汽車空調(diào)壓縮機支架NVH性能分析

摘 要：文章基于整車 NVH性能對汽車空調(diào)壓縮機及支架開展分析測試，帶單獨壓縮機支架的系統(tǒng)，模態(tài)需達到設(shè)計要求。對達不到設(shè)計要求的系統(tǒng)，通過在空調(diào)管路上增加隔振，減振等措施衰減共振頻率。對于無單獨壓縮機支架在裝配精度，振動模態(tài)上有比較優(yōu)勢，具有很強的推廣，借鑒意義。

引言

NVH，即噪音(Noise)、振動(Vibration)、聲振粗糙度(Harshness)，通俗稱為乘坐的“舒適感”。汽車空調(diào)運行就不可避免地會帶來噪聲，且在汽車噪聲產(chǎn)生的諸多部位中，汽車空調(diào)系統(tǒng)是引起重大噪聲的部件之一。在主機廠的新車質(zhì)量研究中，空調(diào)系統(tǒng)噪聲問題已引起客戶廣泛關(guān)注，居于新車質(zhì)量問題Top10內(nèi)。因此，如何使汽車空調(diào)噪聲減小以達到消費者的要求，是汽車設(shè)計者亟需解決的重要問題，也是提升現(xiàn)代汽車市場競爭的關(guān)鍵一環(huán)。

在汽車空調(diào)NVH設(shè)計中壓縮機是主要激勵源之一，如何有效解決壓縮機的NVH是其中的關(guān)鍵要點之一，其中壓縮機支架又是解決壓縮機振動傳遞的重要方面。由于壓縮機支架帶來的問題在各車型中比較常見，朱愛武針對某車型發(fā)動機轉(zhuǎn)速4750r/min產(chǎn)生轟鳴音開展測試研究，經(jīng)測試產(chǎn)生的主要原因是由于壓縮機支架總成模態(tài)頻 率與發(fā)動機二階振動頻率共振引起的。蘇俊收針對某壓路機轉(zhuǎn)速1350r/min左右出現(xiàn)異常振動問題，應(yīng)用有限元軟件分析壓縮機支架各階固有頻率及振型，發(fā)現(xiàn)壓縮機支架前兩階固有頻率偏低是造成故障的主要原因。劉丹針對某車輛在定置加速試驗中，座椅導(dǎo)軌處振動及駕駛員右耳噪聲都存在208Hz共振，經(jīng)測量主要是由于空壓機及支架與發(fā)電機支架共振引起的。壓縮機支架和壓縮機形成一個質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，如果外界的激勵頻率與此頻率一致時，就會產(chǎn)生共振。綜上，壓縮機支架在NVH設(shè)計過程中首要考慮的與發(fā)動機的激勵頻率及周邊部件的頻率避開，另外，從問題的解決思路上，可以通過優(yōu)化空調(diào)管，利用空調(diào)管對振動進行衰減或者優(yōu)化壓縮機在發(fā)動機的安裝，取消壓縮機支架，從而從根本上解決由于壓縮機支架帶來的NVH問題。

1 壓縮機及支架避頻設(shè)計

壓縮機支架避頻是當下設(shè)計的主要方法，發(fā)動機頻率公式：

其中n-發(fā)動機轉(zhuǎn)速，Z-發(fā)動機汽缸數(shù)，i-諧波次數(shù)

例如，發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍（750~5500）r/min，4缸發(fā)動機。發(fā)動機基頻范圍：(25~200)Hz。為有效避頻壓縮機及支架模態(tài)頻率f≥1.414×F，壓縮機及支架頻率大于283Hz。可有效避頻。

某車型，在3檔全油門工況下3200rpm左右存在噪聲峰值，經(jīng)分析發(fā)動機4階頻率213Hz，經(jīng)測試壓縮機支架模態(tài)頻率206Hz，壓縮機支架頻率與發(fā)動機激勵頻率沒有實現(xiàn)有效避頻率，對壓縮機支架開展優(yōu)化設(shè)計。

圖1 壓縮機支架優(yōu)化方案

優(yōu)化的主要方案是在原壓縮機支架上增加一個固定點提升壓縮機模態(tài)。

表2 單壓縮機支架模態(tài)

經(jīng)分析，壓縮機支架模態(tài)較原先有提升，壓縮機及支架模態(tài)由 216Hz提升至 267Hz。（壓縮機支架由于受發(fā)動機安裝點的約束條件，無法提升至＞280Hz）。測試支架半約束模態(tài)（不安裝空壓機）、空壓機附件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模態(tài)。

