某纯电动汽车空调压缩机支架 NVH 性能分析

摘要

某纯电动汽车在怠速工况下打开空调开关,车内出现振动､噪声过大的问题,导致车内乘坐舒适性较差｡采用LMS数据采集前端SCADASMobile对整车在怠速开空调工况下的振动和噪声进行测试,经过频谱分析发现,问题频率主要集中在72.00Hz左右,与压缩机工作转频吻合｡对支架进行模态测试及仿真分析,确定问题原因为压缩机在某特定转速下转频与支架固有频率过于接近,产生了共振,导致车内振动､噪声异常｡基于以上分析,对压缩机支架结构进行了结构优化,优化后有效控制了压缩机支架共振的问题,改善了车内振动､噪声水平,提高了乘坐舒适性｡

关键词：纯电动汽车;NVH;压缩机支架;传递路径;模态分析中图分类

近年来,随着环保意识的不断提高和能源危机的日益严峻,新能源汽车作为未来出行的重要选择,受到全球汽车行业和消费者的广泛关注｡新能源汽车的电动化特性带来了零排放和静音驾驶的优势,然而,随之而来的是对车辆NVH性能更高的要求｡

在汽车的NVH问题中,空调压缩机作为主要的激励源之一,其振动与噪声问题越发显著｡传统燃油车由于内燃机本身的噪声掩盖效应,使得空调系统的噪声问题相对较轻｡然而,在新能源汽车中,由于电动驱动的静音特性,空调压缩机引发的噪声和振动问题变得更加突出,严重影响了乘坐舒适性和驾驶体验｡

当前,虽然对于传统燃油车空调系统的振动和噪声问题已经有了较多的研究和解决方案,但针对新能源汽车空调压缩机的NVH性能分析研究还相对较少｡因此,深入探讨新能源汽车空调压缩机支架的NVH性能,对于提高车辆乘坐舒适性,增强新能源汽车市场竞争力具有重要意义｡

本文以某纯电动汽车空调压缩机支架系统为研究对象,通过频谱分析及模态测试等相关手段确定问题频率,并利用有限元分析手段进行验证｡最终确定,振动噪声问题为压缩机支架固有频率过低导致共振｡通过对压缩机支架进行结构优化,有效提升了整车NVH水平｡

01  模态分析理论

模态分析是对结构动态特性的解析分析和试验分析,通过用模态参数来表征｡因此模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数,为结构系统的振动特性､振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据[1]｡

因为任何连续结构都可以认为是无限多个微元刚体质量的组合,所以这样的结构都有无穷多个自由度｡但是,所有这些结构又可以近似看做是有限个小刚体质量的组合,因此它们又可以认为具有有限个自由度数n｡该自由度数决定了解析质量矩阵､刚度矩阵和阻尼矩阵的维数,也决定了理论上存在的固有频率数和模态振型阶数[2]｡对于有n个多自由度的振动系统,可用对应的n阶向量描述相对应的物理参数模型｡在线性范围内,可将其看做n个主振动的线性叠加｡每一个主振动都有其特定的自由振动形态,其振动频率即系统的固有频率,振动形态即为系统的固有振型(模态)[3]｡

压缩机支架及其相连接的零部件可以看做一个连续体,是一个复杂且有无限个自由度的系统结构｡应用以上方法,可将其离散为有限个自由度的多自由度振动系统｡根据牛顿第二定律,可以得到结构系统的微分方程组｡

(1)式中:M为系统的总质量矩阵,C为系统的阻尼矩阵,K为系统的总刚度矩阵,u(t)为位移向量,f(t)为激励向量,和为系统的加速度向量和速度向量,t为时间变量[4]｡

压缩机支架固有频率的分析计算只与自身的材料､质量和外形结构有关,所以f(t)=0｡同时,根据压缩机支架外形结构可将其看做无阻尼自由振动,可将公式(1)表示为:

系统自由振动时,结构上各点做简谐振动｡压缩机支架可以看成是由一系列的简谐运动叠加而成,各节点位移可表示为:

