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汽车空调压缩机支架NVH性能分析
2021-11-03 23:17:41· 来源：焉知车身与制造工艺
来源 | 汽车实用技术摘 要：文章基于整车NVH 性能对汽车空调压缩机及支架开展分析测试，带单独压缩机支架的系统，模态需达到设计要求。对达不到设计要求的系统，
来源 | 汽车实用技术
摘 要：文章基于整车NVH 性能对汽车空调压缩机及支架开展分析测试，带单独压缩机支架的系统，模态需达到设计要求。对达不到设计要求的系统，通过在空调管路上增加隔振，减振等措施衰减共振频率。对于无单独压缩机支架在装配精度，振动模态上有比较优势，具有很强的推广，借鉴意义。关键词：空调系统；压缩机支架
引言
NVH，即噪音(Noise)、振动(Vibration)、声振粗糙度(Harshness)，通俗称为乘坐的“舒适感”。汽车空调运行就不可避免地会带来噪声，且在汽车噪声产生的诸多部位中，汽车空调系统是引起重大噪声的部件之一。在主机厂的新车质量研究中，空调系统噪声问题已引起客户广泛关注，居于新车质量问题Top10 内。因此，如何使汽车空调噪声减小以达到消费者的要求，是汽车设计者亟需解决的重要问题，也是提升现代汽车市场竞争的关键一环。
在汽车空调NVH 设计中压缩机是主要激励源之一，如何有效解决压缩机的NVH 是其中的关键要点之一，其中压缩机支架又是解决压缩机振动传递的重要方面。
由于压缩机支架带来的问题在各车型中比较常见，朱爱武 [1] 针对某车型发动机转速4750r/min 产生轰鸣音开展测试研究，经测试产生的主要原因是由于压缩机支架总成模态频 率与发动机二阶振动频率共振引起的。苏俊收 [2] 针对某压路机转速1350r/min左右出现异常振动问题，应用有限元软件分析压缩机支架各阶固有频率及振型，发现压缩机支架前两阶固有频率偏低是造成故障的主要原因。刘丹[3] 针对某车辆在定置加速试验中，座椅导轨处振动及驾驶员右耳噪声都存在208Hz 共振，经测量主要是由于空压机及支架与发电机支架共振引起的。压缩机支架和压缩机形成一个质量-弹簧系统，如果外界的激励频率与此频率一致时，就会产生共振。综上，压缩机支架在NVH 设计过程中首要考虑的与发动机的激励频率及周边部件的频率避开，另外，从问题的解决思路上，可以通过优化空调管，利用空调管对振动进行衰减或者优化压缩机在发动机的安装，取消压缩机支架，从而从根本上解决由于压缩机支架带来的NVH 问题。
1 压缩机及支架避频设计
压缩机支架避频是当下设计的主要方法，发动机频率公式：
其中n-发动机转速，Z-发动机汽缸数，i-谐波次数
例如，发动机转速范围（750~5500）r/min，4 缸发动机。发动机基频范围：(25~200)Hz。为有效避频压缩机及支架模态频率f≥1.414×F，压缩机及支架频率大于283Hz。可有效避频。
某车型，在3 档全油门工况下3200rpm左右存在噪声峰值，经分析发动机4 阶频率213Hz，经测试压缩机支架模态频率206Hz，压缩机支架频率与发动机激励频率没有实现有效避频率，对压缩机支架开展优化设计。
优化的主要方案是在原压缩机支架上增加一个固定点提升压缩机模态。
经分析，压缩机支架模态较原先有提升，压缩机及支架模态由216Hz 提升至267Hz。（压缩机支架由于受发动机安装点的约束条件，无法提升至＞280Hz）。测试支架半约束模态（不安装空压机）、空压机附件系统结构模态。
系统结构响应见图3 和表3。
经测试新支架系统共振频率较原始略有提高，但效果不明显。新老支架系统结构响应在（200~250）Hz。新支架系统结构响应（242Hz），对噪声表现会有恶化效果，与整车噪声测试结果相吻合，驾驶室内噪声升高。
理论上，通过对压缩机及支架利用CAE 仿真分析可以有效避频，但实际产品开发中由于发动机及周边约束条件限制，压缩机及支架有时很难完全做到结构避频。可以通过空调管路的隔振，减振进一步提升NVH效果。
2 空调管路对压缩机及支架的减振
压缩机及支架经由几条传递路径传至车身，一条压缩机及支架→发动机悬置→车身→振动、噪声，另一条，压缩机及支架→管路固定点→车身→振动、噪声，压缩机及支架→管路→膨胀阀→HVAC→振动、噪声。通过对传递路径的分析可知，减弱压缩机及支架振动的要素有，发动机悬置，空调管路的隔振，空调管路在传递路径上的减振。针对上述问题，空调管路优化方案：
如图4 所示，将接近膨胀阀入口处的空调硬管部分改成软管部分，通过管路衰减压缩机支架的振动传递。
通过空调管路优化，3200rpm 4 阶频率降低明显，经主观评价满足要求。
3 压缩机-支架-压缩机匹配优化
通过以上两种措施基本解决了压缩机及支架系统带来的共振，但没有从根源上解决。取消压缩机支架可以从源头上解决支架带来的共振，另一方面，由于没有单独的压缩机支架实现了降低成本的目的啊。无压缩机支架设计示意图7。
