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电动车空调压缩机支架模态分析及优化

发布于：2022-08-30 15:08:30 来自：电气工程/成套电气设备 0 5 [复制转发]

知识点：电动空调压缩机

汽车电动化已是大势所趋，一些国家先后提出了禁售传统燃油车的时间表，越来越多的车企开始进行纯电动车研发。由于纯电动车没有了传统的发动机，这对NVH性能提出了更高的要求。传统空调压缩机是由发动机皮带轮带动机械结构，其通过支架固定到发动机上，主要考虑避开发动机一阶频率，避免共振。纯电动车空调压缩机采用高压电控制电机工作，压缩机在整个转速范围内应避免与整个电驱单元产生共振，否则会导致噪声的产生从而引起客户抱怨，同时共振会影响压缩机支架寿命，引起断裂的失效。故合理地设计压缩机支撑系统，避免发生共振是首先要解决的问题。

1 模态指标定义

空调压缩机最大转速为6 000 r／rain，压缩机有3阶激励，故激励频率为300 Hz。根据机械共振理论，空调压缩机支架固定系统一阶固有频率应大于300 Hz才能避免共振，空调压缩机激励频率可表示为

式中，为激励频率；r为转速；几为阶次。

2 CAE分析信息

空调压缩机通过压缩机支架及螺栓固定到电驱动单元(DU)壳体上，如图1所示，模态分析针对压缩机、支架及DU组成的系统进行建模及评估，通过ABAQUS软件进行有限元分析。

输入信息包括材料参数，如表1所示。其他输入信息包括空调压缩机质量、质心转动惯量、DU质量等数据，采用自由模态进行分析。

3 模态分析及优化过程

对初版方案进行仿真分析，结果如图2和图3所示：一阶模态为138．3 Hz，二阶模态为193．2 Hz，不满足模态大于300 Hz的要求。

从固有频率原理角度分析，物体固有频率计算方法为

式中：4为固有频率；k为刚度；m为质量。提高固有频率可以通过增加刚度及降低质量来实现。

分析原方案模态低的原因如下：压缩机支架由3个螺栓固定在DU减速器壳体上(见图4)；空调压缩机质心明显偏离3个固定点组成的三角形区域；支架上端悬空无固定点支撑；刚度差。改进措施：调整空调压缩机质心位置。调整空调压缩机的布置需要满足整车布置间隙及碰撞安全要求，确定压缩机位置后，再调整支架左侧两个固定支撑点的位置，调整后的位置如图5所示，质心位于支架固定点组成的三角区域内。同时，由于质心的下移，压缩机的固定点更靠近支架固定点，使得支架整体质量减少144 g，进一步提高了模态。

对改进后的方案进行仿真分析，结果如图6及图7所示：一阶模态为260．1 Hz，二阶模态为305．1 Hz。相比第一版计算，一阶模态由138．3 Hz提高到260．1 Hz，提高比例为88％，显然，质心位置对模态影响很大。质心的调整，一方面提升了刚度，另一方面减少了质量，仿真结果与理论相符。但为满足模态大于300 Hz的要求，还需做进一步优化。

下面从其他方面进行改善：

缩小空调压缩机质心到DU减速器端面的距离，如图8所示。支架固定BOSS柱缩短长度，有利于刚度提高。考虑到布置问题，按缩小5 mm进行评估。仿真计算得到的结果如图9及图10所示，一阶模态增加到267．51 Hz。故在一定范围内，尽量缩小压缩机质心到DU壳体的距离，对模态的提高有一定作用。

通过增加固定点及对固定点分布进行优化，在原支架3个固定点的基础上增加2个固定点，由于空间布置的限制，可行的固定点分布如图11所示。根据初步评估，得到9组固定点的组合，其中124组合为第二版方案的固定点，通过仿真分析，得到的结果如表2所示。从结果来看，3个固定点的3组方案均不满足模态要求；在4个固定点的5组方案中，只有1245组合的一阶模态达到305．2 Hz；5个固定点方案一阶模态为306．6 Hz，较4个固定点方案增加1．4 Hz，因此4个固定点可以满足要求。