朱志文

摘 要：純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)制冷和制熱需要不僅包含車(chē)內(nèi)需求，還需冷卻或加熱電池，壓縮機(jī)負(fù)載增大。汽油車(chē)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)有固定速比，常用轉(zhuǎn)速840～3600rpm，電動(dòng)車(chē)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由負(fù)載決定，通常為800～8000rpm。純電動(dòng)車(chē)沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)屏蔽，怠速壓縮機(jī)噪聲變得特別顯著。需優(yōu)化壓縮機(jī)支架模態(tài)和壓縮機(jī)剛體模態(tài)與車(chē)內(nèi)空腔模態(tài)的避頻、方向盤(pán)模態(tài)避頻等，來(lái)解決車(chē)內(nèi)噪聲和振動(dòng)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī) 剛體模態(tài) 聲腔模態(tài) 共振 避頻

1 引言

傳統(tǒng)汽油車(chē)，壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比1～1.2之間，怠速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較低、并且轉(zhuǎn)速范圍較窄；發(fā)動(dòng)機(jī)常用工作轉(zhuǎn)速700～3000rpm及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速840～3600rpm；同時(shí)還有發(fā)動(dòng)機(jī)掩蔽，壓縮機(jī)噪聲問(wèn)題通常不是很明顯抱怨問(wèn)題。純電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速是根據(jù)制冷、制熱需求進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整。電動(dòng)車(chē)的制冷、制熱需求量比傳統(tǒng)汽油車(chē)需求更大，不僅包含車(chē)內(nèi)乘客的需求，還包含電池制冷或保溫等需求。夏天怠速工況、原地充電工況下，壓縮機(jī)可以達(dá)到4000～8000rpm。另一方面，電動(dòng)車(chē)壓縮機(jī)噪聲沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行掩蔽，噪聲變得更單純、清晰。電動(dòng)壓縮機(jī)常用工作轉(zhuǎn)速及負(fù)載都高于傳統(tǒng)汽油車(chē)壓縮機(jī)。如果噪聲處理不好，非常容易引起客戶(hù)抱怨。電動(dòng)壓縮機(jī)噪聲、振動(dòng)成為電動(dòng)車(chē)NVH開(kāi)發(fā)中一個(gè)關(guān)鍵課題。

2 問(wèn)題描述

某一電動(dòng)車(chē)在開(kāi)發(fā)階段，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速掃頻，其中經(jīng)過(guò)2400rpm產(chǎn)生了明顯的轟鳴聲和方向盤(pán)抖動(dòng)；經(jīng)過(guò)4800rpm車(chē)內(nèi)產(chǎn)生轟鳴；經(jīng)過(guò)6000rpm車(chē)內(nèi)產(chǎn)生轟鳴等問(wèn)題。以上轉(zhuǎn)速也是常用轉(zhuǎn)速，因此以上問(wèn)題極易引起客戶(hù)抱怨，需分析解決。

此論文針對(duì)以上問(wèn)題，從源、路徑、響應(yīng)等環(huán)節(jié)詳細(xì)分析、研究，最終得到完美解決。

3 壓縮機(jī)臺(tái)架本體振動(dòng)、噪聲

此壓縮機(jī)在零部件臺(tái)架上進(jìn)行零部件本體全轉(zhuǎn)速段800～8000rpm升速掃描測(cè)試時(shí)，支架主動(dòng)端振動(dòng)線(xiàn)性增加，近場(chǎng)噪聲也是隨轉(zhuǎn)速升高線(xiàn)性增加。初步判斷該問(wèn)題不是壓縮機(jī)本體振動(dòng)、噪聲導(dǎo)致車(chē)內(nèi)噪聲的不線(xiàn)性變化。車(chē)內(nèi)壓縮機(jī)掃頻引起的多個(gè)轉(zhuǎn)速段轟鳴問(wèn)題，可能是壓縮機(jī)系統(tǒng)和整車(chē)集成不匹配引起。

