李一，邢桂麗，喬鑫

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

摘 要：汽車空調(diào)壓縮機(jī)是汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的心臟，起著壓縮制冷劑蒸汽的作用?？照{(diào)壓縮機(jī)通過支架安裝于發(fā)動機(jī)缸體上，它處于振動劇烈的工作環(huán)境下。因此，空調(diào)壓縮機(jī)支架設(shè)計(jì)方案直接影響汽車發(fā)動機(jī)的可靠性和整機(jī)NVH性能。通過對空調(diào)壓縮機(jī)支架進(jìn)行模態(tài)分析和振動噪聲試驗(yàn)測試，對汽車進(jìn)行噪聲優(yōu)化分析及降低噪聲，提高汽車的NVH性能。

關(guān)鍵詞：空調(diào)壓縮機(jī)；模態(tài)分析；噪聲；優(yōu)化；NVH

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.023

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-69-03

前言

汽車空調(diào)壓縮機(jī)由發(fā)動機(jī)前端輪系驅(qū)動，是發(fā)動機(jī)的重要附件之一。由于空調(diào)壓縮機(jī)的質(zhì)量相對其他附件較大，它需要通過支架安裝固定于發(fā)動機(jī)缸體上。因此，空調(diào)壓縮機(jī)支架設(shè)計(jì)的安裝方案，直接影響整機(jī)NVH性能，同時，對發(fā)動機(jī)缸體的安裝位置的可靠性以及空調(diào)壓縮機(jī)正常工作起著至關(guān)重要的作用。本文主要從空調(diào)壓縮機(jī)支架結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)化方面出發(fā)，首先對其進(jìn)行模態(tài)分析，然后進(jìn)行振動試驗(yàn)測試，確定了對其支架的更改，提高了汽車的聲品質(zhì)與NVH性能。

對整車NVH進(jìn)行主觀評價(jià)時發(fā)現(xiàn)，在2擋加速工況下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在3600RPM左右有明顯噪聲存在，經(jīng)振動噪聲試驗(yàn)測得該轉(zhuǎn)速下4階次噪聲貢獻(xiàn)量比較大，經(jīng)排查預(yù)判，是空壓機(jī)支架振動而導(dǎo)致的，因此，提出對空壓機(jī)支架進(jìn)行CAE分析，驗(yàn)證預(yù)判是否準(zhǔn)確，并提出優(yōu)化方案。

1、空調(diào)壓縮機(jī)支架的模態(tài)分析

空調(diào)壓縮機(jī)、發(fā)動機(jī)缸體、支架、螺栓三維數(shù)模是由CATIA建立，通過利用HYPERMESH進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后將其導(dǎo)入到ABAQUS進(jìn)行模態(tài)分析。

1.1 模態(tài)分析的理論分析

對于一個具有N個自由度的線性定常系統(tǒng)，其基本振動方程[1]可寫成：

結(jié)構(gòu)動力特性分析是一個經(jīng)典模態(tài)分析領(lǐng)域，通過分析能確定結(jié)構(gòu)各階次的固有頻率、各階振型及阻尼。而結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型是分析結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)及其他動力特性問題的基礎(chǔ)。在進(jìn)行模態(tài)分析時，一般因結(jié)構(gòu)阻尼較小，對固有頻率和振型影響甚微，故通常忽略不計(jì)。于是，任何一個無阻尼線彈性結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)自由振動運(yùn)動方程可表示為：

在此情況下，分析結(jié)構(gòu)的固有頻率與振型問題就轉(zhuǎn)化為求解方程的特征值與特征向量問題。

1.2 有限元模型及邊界條件

應(yīng)用HYPERMESH對空調(diào)壓縮機(jī)、發(fā)動機(jī)缸體、支架、螺栓三維數(shù)模進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用二階四面體單元，空調(diào)壓縮機(jī)支架有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。壓縮機(jī)殼體、支架采用ADC12材料，缸體材料為HT250，螺栓材料為SPCC，具體材料參數(shù)如表1所示。在模態(tài)分析中，空調(diào)壓縮機(jī)除了殼體外的質(zhì)量，將其簡化為一個質(zhì)心點(diǎn)。對于模型的邊界條件定義[2]，如圖2所示。

圖1　空調(diào)壓縮機(jī)支架有限元網(wǎng)格模型

圖2　空調(diào)壓縮機(jī)支架有限元邊界模型

1.3 空調(diào)壓縮機(jī)支架模態(tài)分析結(jié)果

由ABAQUS計(jì)算得出空調(diào)壓縮機(jī)支架模態(tài)分析結(jié)果，一階模態(tài)結(jié)果為232Hz，其振型如圖3所示。經(jīng)振動噪聲試驗(yàn)測得發(fā)動機(jī)3600RPM下4階貢獻(xiàn)量大，發(fā)動機(jī)為四缸四沖程機(jī)型，發(fā)動機(jī)3600RPM激振頻率的基頻為60Hz，而4階頻率為240Hz，其值與模態(tài)分析結(jié)果基本吻合。因此，判定空調(diào)壓縮機(jī)支架是導(dǎo)致2擋加速工況下，發(fā)動機(jī)在3600RPM下產(chǎn)生噪聲的主要根源。

