【摘要】本文運(yùn)用有限元分析方法分析空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)模態(tài)，并通過(guò)分析引起振動(dòng)的激勵(lì)源，找出壓縮機(jī)支架和安裝螺栓斷裂的根本原因，并根據(jù)分析提出了解決措施。關(guān)鍵詞：空調(diào)壓縮機(jī)支架模態(tài)激勵(lì)共振一、引言發(fā)動(dòng)機(jī)輪系需要驅(qū)動(dòng)的工作部件一般包括水泵、發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵等，這些工作部件以及布局需要的若干張緊輪、惰輪大多通過(guò)支架安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上。在輪系支架設(shè)計(jì)中，首先需要進(jìn)行靜強(qiáng)度及動(dòng)強(qiáng)度分析。靜強(qiáng)度分析只需在支架上加載皮帶張力及零件重力，動(dòng)強(qiáng)度則需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)加速度加載慣性力(一般慣性力加速度取20倍重力加速度)。二、工程上遇到的問(wèn)題在工程實(shí)際上，通過(guò)靜強(qiáng)度和動(dòng)強(qiáng)度校核的支架在臺(tái)架試驗(yàn)和整車耐久性試驗(yàn)中仍有不少發(fā)生了支架斷裂，安裝螺栓斷裂等零件失效，其中空調(diào)壓縮機(jī)支架或螺栓斷裂最為頻繁。下圖1為某車型輪系中空調(diào)壓縮機(jī)部分，該車型空調(diào)壓縮機(jī)支架和螺栓斷裂頻次很高。圖1 某車型空調(diào)壓縮機(jī)及支架系統(tǒng)圖1中，壓縮機(jī)支架由上下兩部分組成，皮帶的張力為450N，壓縮機(jī)重6.5kg。在有限元強(qiáng)度分析中，加載的慣性力方向與皮帶張力相同方向，分析結(jié)果為上下兩支架及螺栓均滿足強(qiáng)度要求，所以壓縮機(jī)及支架系統(tǒng)很有可能在發(fā)動(dòng)機(jī)某轉(zhuǎn)速工作時(shí)發(fā)生共振，導(dǎo)致支架和螺栓斷裂。為證明猜測(cè)的正確性，需要進(jìn)行有限元系統(tǒng)模態(tài)分析及發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)的激勵(lì)分析。三、用ABAQUS進(jìn)行系統(tǒng)模態(tài)分析圖2是在ABAQUS中的系統(tǒng)模型，由于壓縮機(jī)上端固定在調(diào)節(jié)區(qū)域靠近固定電位置，所以在模型中取消了其遠(yuǎn)端部分。下圖左圖顯示將壓縮機(jī)簡(jiǎn)化成質(zhì)點(diǎn)，該質(zhì)點(diǎn)包含繞質(zhì)心三方向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并通過(guò)耦合連接固定在上下支架上。右圖顯示整個(gè)系統(tǒng)約束調(diào)件，與實(shí)際情況相同，上支架約束住除旋轉(zhuǎn)外的5個(gè)自由度，下支架約束三個(gè)安裝孔的所有自由度。模型中方向如圖，發(fā)動(dòng)機(jī)前方為Y正方向，發(fā)動(dòng)機(jī)上方為Z正方向。圖2 ABAQUS中壓縮機(jī)支架系統(tǒng)的模型下表是前10階模態(tài)數(shù)值結(jié)果，表1 系統(tǒng)各階模態(tài)值各階次振型如下各圖，圖3 系統(tǒng)1階振型從對(duì)比圖中看出，1階振型近似為沿Y方向的振動(dòng)。圖4 系統(tǒng)2階振型2階振型近似為繞X軸的扭振。圖5 系統(tǒng)3階振型3階振型近似沿Z軸的振動(dòng)。四、激勵(lì)分析1、發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)本文研究對(duì)象為直列4缸4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)火順序?yàn)?、3、4、2。振動(dòng)的基本力源有：缸內(nèi)氣體壓力；曲軸離心慣性力；活塞往復(fù)慣性力；連桿扭擺慣性力。如果曲軸平衡塊設(shè)計(jì)合理，曲軸離心慣性力基本可以被抵消掉；連桿扭擺慣性力很小，在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)分析中經(jīng)常忽略；活塞往復(fù)慣性力在單缸機(jī)中作用明顯，在曲軸前后端對(duì)稱布置的四缸機(jī)中，該慣性力及力矩互相抵消。所以產(chǎn)生振動(dòng)的力源主要為缸內(nèi)氣體壓力。缸內(nèi)氣體壓力在沿氣缸中心方向上是上下抵消，但由于連桿并不是始終垂直與活塞，所以在氣缸側(cè)面和曲軸上受到大小相等、方向相反的兩個(gè)力，形成一個(gè)力矩。容易證明這個(gè)力矩與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩為相互作用力矩，該力矩稱為“傾覆力矩”，是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的最主要的激勵(lì)，該激勵(lì)的方向是繞曲軸軸線的扭轉(zhuǎn)方向。激勵(lì)的基頻為，由于四缸雙沖程機(jī)每轉(zhuǎn)一周點(diǎn)火兩次，所以需重點(diǎn)關(guān)注的激勵(lì)為2階激勵(lì)和4階激勵(lì)。2、壓縮機(jī)工作特性和激勵(lì)分析當(dāng)代汽車空調(diào)壓縮機(jī)機(jī)主要有：活塞式、旋葉式及渦旋式三種工作方式?；钊綁嚎s機(jī)也稱斜盤(pán)式壓縮機(jī)，目前使用最廣泛。其工作原理是：在壓縮機(jī)主軸上裝有一個(gè)斜盤(pán)，壓縮機(jī)機(jī)身上均布3或5個(gè)活塞，活塞兩邊都是氣缸，因而整個(gè)壓縮機(jī)起到6或10缸的作用?；钊ㄟ^(guò)滑履與斜盤(pán)相連，壓縮機(jī)工作時(shí)，斜盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)活塞前后運(yùn)動(dòng)壓縮氣缸，活塞及其連接部件運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力為振動(dòng)激勵(lì)的根源。下面根據(jù)壓縮機(jī)工作原理，分析出活塞式壓縮機(jī)激勵(lì)。圖6 4缸壓縮機(jī)受力圖? ? ? ? ??