圖2 壓縮機及支架模態(tài)測試

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)見圖3和表3。

圖3 壓縮機及支架模態(tài)測試響應(yīng)圖

表3 壓縮機及支架模態(tài)測試

經(jīng)測試新支架系統(tǒng)共振頻率較原始略有提高，但效果不明顯。新老支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)在（200~250）Hz。新支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)（242Hz），對噪聲表現(xiàn)會有惡化效果，與整車噪聲測試結(jié)果相吻合，駕駛室內(nèi)噪聲升高。

理論上，通過對壓縮機及支架利用CAE仿真分析可以有效避頻，但實際產(chǎn)品開發(fā)中由于發(fā)動機及周邊約束條件限制，壓縮機及支架有時很難完全做到結(jié)構(gòu)避頻。可以通過空調(diào)管路的隔振，減振進一步提升NVH效果。

2 空調(diào)管路對壓縮機及支架的減振

壓縮機及支架經(jīng)由幾條傳遞路徑傳至車身，一條壓縮機及支架→發(fā)動機懸置→車身→振動、噪聲，另一條，壓縮機及支架→管路固定點→車身→振動、噪聲，壓縮機及支架→管路→膨脹閥→HVAC→振動、噪聲。通過對傳遞路徑的分析可知，減弱壓縮機及支架振動的要素有，發(fā)動機懸置，空調(diào)管路的隔振，空調(diào)管路在傳遞路徑上的減振。針對上述問題，空調(diào)管路優(yōu)化方案：

圖4 空調(diào)管路優(yōu)化示意圖

如圖4所示，將接近膨脹閥入口處的空調(diào)硬管部分改成軟管部分，通過管路衰減壓縮機支架的振動傳遞。

圖5 更換空調(diào)管路前

圖6 更換空調(diào)管路后

通過空調(diào)管路優(yōu)化，3200rpm 4階頻率降低明顯，經(jīng)主觀評價滿足要求。

3 壓縮機-支架-壓縮機匹配優(yōu)化

通過以上兩種措施基本解決了壓縮機及支架系統(tǒng)帶來的共振，但沒有從根源上解決。取消壓縮機支架可以從源頭上解決支架帶來的共振，另一方面，由于沒有單獨的壓縮機支架實現(xiàn)了降低成本的目的啊。無壓縮機支架設(shè)計示意圖7。

圖7 無壓縮機支架設(shè)計

如上圖所示，壓縮機通過三個固定點與發(fā)動機連接。點1，點2處使用定位銷設(shè)計，提升壓縮機在發(fā)動機上的裝配精度。其中，點1,2是原壓縮機支架固定點，點3是發(fā)動機下殼體通過優(yōu)化設(shè)計增加的固定點，發(fā)動機下殼體采用鑄鋁設(shè)計。原設(shè)計采用沖壓鐵質(zhì)油底殼。

圖8 壓縮機在發(fā)動機的安裝

在整車中開展 NVH測試，經(jīng)測試壓縮機裝在整車中模態(tài)330Hz＞280Hz，滿足整車對壓縮機及支架系統(tǒng)模態(tài)要求。

在同一臺車型上，更換，優(yōu)化前后部件，開展3檔全油門加速測試。

圖9 全油門加速對比測試

① 噪聲對比：優(yōu)化后的壓縮機及鋁制油底殼后，3WOT工況，相比原車型設(shè)計，全轉(zhuǎn)速內(nèi)也普降（2-4）dB（A），3200轉(zhuǎn)峰值處下降6dB左右，NVH提升效果明顯；

②振動響應(yīng)對比：優(yōu)化后設(shè)計在3200轉(zhuǎn)振動峰值消失。

圖10 優(yōu)化前后瀑布圖對比

通過圖10的瀑布圖更直觀看出，3檔全油門加速工況，優(yōu)化后的設(shè)計，在222HZ、665HZ、753HZ處共振帶全部消失，NVH聲品質(zhì)提升效果明顯。

通過此方案的優(yōu)化設(shè)計徹底從根源上解決了由于壓縮機及支架系統(tǒng)給整車帶來的振動問題。另外，壓縮機支架的取消，使用定位孔，減少由于支架帶來的裝配誤差，降低了皮帶異響的風(fēng)險，在成本方面由于支架取消，降低了整車成本，取得了很好的經(jīng)濟效益。

4 總結(jié)

本文對空調(diào)壓縮機及支架對整車影響開展系統(tǒng)測試分析：

1）對于帶單獨壓縮機支架的系統(tǒng)，壓縮機及支架模態(tài)頻率＞283Hz可實現(xiàn)避頻設(shè)計；

2）對于模態(tài)無法達到設(shè)計要求的壓縮機及支架可以從空調(diào)管路上增加隔振，減振的角度衰減共振頻率；

3）取消單獨壓縮機支架方案，可以從源頭消除由于壓縮機支架帶來的共振頻率，裝配精度，部件成本上有明顯優(yōu)勢，此種結(jié)構(gòu)具有很好的借鑒，推廣作用。