分體空調器室外機鈑金件動態特性分析及優化設計

盧劍偉 李曉陽 祖玉建

(合肥工業大學機械與汽車工程學院 安徽合肥 230009)

分體空調器室外機鈑金件動態特性分析及優化設計

盧劍偉 李曉陽 祖玉建

(合肥工業大學機械與汽車工程學院 安徽合肥 230009)

本文針對某分體空調室外機低頻異響問題，通過現代聲振測試手段確定了鈑金件與異響之間存在的關聯，重點以鈑金件為研究對象，通過對鈑金件模態屬性的測試，結合有限元分析，掌握了鈑金件的動態特性，明確了其存在的問題缺陷，在不增加鈑金件成本的前提下通過鈑金件的局部結構修改對其模態屬性等動態特性進行優化設計，修改后樣機實驗證明本文采取的結構修改措施可以顯著改善鈑金件聲輻射性能，消除室外機低頻異響。

空調器；鈑金件；模態屬性；異響

1 引言

當前空調器行業競爭非常激烈，為消費者提供質優價廉的產品成為當前空調器制造企業不斷追求的目標。其中，空調器的振動噪音指標越來越受到消費者的關注，并成為影響消費者選購產品的重要參考技術指標之一。如何在降低材料成本的同時，保持產品良好的聲音品質，成為了各空調器制造企業必須解決的一個關鍵問題。

分體空調器室外機鈑金件主要包含室外機底盤、頂蓋、圍板、中隔板以及電機支架等部件，其不僅對內部的壓縮機、冷凝器和配管有保護作用，而且對壓縮機、風機等噪聲源有隔聲作用。但是如果鈑金結構設計不合理，就會在壓縮機等運動部件的激勵下產生強烈的振動并引發異常噪聲，因此鈑金件的動態特性分析與設計是關系室外機振動噪音水平的一項重要技術開發工作內容。

圖1 樣機模態測試示意圖

圖2 各鈑金幅頻特性及其相頻特性

國內某知名空調企業新研發的某機型在產品測試中發現存在低頻“嗡嗡”異響，當拆除圍板及頂蓋后，“嗡嗡”異響明顯減弱。經過聲振測試分析發現室外機低頻異響的主要成因是鈑金件在壓縮機等運動部件激勵下出現了拍振，并且確定了出現拍振的頻率區間為[95.4Hz,100Hz]和[143.1Hz,147.7Hz]。為了消除異響，確保產品如期上市，對該機型的鈑金件動態特性進行了測試分析，并特別關注了上述拍振頻率區間內的模態配置，通過鈑金件結構優化進一步完善了其模態屬性，樣機實驗結果表明文中提出的結構修改措施達到了降低鈑金件振動、消除室外機低頻異響的目標。

2 鈑金件模態測試分析

應用錘擊法對空調室外機鈑金件進行模態測試，實驗測試示意圖如圖1所示。測試儀器采用東華測試儀器公司的通用型動態信號測試分析系統DH5922N，振動傳感器選用型號DH132高性能壓電式加速度傳感器，力錘型號為LC13F02（含力傳感器）。其中力錘上的力傳感器接動態信號采集分析儀的第一通道，振動傳感器接第二通道。設置合適的傳感器靈敏度及量程范圍，選取合適的敲擊點和拾取點，依次敲擊測試各鈑金，分別對測得結果進行頻響分析，取多次平均，得到各鈑金在拍振頻率區間附近的模態頻率，如表1所示。圖2是其中一組鈑金模態測試數據。

從表1可以看出，該機型右側鈑金在壓縮機二倍頻附近存在頻率為98.6Hz的模態，很容易在壓縮機的諧頻激勵下產生較強的振動響應，存在與壓縮機發生“拍振”或共振的可能，故需對其模態屬性進行修改。因此，通過有限元分析，對鈑金件的結構修改方案進行探討，以修改其模態屬性配置為目標，改善其在拍振頻率區間內的動態響應。

3 基于有限元的鈑金件動態特性分析及結構修改

空調器室外機部件比較多，因此在應用有限元分析技術對鈑金件進行仿真分析時，只考慮對整機模態影響較大的部件進行分析。忽略電控盒、接線柱等部件，對冷凝器、壓縮機、電機等剛性比較大的部件，則主要保留其質量慣性特征，并進行適當的簡化處理，鈑金件材料為DX52D鍍鋅鋼板。利用UG NX鏈接面技術，將鈑金部件轉換為IGES格式文件，依次導入ANSYS分析軟件，并進行必要的修復操作，確保所建的有限元模型能夠反映樣機的模態特征，得到的有限元分析模型如圖3所示。其中，采用了耦合節點自由度的方式來模擬鈑金部件之間的螺釘連接約束。頂蓋鈑金比較特殊，其四個頂角圓弧過渡部位的約束作用不容忽視，否則導致分析結果不準確。這里在每個圓弧處挑選兩條棱線分別與對應的棱線進行節點自由度耦合約束，僅約束其X,Y向自由度，保留Z向自由度。

