某汽車空調壓縮機支架振動噪聲優(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）

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某汽車空調壓縮機支架振動噪聲優(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：汽車空調壓縮機是汽車空調制冷系統(tǒng)的心臟，起著壓縮制冷劑蒸汽的作用。空調壓縮機通過支架安裝于發(fā)動機缸體上，它處于振動劇烈的工作環(huán)境下。因此，空調壓縮機支架設計方案直接影響汽車發(fā)動機的可靠性和整機NVH性能。通過對空調壓縮機支架進行模態(tài)分析和振動噪聲試驗測試，對汽車進行噪聲優(yōu)化分析及降低噪聲，提高汽車的NVH性能。

關鍵詞：空調壓縮機；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

汽車空調壓縮機由發(fā)動機前端輪系驅動，是發(fā)動機的重要附件之一。由于空調壓縮機的質量相對其他附件較大，它需要通過支架安裝固定于發(fā)動機缸體上。因此，空調壓縮機支架設計的安裝方案，直接影響整機NVH性能，同時，對發(fā)動機缸體的安裝位置的可靠性以及空調壓縮機正常工作起著至關重要的作用。本文主要從空調壓縮機支架結構改進及優(yōu)化方面出發(fā)，首先對其進行模態(tài)分析，然后進行振動試驗測試，確定了對其支架的更改，提高了汽車的聲品質與NVH性能。

對整車NVH進行主觀評價時發(fā)現，在2擋加速工況下，發(fā)動機轉速在3600RPM左右有明顯噪聲存在，經振動噪聲試驗測得該轉速下4階次噪聲貢獻量比較大，經排查預判，是空壓機支架振動而導致的，因此，提出對空壓機支架進行CAE分析，驗證預判是否準確，并提出優(yōu)化方案。

1、空調壓縮機支架的模態(tài)分析

空調壓縮機、發(fā)動機缸體、支架、螺栓三維數模是由CATIA建立，通過利用HYPERMESH進行網格劃分，然后將其導入到ABAQUS進行模態(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：

結構動力特性分析是一個經典模態(tài)分析領域，通過分析能確定結構各階次的固有頻率、各階振型及阻尼。而結構的固有頻率和振型是分析結構動力學響應及其他動力特性問題的基礎。在進行模態(tài)分析時，一般因結構阻尼較小，對固有頻率和振型影響甚微，故通常忽略不計。于是，任何一個無阻尼線彈性結構振動系統(tǒng)自由振動運動方程可表示為：

在此情況下，分析結構的固有頻率與振型問題就轉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

應用HYPERMESH對空調壓縮機、發(fā)動機缸體、支架、螺栓三維數模進行網格劃分，采用二階四面體單元，空調壓縮機支架有限元網格模型如圖1所示。壓縮機殼體、支架采用ADC12材料，缸體材料為HT250，螺栓材料為SPCC，具體材料參數如表1所示。在模態(tài)分析中，空調壓縮機除了殼體外的質量，將其簡化為一個質心點。對于模型的邊界條件定義[2]，如圖2所示。

圖1　空調壓縮機支架有限元網格模型

圖2　空調壓縮機支架有限元邊界模型

1.3 空調壓縮機支架模態(tài)分析結果

由ABAQUS計算得出空調壓縮機支架模態(tài)分析結果，一階模態(tài)結果為232Hz，其振型如圖3所示。經振動噪聲試驗測得發(fā)動機3600RPM下4階貢獻量大，發(fā)動機為四缸四沖程機型，發(fā)動機3600RPM激振頻率的基頻為60Hz，而4階頻率為240Hz，其值與模態(tài)分析結果基本吻合。因此，判定空調壓縮機支架是導致2擋加速工況下，發(fā)動機在3600RPM下產生噪聲的主要根源。

圖3　空調壓縮機支架三點安裝振型圖

1.4 優(yōu)化后支架模態(tài)分析結果

為避開4階240Hz頻率下的共振，從改變壓縮機支架本身的結構方向入手，對壓縮機支架進行優(yōu)化設計，較為普遍的優(yōu)化方案為增加支架厚度或設計各種類型的加強筋，但由于支架安裝于發(fā)動機缸體與空調壓縮機之間，此處空間位置受限制比較大，因此傳統(tǒng)的優(yōu)化支架結構方案幾乎很難實現。但考慮到空調壓縮機右側的幾何空間，在壓縮機本體上增加壓縮機安裝點方案，由原來的三點安裝方案更改為四點安裝方案是可行的，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，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。

為了驗證此方案的效果對優(yōu)化后的四點安裝空調壓縮機支架進行模態(tài)分析，一階模態(tài)結果為299Hz，其振型如圖4所示。因此，如采用四點安裝的空調壓縮機支架，當第一階模態(tài)為299Hz時，由仿真結果判定會將3600RPM下的4階噪聲峰值移至與模態(tài)頻率299Hz對應的4500RPM下，這樣對改善中低轉速下噪聲品質有明顯提高。

圖4　空調壓縮機支架四點安裝振型圖

2、空調壓縮機支架振動噪聲測試結果

圖5　空調壓縮機支架三點安裝示意圖

圖6　空調壓縮機支架四點安裝示意圖

圖7　測試司機右耳處安裝麥克風示意圖

對空調壓縮機支架進行振動噪聲測試，一方面為準確分析優(yōu)化前后空調壓縮機支架車輛的振動噪聲特性，另一方面為仿真分析結論進行驗證。如圖5與圖6為壓縮機三點安裝（左圖）與四點安裝（右圖）的比對圖。測試位置為司機右耳，如圖7所示。在2擋加速工況下，車內噪聲4階測試結果如圖8所示，紅色橢圓形圈出的位置在3600RPM下，壓縮機四點安裝與壓縮機三點安裝的4階聲壓值由71dB降至60dB，且發(fā)動機3200RPM至3800RPM工況下的聲壓值都大幅下降，而主觀評價車內噪聲也有明顯改善。優(yōu)化后的壓縮機四點安裝支架在4300RPM的聲壓值略高于原三點安裝支架，這和之前的模態(tài)分析結論基本保持一致，根據主觀評價整車NVH性能是可接受的。

圖8　空壓機支架優(yōu)化前后4階聲壓值對比圖

3、總結

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

本文針對原車的發(fā)動機轉速在3600RPM左右有明顯噪聲的問題，對空調壓縮機進行系統(tǒng)的模態(tài)分析，找到了空調壓縮機支架的模態(tài)問題，從而進一步提出了非傳統(tǒng)的四點安裝方案，從而將系統(tǒng)模態(tài)由232Hz提高到299Hz，經測試結果顯示發(fā)動機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，同時也驗證了仿真分析的可信度。

參考文獻

[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有限元分析實例講解.機械工業(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

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-69-03