如上图所示，压缩机通过三个固定点与发动机连接。点1，点2 处使用定位销设计，提升压缩机在发动机上的装配精度。其中，点1,2 是原压缩机支架固定点，点3 是发动机下壳体通过优化设计增加的固定点，发动机下壳体采用铸铝设计。原设计采用冲压铁质油底壳。
在整车中开展NVH 测试，经测试压缩机装在整车中模态330Hz＞280Hz，满足整车对压缩机及支架系统模态要求。在同一台车型上，更换，优化前后部件，开展3 档全油门加速测试。
① 噪声对比：优化后的压缩机及铝制油底壳后，3WOT工况，相比原车型设计，全转速内也普降（2-4）dB（A），3200 转峰值处下降6dB 左右，NVH提升效果明显；
②振动响应对比：优化后设计在3200 转振动峰值消失。
通过图10 的瀑布图更直观看出，3 档全油门加速工况，优化后的设计，在222HZ、665HZ、753HZ 处共振带全部消失，NVH声品质提升效果明显。
通过此方案的优化设计彻底从根源上解决了由于压缩机及支架系统给整车带来的振动问题。另外，压缩机支架的取消，使用定位孔，减少由于支架带来的装配误差，降低了皮带异响的风险，在成本方面由于支架取消，降低了整车成本，取得了很好的经济效益。
4 总结
本文对空调压缩机及支架对整车影响开展系统测试分析：
1）对于带单独压缩机支架的系统，压缩机及支架模态频率＞283Hz可实现避频设计；
2）对于模态无法达到设计要求的压缩机及支架可以从空调管路上增加隔振，减振的角度衰减共振频率；
3）取消单独压缩机支架方案，可以从源头消除由于压缩机支架带来的共振频率，装配精度，部件成本上有明显优势，此种结构具有很好的借鉴，推广作用。
系统结构响应见图3 和表3。
经测试新支架系统共振频率较原始略有提高，但效果不明显。新老支架系统结构响应在（200~250）Hz。新支架系统结构响应（242Hz），对噪声表现会有恶化效果，与整车噪声测试结果相吻合，驾驶室内噪声升高。
理论上，通过对压缩机及支架利用CAE 仿真分析可以有效避频，但实际产品开发中由于发动机及周边约束条件限制，压缩机及支架有时很难完全做到结构避频。可以通过空调管路的隔振，减振进一步提升NVH效果。
2 空调管路对压缩机及支架的减振
压缩机及支架经由几条传递路径传至车身，一条压缩机及支架→发动机悬置→车身→振动、噪声，另一条，压缩机及支架→管路固定点→车身→振动、噪声，压缩机及支架→管路→膨胀阀→HVAC→振动、噪声。通过对传递路径的分析可知，减弱压缩机及支架振动的要素有，发动机悬置，空调管路的隔振，空调管路在传递路径上的减振。针对上述问题，空调管路优化方案：
如图4 所示，将接近膨胀阀入口处的空调硬管部分改成软管部分，通过管路衰减压缩机支架的振动传递。
通过空调管路优化，3200rpm 4 阶频率降低明显，经主观评价满足要求。
3 压缩机-支架-压缩机匹配优化
通过以上两种措施基本解决了压缩机及支架系统带来的共振，但没有从根源上解决。取消压缩机支架可以从源头上解决支架带来的共振，另一方面，由于没有单独的压缩机支架实现了降低成本的目的啊。无压缩机支架设计示意图7。
如上图所示，压缩机通过三个固定点与发动机连接。点1，点2 处使用定位销设计，提升压缩机在发动机上的装配精度。其中，点1,2 是原压缩机支架固定点，点3 是发动机下壳体通过优化设计增加的固定点，发动机下壳体采用铸铝设计。原设计采用冲压铁质油底壳。
在整车中开展NVH 测试，经测试压缩机装在整车中模态330Hz＞280Hz，满足整车对压缩机及支架系统模态要求。在同一台车型上，更换，优化前后部件，开展3 档全油门加速测试。
① 噪声对比：优化后的压缩机及铝制油底壳后，3WOT工况，相比原车型设计，全转速内也普降（2-4）dB（A），3200 转峰值处下降6dB 左右，NVH提升效果明显；
②振动响应对比：优化后设计在3200 转振动峰值消失。
通过图10 的瀑布图更直观看出，3 档全油门加速工况，优化后的设计，在222HZ、665HZ、753HZ 处共振带全部消失，NVH声品质提升效果明显。
通过此方案的优化设计彻底从根源上解决了由于压缩机及支架系统给整车带来的振动问题。另外，压缩机支架的取消，使用定位孔，减少由于支架带来的装配误差，降低了皮带异响的风险，在成本方面由于支架取消，降低了整车成本，取得了很好的经济效益。
4 总结
本文对空调压缩机及支架对整车影响开展系统测试分析：
1）对于带单独压缩机支架的系统，压缩机及支架模态频率＞283Hz可实现避频设计；
2）对于模态无法达到设计要求的压缩机及支架可以从空调管路上增加隔振，减振的角度衰减共振频率；
3）取消单独压缩机支架方案，可以从源头消除由于压缩机支架带来的共振频率，装配精度，部件成本上有明显优势，此种结构具有很好的借鉴，推广作用。
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