于是針對(duì)該問(wèn)題從壓縮機(jī)安裝結(jié)構(gòu)、壓縮機(jī)安裝點(diǎn)傳函以及車(chē)內(nèi)聲腔模態(tài)耦合等進(jìn)行了相關(guān)性分析研究。

4 壓縮機(jī)支架彈性體模態(tài)的研究

壓縮機(jī)常用轉(zhuǎn)速800～8000rpm，為避免壓縮機(jī)本體振動(dòng)引起與支架共振問(wèn)題，壓縮機(jī)安裝支架彈性體模態(tài)設(shè)定目標(biāo)為380Hz。目標(biāo)值高于8000rpm下1階&2階共振頻率值倍以上。

最初壓縮機(jī)安裝支架設(shè)計(jì)成鈑金焊接支架。仿真彈性體模態(tài)225Hz，不能滿(mǎn)足設(shè)定目標(biāo)。鑒于提升支架模態(tài)和輕量化設(shè)計(jì)，壓縮機(jī)支架由焊接鈑金件改成鑄鋁件；經(jīng)過(guò)多輪拓?fù)浞抡娼Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終總重量減少1Kg，模態(tài)提升到385Hz，滿(mǎn)足目標(biāo)要求。

5 壓縮機(jī)隔振：一級(jí)、二級(jí)隔振系統(tǒng)分析

根據(jù)單自由度質(zhì)量、彈簧系統(tǒng)和雙自由度質(zhì)量、彈簧系統(tǒng)傳遞率分析，二級(jí)隔振方案有利于減少高頻振動(dòng)傳遞率。本壓縮機(jī)隔振系統(tǒng)采納二級(jí)隔振方案。

壓縮機(jī)和襯套可簡(jiǎn)化成質(zhì)量、彈簧、阻尼系統(tǒng)；本壓縮機(jī)采用上、下各3個(gè)襯套組成的二級(jí)隔振方案。上面三個(gè)襯套與壓縮機(jī)相連，下面三個(gè)襯套安裝在副車(chē)架上。

具體隔振簡(jiǎn)化分析模型及公式如下：（圖2）

式（1）單自由度系統(tǒng)振動(dòng)方程，隔振率如式（2）

雙自由度系統(tǒng)振動(dòng)方程：

隔振率公式4

其中；；；=；；；；

根據(jù)上式2和式4得傳遞率（隔振率導(dǎo)數(shù)）曲線(xiàn)如下：（圖3）

①在同一方向，二級(jí)隔振有兩個(gè)共振峰，一級(jí)隔振一個(gè)共振峰。

② 單級(jí)隔振在倍激勵(lì)與共振頻率比以后起隔振作用；二級(jí)隔振在二次共振峰后大于倍頻率比起隔振作用。

③ 二級(jí)隔振高頻隔振效果顯然好于一級(jí)隔振；但低頻區(qū)間差于一級(jí)隔振。

④ 不論一級(jí)隔振、二級(jí)隔振，橡膠剛度的降低有利于將共振峰頻率降低和減小幅值。上圖可見(jiàn)，45N/mm剛度襯套傳遞率差于15N/mm剛度襯套。

為更好提升二級(jí)隔振得性能，第一個(gè)共振峰頻率越低越好。最好控制在壓縮機(jī)不常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。

6 不同襯套剛度下車(chē)內(nèi)剛體模態(tài)的研究

壓縮機(jī)系統(tǒng)類(lèi)似動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)，一級(jí)隔振存在6自由度剛體模態(tài)，雙級(jí)隔振存在12個(gè)自由度剛體模態(tài)。

壓縮機(jī)在掃頻時(shí)，掃頻基頻頻率遇到剛體模態(tài)頻率總是會(huì)共振。通常通過(guò)減小傳遞率可減小被動(dòng)端共振峰峰值。這些被動(dòng)端振動(dòng)通過(guò)車(chē)身傳遞到車(chē)內(nèi)，當(dāng)這些剛體模態(tài)的共振峰頻率與子系統(tǒng)模態(tài)或聲腔模態(tài)頻率接近、耦合時(shí)，易引起子系統(tǒng)共振或聲腔共鳴產(chǎn)生轟鳴噪聲。