基于上述分析模型，求取其前45階模態，并列出拍振頻率區間附件相關的模態頻率，結果如表2所示，圖4所示為該機型的17～22階模態振型。

對比表1和表2，各鈑金模態頻率誤差很小，說明有限元仿真結果與試驗測試模態結果比較吻合，故可以以此有限元分析模型為基礎，對鈑金件的結構優化措施進行探討。分析17～22階振型發現，19階94.7Hz由右側板及前面板主導，21階102.9Hz由頂蓋主導，且頻率均位于壓縮機2倍頻頻率區間，容易形成共振，需要重點修改；而18階、22階均由進風柵格主導，聲輻射效率較低，故不作為修改重點；17階和20階均由導風圈主導，因導風圈的修改涉及風機風道匹配等問題，也不宜作為修改重點。

根據以往鈑金件設計和分析的經驗來看，增加鈑金厚度能夠顯著提升鈑金的模態頻率，降低模態密度。但是這樣會增加產品材料成本，最終確定在不增加鈑金厚度的前提下，著重修改右側板和頂蓋鈑金的結構。其具體修改方法為：

表1 鈑金件模態試驗測試結果

表2 鈑金件模態仿真分析結果

表3 鈑金原狀態與修改后模態頻率對比

圖3 整機鈑金有限元仿真模型

圖4 鈑金原狀態17～22階模態振型圖

（1）觀察該機型外觀，發現右側板中間部位存在大面積平面鈑金，嘗試在該處增加橢圓形和方形凹槽等加強筋結構。

（2）分析頂蓋主導的振型圖可知，當前三個長條狀的加強筋結構容易激發頂蓋前后兩側的彎曲振動，嘗試將三個打斷成六個相對稍短的條狀結構。

修改后的右側板和頂蓋形式如圖5所示。

對修改后的鈑金件進行分析，列出16～21階模態振型，如圖6所示，并將鈑金件修改前后的頻率進行對比如表3所示。

對比分析圖5和圖6模態振型，可知鈑金件修改后，原方案中由頂蓋和右側板主導的模態頻率較好地避開了拍振頻率區間，同時上述修改方案使其他鈑金件的模態屬性配置也較為理想。

按照上述鈑金件修改方案，對樣機進行了改裝測試，發現低頻異響得到明顯改善，驗證了鈑金件修改措施的有效性。

4 結論

通過對該款分體空調器新機型整機鈑金件進行模態測試分析及修改，可以得到以下結論：

（1）通過對鈑金件結構的合理修改，可以部分抵消鈑金件減薄帶來的模態密度增加等問題，從而在鈑金件減薄的情況下獲得更佳的動態性能；

（2）空調器室外機鈑金件的動態特性對整機噪音指標影響較大，特別是大面積鈑金件對室外機聲音品質貢獻較大，因此是室外機鈑金件結構設計的重點工作內容之一；

（3）在掌握鈑金件模態屬性變化規律的前提下，可以通過鈑金件局部結構的修改，改善其動態響應特性，從而在不增加成本的前提下改善其振動噪音。

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Dynamic properties analysis and optimization of sheet metal of outdoor unit of split type air conditioner

LU Jianwei LI Xiaoyang ZU Yujian
（School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology Anhui 230009）

The mechanism of low frequency abnormal noise of the outdoor unit of a certain split type air conditioner was analyzed, and it was found that the sheet metal of the out door unit made great contribution to the abnormal noise based on acoustic and vibration of the machine. Therefore, improvement on this problem focused on dynamic properties analysis and its optimization of the sheet metal by modal testing and FEM analysis, the dynamic properties of the sheet metal were obtained, and its defects were determined. Local structural modification of the sheet metal was discussed, to improve its dynamic properties without increasing the cost. And in the end, the modified prototype experiment verified that the updated structure could significantly improve acoustic radiation properties of sheet-metal and eliminate the low frequency abnormal noise of the outdoor unit.

Air conditioner; Sheet-metal; Modal properties; Abnormal noise

圖5 右側板和頂蓋修改前后對比

圖6 鈑金件修改后16～21階模態振型圖