某汽车空调压缩机支架振动噪声优化分析

徐小彬，郭明涛，李一，邢桂丽，乔鑫

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）



某汽车空调压缩机支架振动噪声优化分析

徐小彬，郭明涛，李一，邢桂丽，乔鑫

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

摘 要：汽车空调压缩机是汽车空调制冷系统的心脏，起着压缩制冷剂蒸汽的作用。空调压缩机通过支架安装于发动机缸体上，它处于振动剧烈的工作环境下。因此，空调压缩机支架设计方案直接影响汽车发动机的可靠性和整机NVH性能。通过对空调压缩机支架进行模态分析和振动噪声试验测试，对汽车进行噪声优化分析及降低噪声，提高汽车的NVH性能。

关键词：空调压缩机；模态分析；噪声；优化；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

汽车空调压缩机由发动机前端轮系驱动，是发动机的重要附件之一。由于空调压缩机的质量相对其他附件较大，它需要通过支架安装固定于发动机缸体上。因此，空调压缩机支架设计的安装方案，直接影响整机NVH性能，同时，对发动机缸体的安装位置的可靠性以及空调压缩机正常工作起着至关重要的作用。本文主要从空调压缩机支架结构改进及优化方面出发，首先对其进行模态分析，然后进行振动试验测试，确定了对其支架的更改，提高了汽车的声品质与NVH性能。

对整车NVH进行主观评价时发现，在2挡加速工况下，发动机转速在3600RPM左右有明显噪声存在，经振动噪声试验测得该转速下4阶次噪声贡献量比较大，经排查预判，是空压机支架振动而导致的，因此，提出对空压机支架进行CAE分析，验证预判是否准确，并提出优化方案。

1、空调压缩机支架的模态分析

空调压缩机、发动机缸体、支架、螺栓三维数模是由CATIA建立，通过利用HYPERMESH进行网格划分，然后将其导入到ABAQUS进行模态分析。

1.1 模态分析的理论分析

对于一个具有N个自由度的线性定常系统，其基本振动方程[1]可写成：

结构动力特性分析是一个经典模态分析领域，通过分析能确定结构各阶次的固有频率、各阶振型及阻尼。而结构的固有频率和振型是分析结构动力学响应及其他动力特性问题的基础。在进行模态分析时，一般因结构阻尼较小，对固有频率和振型影响甚微，故通常忽略不计。于是，任何一个无阻尼线弹性结构振动系统自由振动运动方程可表示为：

在此情况下，分析结构的固有频率与振型问题就转化为求解方程的特征值与特征向量问题。

1.2 有限元模型及边界条件

应用HYPERMESH对空调压缩机、发动机缸体、支架、螺栓三维数模进行网格划分，采用二阶四面体单元，空调压缩机支架有限元网格模型如图1所示。压缩机壳体、支架采用ADC12材料，缸体材料为HT250，螺栓材料为SPCC，具体材料参数如表1所示。在模态分析中，空调压缩机除了壳体外的质量，将其简化为一个质心点。对于模型的边界条件定义[2]，如图2所示。

图1　空调压缩机支架有限元网格模型

图2　空调压缩机支架有限元边界模型

1.3 空调压缩机支架模态分析结果

由ABAQUS计算得出空调压缩机支架模态分析结果，一阶模态结果为232Hz，其振型如图3所示。经振动噪声试验测得发动机3600RPM下4阶贡献量大，发动机为四缸四冲程机型，发动机3600RPM激振频率的基频为60Hz，而4阶频率为240Hz，其值与模态分析结果基本吻合。因此，判定空调压缩机支架是导致2挡加速工况下，发动机在3600RPM下产生噪声的主要根源。

图3　空调压缩机支架三点安装振型图

1.4 优化后支架模态分析结果

为避开4阶240Hz频率下的共振，从改变压缩机支架本身的结构方向入手，对压缩机支架进行优化设计，较为普遍的优化方案为增加支架厚度或设计各种类型的加强筋，但由于支架安装于发动机缸体与空调压缩机之间，此处空间位置受限制比较大，因此传统的优化支架结构方案几乎很难实现。但考虑到空调压缩机右侧的几何空间，在压缩机本体上增加压缩机安装点方案，由原来的三点安装方案更改为四点安装方案是可行的，这样支架的刚度将大大增加，系统模态将提高，从而避开共振点，虽然在成本上略有增加，但从车辆NVH性能收益角度考虑，此方案仍是较优的。

为了验证此方案的效果对优化后的四点安装空调压缩机支架进行模态分析，一阶模态结果为299Hz，其振型如图4所示。因此，如采用四点安装的空调压缩机支架，当第一阶模态为299Hz时，由仿真结果判定会将3600RPM下的4阶噪声峰值移至与模态频率299Hz对应的4500RPM下，这样对改善中低转速下噪声品质有明显提高。

图4　空调压缩机支架四点安装振型图

2、空调压缩机支架振动噪声测试结果

图5　空调压缩机支架三点安装示意图

图6　空调压缩机支架四点安装示意图

图7　测试司机右耳处安装麦克风示意图

对空调压缩机支架进行振动噪声测试，一方面为准确分析优化前后空调压缩机支架车辆的振动噪声特性，另一方面为仿真分析结论进行验证。如图5与图6为压缩机三点安装（左图）与四点安装（右图）的比对图。测试位置为司机右耳，如图7所示。在2挡加速工况下，车内噪声4阶测试结果如图8所示，红色椭圆形圈出的位置在3600RPM下，压缩机四点安装与压缩机三点安装的4阶声压值由71dB降至60dB，且发动机3200RPM至3800RPM工况下的声压值都大幅下降，而主观评价车内噪声也有明显改善。优化后的压缩机四点安装支架在4300RPM的声压值略高于原三点安装支架，这和之前的模态分析结论基本保持一致，根据主观评价整车NVH性能是可接受的。

图8　空压机支架优化前后4阶声压值对比图

3、总结

发动机振动是整车振动的主要来源之一，空调压缩机支架又安装于发动机缸体上，处于极其恶劣的工作环境。因此，压缩机支架振动特性直接影响发动机及整车NVH性能，其模态也决定压缩机安装孔、发动机缸体、螺栓结构件的可靠性。

本文针对原车的发动机转速在3600RPM左右有明显噪声的问题，对空调压缩机进行系统的模态分析，找到了空调压缩机支架的模态问题，从而进一步提出了非传统的四点安装方案，从而将系统模态由232Hz提高到299Hz，经测试结果显示发动机3200RPM至3800RPM工况下的声压值都大幅下降，3600RPM明显噪声的问题得到解决，说明了优化方案的有效性，同时也验证了仿真分析的可信度。

参考文献

[1] 方勇.基于有限元的汽车排气系统模态分析.2009年3月,第20卷第1期,24-26.

[2] 石亦平.ABAQUS有限元分析实例讲解.机械工业出版社,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

作者简介：徐小彬，就职于华晨汽车工程研究院。

中图分类号：U463.6

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)03-69-03