因此，需要把剛體模態(tài)頻率避開(kāi)常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的激勵(lì)頻率、子系統(tǒng)模態(tài)和聲腔模態(tài)，避免壓縮機(jī)激勵(lì)導(dǎo)致的整車(chē)系統(tǒng)共振。

該車(chē)輛最初在2400rpm產(chǎn)生轟鳴聲和方向盤(pán)抖動(dòng)，4800rpm車(chē)內(nèi)轟鳴聲，6000rpm車(chē)內(nèi)轟鳴聲等問(wèn)題，是系統(tǒng)內(nèi)存在40Hz，80Hz和100Hz聲腔模態(tài)和壓縮機(jī)系統(tǒng)的剛體模態(tài)耦合。見(jiàn)圖4。

最終通過(guò)改變橡膠襯套的材料、結(jié)構(gòu)等方式調(diào)整橡膠襯套的剛度。這些襯套剛度會(huì)產(chǎn)生不同的剛體模態(tài)，不同襯套剛度的壓縮機(jī)系統(tǒng)剛體見(jiàn)以下模態(tài)規(guī)劃分布表。

進(jìn)行了15N/mm、18N/mm、25N/mm、45N/mm以及55N/mm剛度的襯套進(jìn)行了剛體模態(tài)分析。結(jié)果在以下的剛體模態(tài)規(guī)劃表1；

通過(guò)實(shí)車(chē)壓縮機(jī)綜合頻響曲線(xiàn)（見(jiàn)圖5）及車(chē)內(nèi)噪聲驗(yàn)證（見(jiàn)圖6），在18N/mm及25N/mm剛度下，整個(gè)轉(zhuǎn)速段，升速掃描，車(chē)內(nèi)噪聲線(xiàn)性上升，沒(méi)有轟鳴發(fā)生。最終NVH建議橡膠襯套鎖定在公差18～25N/mm之間。耐久團(tuán)隊(duì)也同步評(píng)估該剛度襯套的耐久性能。

7 標(biāo)定策略?xún)?yōu)化

燃油車(chē)壓縮機(jī)通過(guò)附件皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，傳統(tǒng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速*速比進(jìn)行控制。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)升速時(shí)，壓縮機(jī)以固定速比倍數(shù)同步升速，會(huì)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)任何轉(zhuǎn)速。

電動(dòng)壓縮機(jī)通常采用PWM控制，根據(jù)熱管理需求進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。為提升NVH性能，可以根據(jù)標(biāo)定策略，通過(guò)軟件方式控制壓縮機(jī)不長(zhǎng)時(shí)間停留在某些轉(zhuǎn)速，從而避開(kāi)共振頻率，讓壓縮機(jī)避開(kāi)某些特定聲腔模態(tài)、子系統(tǒng)模態(tài)頻率，避開(kāi)了共振的風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)速。但最高轉(zhuǎn)速直接影響最大制熱和制冷能力，此轉(zhuǎn)速較難規(guī)避。

8 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某型純電動(dòng)汽車(chē)壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲研究，影響系統(tǒng)的關(guān)鍵因素結(jié)論如下：

①壓縮機(jī)的剛體模態(tài)需與壓縮機(jī)常用轉(zhuǎn)速段的激勵(lì)進(jìn)行避頻。

②壓縮機(jī)剛體模態(tài)需與方向盤(pán)、儀表臺(tái)、整車(chē)等子系統(tǒng)模態(tài)進(jìn)行避頻。避免方向盤(pán)共振，儀表臺(tái)共振，整車(chē)模態(tài)共振等。

③壓縮機(jī)剛體模態(tài)需與整車(chē)聲腔模態(tài)避頻，避免產(chǎn)生整車(chē)轟鳴聲。

④二級(jí)隔振有利于高頻隔振，但需關(guān)注低頻晃動(dòng)。

⑤低剛度襯套有利于提升隔振率，但需考慮耐久問(wèn)題。

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