圖3　空調(diào)壓縮機(jī)支架三點(diǎn)安裝振型圖

1.4 優(yōu)化后支架模態(tài)分析結(jié)果

為避開4階240Hz頻率下的共振，從改變壓縮機(jī)支架本身的結(jié)構(gòu)方向入手，對壓縮機(jī)支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，較為普遍的優(yōu)化方案為增加支架厚度或設(shè)計(jì)各種類型的加強(qiáng)筋，但由于支架安裝于發(fā)動機(jī)缸體與空調(diào)壓縮機(jī)之間，此處空間位置受限制比較大，因此傳統(tǒng)的優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)方案幾乎很難實(shí)現(xiàn)。但考慮到空調(diào)壓縮機(jī)右側(cè)的幾何空間，在壓縮機(jī)本體上增加壓縮機(jī)安裝點(diǎn)方案，由原來的三點(diǎn)安裝方案更改為四點(diǎn)安裝方案是可行的，這樣支架的剛度將大大增加，系統(tǒng)模態(tài)將提高，從而避開共振點(diǎn)，雖然在成本上略有增加，但從車輛NVH性能收益角度考慮，此方案仍是較優(yōu)的。

為了驗(yàn)證此方案的效果對優(yōu)化后的四點(diǎn)安裝空調(diào)壓縮機(jī)支架進(jìn)行模態(tài)分析，一階模態(tài)結(jié)果為299Hz，其振型如圖4所示。因此，如采用四點(diǎn)安裝的空調(diào)壓縮機(jī)支架，當(dāng)?shù)谝浑A模態(tài)為299Hz時，由仿真結(jié)果判定會將3600RPM下的4階噪聲峰值移至與模態(tài)頻率299Hz對應(yīng)的4500RPM下，這樣對改善中低轉(zhuǎn)速下噪聲品質(zhì)有明顯提高。

圖4　空調(diào)壓縮機(jī)支架四點(diǎn)安裝振型圖

2、空調(diào)壓縮機(jī)支架振動噪聲測試結(jié)果

圖5　空調(diào)壓縮機(jī)支架三點(diǎn)安裝示意圖

圖6　空調(diào)壓縮機(jī)支架四點(diǎn)安裝示意圖

圖7　測試司機(jī)右耳處安裝麥克風(fēng)示意圖

對空調(diào)壓縮機(jī)支架進(jìn)行振動噪聲測試，一方面為準(zhǔn)確分析優(yōu)化前后空調(diào)壓縮機(jī)支架車輛的振動噪聲特性，另一方面為仿真分析結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。如圖5與圖6為壓縮機(jī)三點(diǎn)安裝（左圖）與四點(diǎn)安裝（右圖）的比對圖。測試位置為司機(jī)右耳，如圖7所示。在2擋加速工況下，車內(nèi)噪聲4階測試結(jié)果如圖8所示，紅色橢圓形圈出的位置在3600RPM下，壓縮機(jī)四點(diǎn)安裝與壓縮機(jī)三點(diǎn)安裝的4階聲壓值由71dB降至60dB，且發(fā)動機(jī)3200RPM至3800RPM工況下的聲壓值都大幅下降，而主觀評價(jià)車內(nèi)噪聲也有明顯改善。優(yōu)化后的壓縮機(jī)四點(diǎn)安裝支架在4300RPM的聲壓值略高于原三點(diǎn)安裝支架，這和之前的模態(tài)分析結(jié)論基本保持一致，根據(jù)主觀評價(jià)整車NVH性能是可接受的。

圖8　空壓機(jī)支架優(yōu)化前后4階聲壓值對比圖

3、總結(jié)

發(fā)動機(jī)振動是整車振動的主要來源之一，空調(diào)壓縮機(jī)支架又安裝于發(fā)動機(jī)缸體上，處于極其惡劣的工作環(huán)境。因此，壓縮機(jī)支架振動特性直接影響發(fā)動機(jī)及整車NVH性能，其模態(tài)也決定壓縮機(jī)安裝孔、發(fā)動機(jī)缸體、螺栓結(jié)構(gòu)件的可靠性。

本文針對原車的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在3600RPM左右有明顯噪聲的問題，對空調(diào)壓縮機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的模態(tài)分析，找到了空調(diào)壓縮機(jī)支架的模態(tài)問題，從而進(jìn)一步提出了非傳統(tǒng)的四點(diǎn)安裝方案，從而將系統(tǒng)模態(tài)由232Hz提高到299Hz，經(jīng)測試結(jié)果顯示發(fā)動機(jī)3200RPM至3800RPM工況下的聲壓值都大幅下降，3600RPM明顯噪聲的問題得到解決，說明了優(yōu)化方案的有效性，同時也驗(yàn)證了仿真分析的可信度。

參考文獻(xiàn)

[1] 方勇.基于有限元的汽車排氣系統(tǒng)模態(tài)分析.2009年3月,第20卷第1期,24-26.

[2] 石亦平.ABAQUS有限元分析實(shí)例講解.機(jī)械工業(yè)出版社,2010年5月,第一版,280-294.

Vibration and Nosie Optimization Analysis of The Vehicle Air Compressor Bracket

Xu Xiaobin, Guo Mingtao, Li Yi, Xing Guili, Qiao Xin
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

Abstract:The compressor is like the heart of the auto’s air conditioner cooling system; it compresses and transmits the refrigerant vapor.The compressor is assembled to the block of the engine by bracket; it works under the strong vibration condition.Hence the design of the bracket influent the reliability of the engine and NVH performance of the whole engine directly.Through modal analysis and vibrate noise test for the bracket, we do the optimize analysis of the noise of the auto, reduce noise, promote the NVH performance of the auto.

Keywords:air conditioner compressor; modal analysis; noise; optimize; NVH

作者簡介：徐小彬，就職于華晨汽車工程研究院。

中圖分類號：U463.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-69-03