(3)式中:Q为节点振幅,ωn为固有频率,为初始相位角｡联立公式(2)和公式(3)可得:

当支架产生振动时Q不为0,则公式(4)可写为:

(5)公式(5)为关于    的n次多项式｡支架系统刚度矩阵和支架系统质量矩阵为确定值,所以可求得该方程关于ωn的n个特征值及特征向量,也就是支架系统的固有频率和结构振型｡

02  噪声及模态测试分析

LMSTest.Lab在噪声数据采集和模态试验中的应用是一项重要的工程实践,旨在分析机械系统的振动和噪声特性｡该过程包括传感器安装､数据采集､模态试验､噪声数据分析､模态分析和数据可视化等关键步骤｡通过配置传感器并使用LMSTest.Lab软件进行数据采集,可以实时记录和监测振动和噪声数据｡模态试验通过激励信号的施加和系统响应的测量来确定结构的振动模态参数｡噪声数据可以在软件中处理和分析,以识别噪声源和频谱特性｡同时,模态分析有助于确定结构的固有频率和阻尼比｡模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法,是系统辨别方法在工程振动领域中的应用,它同时也是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法[5]｡

该纯电动汽车空调系统使用的是涡旋式压缩机,空调压缩机的安装支架与车身前横梁与纵梁采用螺栓刚性连接的方式(图1)｡因此压缩机在运转过程中可能会与支架系统的低阶模态重合,引起支架系统共振,从而通过车身前横梁与纵梁向车内辐射噪声｡

怠速开空调工况噪声测试

本测试应用LMSTest.Lab测试系统中的SignatureTesting-Advanced模块进行数据测试采集｡分别在车内驾驶员和中排右侧乘客内耳布置传声器,在方向盘12点､压缩机本体､冷却风扇本体､压缩机支架及其安装梁位置布置加速度传感器｡然后在空调吹面全冷内循环模式工况下对整车的振动噪声水平进行测试,共采集3组数据｡驾驶员及中排右侧乘客内耳噪声频谱图如图2所示,可以看出主要以低频结构噪声为主,尤其在72Hz左右较为明显,且与压缩机工作转频吻合｡为根据压缩机本体的振动频谱图(图3),初步判断问题来源主要是因为压缩机与支架共振导致噪声过大｡     

压缩机支架模态测试

本测试应用LMSTest.Lab测试系统中的ImpactTesting模块进行数据测试采集｡使用力锤敲击空气压缩机支架+X､+Y和+Z三个方向｡本测试在整车状态下完成,在压缩机本体､压缩机支架､横梁､纵梁和水泵布置6只加速度传感器,对压缩机支架进行模态测试｡前文分析可知,振动能量主要集中在低频,并且支架的结构动态特性主要取决于其低阶模态｡即外界由于压缩机产生的激振频率会与支架低阶模态频率相近,因此主要对100Hz以内的频率和振型进行分析和计算｡

模态测试得到支架频响函数(图4)｡由频响函数图可以看出,压缩机支架系统固有频率较低,前3阶分别为26.80Hz､63.49Hz和72.33Hz,不符合要求,十分容易引起共振｡其中第3阶固有频率在72.33Hz左右,与问题频率十分接近｡为进一步验证其问题原因,下一步将对支架进行有限元模态分析

03  有限元模态分析

本文采用HyperWorks软件对压缩机支架系统模态进行求解｡首先,使用HyperMesh工具建立了支架系统的有限元模型,包括几何建模､网格划分､材料属性和加载条件的定义｡随后,通过OptiStruct求解器执行了模态分析,确定了结构的固有频率和振动模态｡最后,使用HyperView进行结果后处理,得到模态频率､振型等信息｡