圖7 ? 6缸壓縮機(jī)受力圖分析時(shí)可先分析簡(jiǎn)單的4缸壓縮機(jī)工作狀況，圖6為假設(shè)的4缸機(jī)受力分析圖(4缸機(jī)工作中振動(dòng)激勵(lì)大，所以工程上不采用)。從上圖中容易看出壓縮機(jī)由于上下受到反方向的力從而受到前后方向的扭振，壓縮機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，扭振循環(huán)一次，所以4缸壓縮機(jī)的1階激勵(lì)頻率為。6缸壓縮機(jī)振動(dòng)原因與4缸機(jī)相同，但由于6個(gè)缸按圓周分布，會(huì)形成一邊前后扭振一邊繞轉(zhuǎn)子中心旋轉(zhuǎn)的振型。如圖7所示，左圖為6缸的分布情況，右圖的三個(gè)粗向量代表三個(gè)活塞對(duì)壓縮機(jī)的慣性力， 向量旋轉(zhuǎn)的速度等于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，所以6缸壓縮機(jī)的1階激勵(lì)頻率為，通常還需要關(guān)注3階激勵(lì)頻率。10缸壓縮機(jī)原理同6缸壓縮機(jī)，1階激勵(lì)頻率為，還需要關(guān)注5階激勵(lì)頻率。旋葉式壓縮機(jī)工作原理是：在圓形或橢圓形氣缸內(nèi)安裝一個(gè)帶有幾個(gè)刮片的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在離心作用下刮片伸出碰到氣缸壁，將氣缸分成幾個(gè)隔腔。隨著軸旋轉(zhuǎn)，隔腔體積發(fā)生變化從而進(jìn)行吸氣和壓縮。根據(jù)工作原理，分析出旋葉式壓縮機(jī)激勵(lì)主要為繞轉(zhuǎn)子中心的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，振動(dòng)頻率和刮片數(shù)有關(guān)，刮片數(shù)為m的壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)速為n時(shí)激勵(lì)頻率為Hz。渦旋式壓縮機(jī)工作原理是：利用固定渦旋體(定片)與可動(dòng)渦旋體(動(dòng)片)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使密閉空間體積發(fā)生變化，從而排出高壓氣體。渦旋式壓縮機(jī)工作過(guò)程幾乎可以看成是連續(xù)的，所以它引起的振動(dòng)激勵(lì)也很小，所以可以將渦旋式壓縮機(jī)看作平穩(wěn)工作的設(shè)備。根據(jù)對(duì)上述三類壓縮機(jī)的分析，總結(jié)出以下結(jié)論：1、活塞式和旋葉式的壓縮機(jī)振動(dòng)激勵(lì)需要考慮，渦旋式壓縮機(jī)激勵(lì)可以忽略；2、活塞式壓縮機(jī)激勵(lì)為前后扭振，6缸機(jī)需關(guān)注的頻率為和，10缸機(jī)需關(guān)注的頻率為和；旋葉式壓縮機(jī)激勵(lì)為繞轉(zhuǎn)子中心扭振，當(dāng)刮片數(shù)為m時(shí)，需關(guān)注的頻率為。五、共振分析1、發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)共振分析發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速在750～6000r/m之間，所以產(chǎn)生的2階激勵(lì)范圍為25～200Hz，4階激勵(lì)范圍為50～400Hz。通過(guò)有限元分析計(jì)算出的壓縮機(jī)系統(tǒng)前3階的模態(tài)為130Hz、243 Hz、297 Hz(4階以上模態(tài)較高，可不用分析)，其中3階模態(tài)的振型與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)相同。297Hz在發(fā)動(dòng)機(jī)4階激勵(lì)范圍內(nèi)，所以會(huì)發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)4階激勵(lì)共振，共振轉(zhuǎn)速為4455r/m，考慮到計(jì)算誤差，4000～5000之間的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速都屬于危險(xiǎn)轉(zhuǎn)速。2、壓縮機(jī)激勵(lì)共振分析壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比一般在1.05～1.1之間，本文根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)取1.06傳動(dòng)比，則壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為795～6360r/m。實(shí)際中采用的是10缸活塞式壓縮機(jī)，1階激勵(lì)在壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的頻率為13.3～106Hz，5階激勵(lì)為66.5～530Hz。壓縮機(jī)系統(tǒng)2階振型與壓縮機(jī)激勵(lì)振型相同，所以當(dāng)壓縮機(jī)5階激勵(lì)為243Hz時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生共振，此時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為2916r/m，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2751r/m。