分体空调器室外机钣金件动态特性分析及优化设计

卢剑伟 李晓阳 祖玉建

(合肥工业大学机械与汽车工程学院 安徽合肥 230009)

分体空调器室外机钣金件动态特性分析及优化设计

卢剑伟 李晓阳 祖玉建

(合肥工业大学机械与汽车工程学院 安徽合肥 230009)

本文针对某分体空调室外机低频异响问题，通过现代声振测试手段确定了钣金件与异响之间存在的关联，重点以钣金件为研究对象，通过对钣金件模态属性的测试，结合有限元分析，掌握了钣金件的动态特性，明确了其存在的问题缺陷，在不增加钣金件成本的前提下通过钣金件的局部结构修改对其模态属性等动态特性进行优化设计，修改后样机实验证明本文采取的结构修改措施可以显著改善钣金件声辐射性能，消除室外机低频异响。

空调器；钣金件；模态属性；异响

1 引言

当前空调器行业竞争非常激烈，为消费者提供质优价廉的产品成为当前空调器制造企业不断追求的目标。其中，空调器的振动噪音指标越来越受到消费者的关注，并成为影响消费者选购产品的重要参考技术指标之一。如何在降低材料成本的同时，保持产品良好的声音品质，成为了各空调器制造企业必须解决的一个关键问题。

分体空调器室外机钣金件主要包含室外机底盘、顶盖、围板、中隔板以及电机支架等部件，其不仅对内部的压缩机、冷凝器和配管有保护作用，而且对压缩机、风机等噪声源有隔声作用。但是如果钣金结构设计不合理，就会在压缩机等运动部件的激励下产生强烈的振动并引发异常噪声，因此钣金件的动态特性分析与设计是关系室外机振动噪音水平的一项重要技术开发工作内容。

图1 样机模态测试示意图

图2 各钣金幅频特性及其相频特性

国内某知名空调企业新研发的某机型在产品测试中发现存在低频“嗡嗡”异响，当拆除围板及顶盖后，“嗡嗡”异响明显减弱。经过声振测试分析发现室外机低频异响的主要成因是钣金件在压缩机等运动部件激励下出现了拍振，并且确定了出现拍振的频率区间为[95.4Hz,100Hz]和[143.1Hz,147.7Hz]。为了消除异响，确保产品如期上市，对该机型的钣金件动态特性进行了测试分析，并特别关注了上述拍振频率区间内的模态配置，通过钣金件结构优化进一步完善了其模态属性，样机实验结果表明文中提出的结构修改措施达到了降低钣金件振动、消除室外机低频异响的目标。

2 钣金件模态测试分析

应用锤击法对空调室外机钣金件进行模态测试，实验测试示意图如图1所示。测试仪器采用东华测试仪器公司的通用型动态信号测试分析系统DH5922N，振动传感器选用型号DH132高性能压电式加速度传感器，力锤型号为LC13F02（含力传感器）。其中力锤上的力传感器接动态信号采集分析仪的第一通道，振动传感器接第二通道。设置合适的传感器灵敏度及量程范围，选取合适的敲击点和拾取点，依次敲击测试各钣金，分别对测得结果进行频响分析，取多次平均，得到各钣金在拍振频率区间附近的模态频率，如表1所示。图2是其中一组钣金模态测试数据。

从表1可以看出，该机型右侧钣金在压缩机二倍频附近存在频率为98.6Hz的模态，很容易在压缩机的谐频激励下产生较强的振动响应，存在与压缩机发生“拍振”或共振的可能，故需对其模态属性进行修改。因此，通过有限元分析，对钣金件的结构修改方案进行探讨，以修改其模态属性配置为目标，改善其在拍振频率区间内的动态响应。

3 基于有限元的钣金件动态特性分析及结构修改

空调器室外机部件比较多，因此在应用有限元分析技术对钣金件进行仿真分析时，只考虑对整机模态影响较大的部件进行分析。忽略电控盒、接线柱等部件，对冷凝器、压缩机、电机等刚性比较大的部件，则主要保留其质量惯性特征，并进行适当的简化处理，钣金件材料为DX52D镀锌钢板。利用UG NX链接面技术，将钣金部件转换为IGES格式文件，依次导入ANSYS分析软件，并进行必要的修复操作，确保所建的有限元模型能够反映样机的模态特征，得到的有限元分析模型如图3所示。其中，采用了耦合节点自由度的方式来模拟钣金部件之间的螺钉连接约束。顶盖钣金比较特殊，其四个顶角圆弧过渡部位的约束作用不容忽视，否则导致分析结果不准确。这里在每个圆弧处挑选两条棱线分别与对应的棱线进行节点自由度耦合约束，仅约束其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阶模态，并列出拍振频率区间附件相关的模态频率，结果如表2所示，图4所示为该机型的17～22阶模态振型。

对比表1和表2，各钣金模态频率误差很小，说明有限元仿真结果与试验测试模态结果比较吻合，故可以以此有限元分析模型为基础，对钣金件的结构优化措施进行探讨。分析17～22阶振型发现，19阶94.7Hz由右侧板及前面板主导，21阶102.9Hz由顶盖主导，且频率均位于压缩机2倍频频率区间，容易形成共振，需要重点修改；而18阶、22阶均由进风栅格主导，声辐射效率较低，故不作为修改重点；17阶和20阶均由导风圈主导，因导风圈的修改涉及风机风道匹配等问题，也不宜作为修改重点。

根据以往钣金件设计和分析的经验来看，增加钣金厚度能够显著提升钣金的模态频率，降低模态密度。但是这样会增加产品材料成本，最终确定在不增加钣金厚度的前提下，着重修改右侧板和顶盖钣金的结构。其具体修改方法为：

表1 钣金件模态试验测试结果

表2 钣金件模态仿真分析结果

表3 钣金原状态与修改后模态频率对比

图3 整机钣金有限元仿真模型

图4 钣金原状态17～22阶模态振型图

（1）观察该机型外观，发现右侧板中间部位存在大面积平面钣金，尝试在该处增加椭圆形和方形凹槽等加强筋结构。

（2）分析顶盖主导的振型图可知，当前三个长条状的加强筋结构容易激发顶盖前后两侧的弯曲振动，尝试将三个打断成六个相对稍短的条状结构。

修改后的右侧板和顶盖形式如图5所示。

对修改后的钣金件进行分析，列出16～21阶模态振型，如图6所示，并将钣金件修改前后的频率进行对比如表3所示。

对比分析图5和图6模态振型，可知钣金件修改后，原方案中由顶盖和右侧板主导的模态频率较好地避开了拍振频率区间，同时上述修改方案使其他钣金件的模态属性配置也较为理想。

按照上述钣金件修改方案，对样机进行了改装测试，发现低频异响得到明显改善，验证了钣金件修改措施的有效性。

4 结论

通过对该款分体空调器新机型整机钣金件进行模态测试分析及修改，可以得到以下结论：

（1）通过对钣金件结构的合理修改，可以部分抵消钣金件减薄带来的模态密度增加等问题，从而在钣金件减薄的情况下获得更佳的动态性能；

（2）空调器室外机钣金件的动态特性对整机噪音指标影响较大，特别是大面积钣金件对室外机声音品质贡献较大，因此是室外机钣金件结构设计的重点工作内容之一；

（3）在掌握钣金件模态属性变化规律的前提下，可以通过钣金件局部结构的修改，改善其动态响应特性，从而在不增加成本的前提下改善其振动噪音。

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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

图5 右侧板和顶盖修改前后对比

图6 钣金件修改后16～21阶模态振型图