模型的建立

为了体现压缩机支架的实际工作特性,本文对压缩机的约束模态进行分析｡建立了压缩机支架的三维模型,将三维模型导入仿真软件HyperMesh中,采用四面体单元进行划分网格,网格尺寸为2mm,单元总数为314002,节点总数为73394｡定义材料属性,其中弹性模量为7.1×104MPa,泊松比为0.33,密度为2700kg/mm3｡确定了各单元连接方式,为充分体现整车状态,创建压缩机和水泵的质量点,分别赋予其质量,通过rbe3单元连接质心及安装点,安装点及支架螺栓孔均采用完全约束的rbe2刚性单元代替(图5)｡

压缩机支架仿真结果

利用HyperWorks软件计算得到支架系统100Hz内存在3阶模态,频率分别为24.36Hz､58.74Hz和71.80Hz,与试验测试结果十分接近(图6)｡

通过有限元模态和试验模态对比分析可知(表1),试验和仿真结果的频率相差均在3%以下,验证了支架系统有限元模型的准确性｡

04  优化方案及验证

优化方案确定

基于以上分析结果,可以确定压缩机在工作中的某个特定转速下与压缩机支架产生共振,导致整车在怠速开空调工况下振动噪声明显｡考虑到以上试验及仿真结果可知,产生共振的原因主要是压缩机支架为钣金件,且刚度过小,导致固有频率太低｡为了避免压缩机与支架产生共振,考虑到在尽量不更换其他零件的情况下,对压缩机支架结构进行优化,以提高其模态频率｡

通过以上分析,共提出2种解决方案:方案一为更改压缩机支架安装位置,将压缩机支架与动力总成进行刚性连接,利用动力总成悬置减小振动冲击;方案二为对现有压缩机支架进行结构优化,提高刚度,提升模态频率｡考虑到方案一需要更换压缩机支架安装位置,优化过程复杂,周期较长,并有可能对动力总成产生不可预知影响,因此本研究采取方案二对支架结构进行优化｡

结构优化主要在相对薄弱的位置增加三角筋板,以对其进行结构加强｡另外,分别在两侧板之间增加拉板,以提高其整体刚度,再对底板两侧进行压边处理｡优化后压缩机支架结构如图7所示｡

验证分析

采取以上改进措施后,再次对压缩机支架结构在HyperWorks软件中进行模态仿真计算,得到改进后的压缩机支架系统的固有频率和振型｡其中,一阶模态提升至为173.30Hz,远大于原状态压缩机支架仿真计算得到的一阶固有频率24.36Hz;二阶模态为202.87Hz,三阶模态为307.68Hz,均有较大的提升,符合预期要求(图8)｡

基于以上分析与改进,再次进行了整车状态下怠速开空调工况噪声测试,各测点均与之前相同｡测试完成后,分析得到的噪声频谱图发现,在问题频率72.00Hz处,噪声值下降显著,总体噪声值分别由44.15dB和42.46dB下降至40.42dB和39.77dB,效果改善明显(图9)｡

05  结束语

本文针对某纯电动汽车怠速开空调工况下整车噪声振动过大的问题,通过频谱分析及模态试验等手段,确定了问题为压缩机支架与压缩机本体共振所致｡基于以上分析,对压缩机支架进行了结构优化,通过增加三角筋板､拉板及压边等方式提升了压缩机支架刚度,并再次对其进行了仿真与测试,结果发现压缩机支架模态频率提升显著,而且整车在怠速开空调工况下噪声改善明显,为纯电动汽车领域空调压缩机支架的NVH性能研究提供了案例支持｡

【参考文献】

[1]何志刚.大客车车身结构强度及刚度分析[J].机械研究与应用,2001(04):4-6.

[2]刘玉博.某汽车变速箱箱体振动模态研究[D].沈阳:沈阳理工大学,2021.

[3]胡海岩.机械振动基础[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004.

[4]沃德•海伦,斯蒂芬•拉门兹,波尔•萨斯.模态分析理论与试验[M].白化同,郭继忠,译.北京:北京理工大学出版社,2001.

[5]李嘉通,向宇,靳江涛,等.某车型空调压缩机支架NVH性能分析与优化[J].机械设计与制造,2015(03):58-61+64.

作者：李永越、杨树岗、刘巧红、张晓坤

沧州交通学院，沧州