六、措施前文已經(jīng)分析，上述壓縮機(jī)系統(tǒng)模態(tài)低(前3階模態(tài)分別為130Hz、243 Hz、297 Hz)，會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)4階激勵(lì)及壓縮機(jī)5階激勵(lì)下產(chǎn)生共振，造成較大的應(yīng)力，這是造成支架斷裂及安裝螺栓斷裂的根本原因。解決問(wèn)題需要從提高系統(tǒng)模態(tài)角度考慮，有效途徑是改變支架設(shè)計(jì)或安裝方式。圖8是采用“爪”式支架的壓縮機(jī)系統(tǒng)：圖8 “爪”式支架的壓縮機(jī)系統(tǒng)同樣用ABAQUS軟件對(duì)系統(tǒng)建模，并進(jìn)行有限元分析，將壓縮機(jī)簡(jiǎn)化成帶轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的質(zhì)點(diǎn)，通過(guò)耦合約束固定在支架三個(gè)支撐腿上，并將支架的四個(gè)安裝孔自由度約束。模型如圖9所示。圖9 ABAQUS中新壓縮機(jī)支架系統(tǒng)的模型通過(guò)模態(tài)計(jì)算，得到前6階模態(tài)如下表：表2 新系統(tǒng)各階模態(tài)值從表中可以看出新支架組成的壓縮機(jī)系統(tǒng)模態(tài)比原設(shè)計(jì)提高很多，前3階模態(tài)為444Hz、684Hz和1243Hz。前3階振型圖如下(4階后模態(tài)較高，此處不做分析)：圖10 新系統(tǒng)1階振型1階振型，為繞Y軸的扭振圖11 新系統(tǒng)2階振型2階振型，沿X軸方向的振動(dòng)。圖12 新系統(tǒng)3階振型3階振型，繞X軸的扭振。新系統(tǒng)的1階振型與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)方向相同，但頻率值444Hz已經(jīng)高出發(fā)動(dòng)機(jī)2階激勵(lì)范圍，所以發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)不會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生共振；新系統(tǒng)3階振型與壓縮機(jī)激勵(lì)方向相同，但1243Hz的頻率值已遠(yuǎn)高于壓縮機(jī)5階激勵(lì)，也不會(huì)發(fā)生共振。結(jié)論本文針對(duì)某車型壓縮機(jī)支架斷裂和安裝螺栓斷裂問(wèn)題，運(yùn)用ABAQUS軟件進(jìn)行系統(tǒng)模態(tài)分析，并研究了空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)受到的兩個(gè)激勵(lì)——發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)和壓縮機(jī)激勵(lì)，找出了這兩個(gè)激勵(lì)的方向和頻率，從而找出了問(wèn)題的根本原因是系統(tǒng)模態(tài)太低，容易在某轉(zhuǎn)速激勵(lì)下發(fā)生共振造成的。最后提出了采用“爪”型支架的更改設(shè)計(jì)方案，并繼續(xù)通過(guò)系統(tǒng)模態(tài)分析證明新支架的有效性。當(dāng)前輪系支架設(shè)計(jì)正在更改過(guò)程中，尚未實(shí)施，但“爪”型壓縮機(jī)支架已經(jīng)在另一款新車型上應(yīng)用，耐久試驗(yàn)中沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)支架斷裂和螺栓斷裂的故障。調(diào)查其它廠家車型，大部分的汽車及幾乎全部的轎車均采用了“爪”型支架，這種設(shè)計(jì)不僅能解決零件及螺栓斷裂問(wèn)題，還能有效降低附件產(chǎn)生的噪聲。調(diào)節(jié)支架式壓縮機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)很少采用，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免。參考文獻(xiàn)張義民 機(jī)械振動(dòng) 清華大學(xué)出版社 2007年1、陳孟湘 汽車空調(diào)——原理、結(jié)構(gòu)、安裝、維修 上海交通大學(xué)出版社 20012、朱孟華 內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)與噪聲控制 國(guó)防工業(yè)出版社 1995往期相關(guān)推薦干貨│基于ABAQUS的橡膠懸置膠合件剛度仿真計(jì)算基于MATLAB+ISIGHT的懸置系統(tǒng)敏感性分析優(yōu)化方法及約束條件對(duì)懸置系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果的影響研究基于ADAMS的懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)視頻課程推介

總結(jié)

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