新能源汽车空调压缩机橡胶空气弹簧隔振脚垫匹配设计

摘要：针对新能源汽车的空调压缩机的橡胶隔振脚垫匹配选型难度大，匹配周期长，精度低等问题，设计了一种通过调节橡胶空气弹簧隔振脚垫的气压，从而快速、准确地优化和匹配各种橡胶隔振脚垫最佳力学性能的试验装置。与传统的多轮次更换不同刚度的橡胶脚垫方式相比，能大大地提高脚垫刚度匹配的时效性和精确度。

近年来，我国新能源汽车产业迅速发展。电动汽车作为一种国家大力提倡发展的新能源汽车，已逐渐走进人们的视野。相比传统内燃机汽车动力，总成是影响新能源汽车NVH指标最主要的因素。电动汽车的优势在于：采用电机驱动代替传统汽车发动机驱动，电机与发动机相比更加的安静、平顺，电动汽车电机噪声与传统燃油车的发动机相比有了明显的降低，因此电动汽车空调压缩机成为整车主要的振动噪音源之一。为了有效降低其带来的整车振动噪声，通常在空调压缩机与车架，或车身底板处，连接带有一定刚度和阻尼的减振材料，即隔振脚垫。但当前普遍采用的多型号、多轮次更换测试以找出最佳性能参数的匹配方法，存在选型难度大，匹配周期长等问题。

为能快速、准确的设计和匹配空调压缩机隔振脚垫的力学性能参数，设计并开发了一套新能源汽车空调压缩机空气弹簧隔振脚垫力学性能匹配试验装置。该装置通过调节空气弹簧隔振脚垫气压，进而调节脚垫刚度，可快速匹配出压缩机最优隔振脚垫刚度。在不改变脚垫位置的前提下，以脚垫刚度为设计变量，通过装机验证，所提出的优化方法可有效减小压缩机的振动及噪声。

1.  橡胶空气弹簧隔振脚垫设计    

试验装置中，采用的空气弹簧隔振脚垫由上端、橡胶、底座和气嘴三大部分组成，其结构见图1和图2。橡胶与上端和底座之间形成封闭的空气气室，底座上设置充气口。整个空气弹簧隔振脚垫可直接安装和应用在振动系统上，通过调节内部气压来实现刚度的线性变化，以适用系统不同振动工况的隔振要求。  

1.上端;2.箍环;3.橡胶气囊;4.充气孔;5.底座;6.箍环。

图1 橡胶空气弹簧隔振脚垫结构示意图    

图2 橡胶空气弹簧隔振脚垫实物图

2.  橡胶空气弹簧气压与其静刚度测试  

橡胶空气弹簧静刚度是表征其力学性能的重要参数之一。文中采用美特斯电子万能试验机测试设备，给橡胶空气弹簧脚垫施加垂向载荷，测定试验机所产生的位移以及对应的作用力，计算出空气弹簧隔振脚垫该气压下的静刚度，实验现场见图3。分别测得0～0.4 MPa 气压下的橡胶空气弹簧脚垫静刚度值，采用最小二乘法拟合出不同气压下空气弹簧隔振脚垫静刚度曲线，见图4。 

图3 橡胶空气弹簧脚垫力-位移测试装置    

图4 橡胶空气弹簧脚垫的气压与静刚度关系曲线

3.  压缩机振动测试装置的设计  

本次实验采用无油空压机替代空调压缩机，调节进气调压阀的开和关以增加或保持空气弹簧隔振脚垫的气压，气压计测量范围0～1 MPa,气压精度 0.001 MPa，实验装置见图5。在压缩机机体上粘贴有三向加速度传感器，用于采集不同工况下的压缩机振动大小。    

4.  实验测试和结果分析  

调节空气弹簧隔振脚垫的气压从 0 MPa 按 0.05 MPa 逐渐增加到 0.4 MPa，共9种工况，测试和记录压缩机X、Y和Z方向的加速度最大值，详见图6。

图6 不同气压与加速度曲线

通过分析不同气压与加速度曲线得知，在空气弹簧隔振脚垫气压为 0.2 MPa 时，系统的振动加速度最小。换而言之，在空气弹簧隔振脚垫气压为 0.2 MPa 时的隔振效果最好。对应表示可见，0.2 MPa 时隔振脚垫静刚度为 32 N/mm。    

5.  纯橡胶脚垫结构设计和装机测试  

采用有限元软件Hyperwork和Abaqus进行建模和刚度计算，在不改变压缩机支架结构以及压缩机与管路位置关系的情况下，经过多次设计对比，最终确定高为 20 mm、直径为 23 mm，两条固定螺栓为直径 4 mm、长 10 mm 的M4×1.25的圆柱体纯橡胶脚垫,见图7。由图3测试装置测得，纯橡胶隔振脚垫的静刚度为 32.37/mm。

(a)结构示意图 (b)实物图

图7 纯橡胶脚垫结构图

橡胶脚垫的刚度值是否满足设计要求，需装配到压缩机系统中进行实验。将试制的4个纯橡胶脚垫分别固定于压缩机4个机脚上，测得的压缩机在X、Y和Z方向的振动加速度有效值分别 0.21 g、0.02 g 和 0.04 g。从数据看出，该款脚垫可以起到很好的减振效果，同时该数据与空气弹簧所测数据相差极小，验证了本匹配设计方法及测试结果的准确性。   

6.  结语  

文中开发设计了压缩机空气弹簧隔振脚垫力学性能匹配试验装置，可通过调节空气弹簧隔振脚垫的内部气压，进而改变其静刚度。将压缩机振动加速度最小时，空气弹簧隔振脚垫所对应的刚度值作为此压缩机的最优脚垫刚度，以设计纯橡胶脚垫结构。将制作的纯橡胶脚垫样件安装到压缩机系统并测试，通过振动加速度数据分析可知，X、Y和Z方向的振动加速度与安装空气弹簧脚垫时减振效果一直，说明本试验装置能有效用于压缩机隔振脚垫性能参数的快速匹配。

作者：秦太兴1，曾祥坤1*2*，岑维静2，曾潇钰2，曾锦彬1，高凯凯1

1.广东技术师范大学 汽车与交通工程学院

2.广东邦达实业有限公司