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1、汽车汽车空调压缩机支架模态及动刚度空调压缩机支架模态及动刚度分析分析 李 XX 梁 XX 刘 X 1 1 分析目的分析目的 1.11.1 模态分析模态分析 汽车空调是汽车电器设备重要组成部件之一，是实现车内空气制冷、加热、换气和空气净化的装置，它可以为驾乘人员提供舒适的乘车环境，降低驾驶员疲劳，提高行车安全，空调已成为衡量汽车功能是否齐全的标志之一。 随着汽车工业的发展， 汽车空调及其零部件也得到了飞速的发展， 汽车空调安装在车身上的安装支撑装置（空调安装支架）具有举足轻重的作用。空调安装支架在 A/C OFF 时，主要到汽车发动机为震源传递的振动；空调安装支架在 A/C ON 时，不仅受到发
2、动机为震源传递的振动， 还有空调压缩机以及鼓风机带来的振动， 此时这些震源产生的振动与空调安装支架的系统频率（固有频率）是否会产生共振就成为我们关注的目标，共振是指系统受外界激励，做强迫振动时，若外界的激励频率接近于系统频率时，强迫振动的振幅可能会达到非常大的值， 一般情况下共振是有害的， 机械结构会产生较大的应力和变形， 从而造成严重损坏。 在整个汽车构造中， 以四缸机为例， 汽车发动机的频率其怠速频率即发动机二阶怠速频率的激励对整车贡献的能量最大，其转速约为 750rpm850rpm 根据公式发动机频率 Fz 其中 n 为发动机转速，Z 为发动机缸数， 为冲程系数 换算成频率约为 25Hz
3、28Hz，一般空调压缩机及鼓风机的各个档位（一般四档位）频率为30100Hz，因此空调安装支架应当避开这些频率范围才能长期稳定有效安全的工作。 1.21.2 主要安装点动刚度分析主要安装点动刚度分析 动刚度是动载荷下抵抗变形的能力，动刚度不足将对该支架疲劳寿命和整车乘坐舒适性产生非常不利的影响。汽车在行驶过程中，会受到各种各样的动载荷的作用，当动载荷与该支架的动力学特性接近时， 即动载荷的某分量与该支架的某阶模态的固有频率相近时， 将可能引发结构共振产生较高的动应力，导致该支架的疲劳破坏，通过动刚度分析，可以较早的预测结构动态设计的不足，如果发现问题在开发的早期，可以很容易的修改结构，如若在后
4、期发现问题，则结构的修改空间很小。所以在支架开发过程中，进行车身的动刚度分析是非常有必要的。在此我们引用Mobility，Mobility 主要对系统中的中、高频的振动、噪声传递性能进行考察，是在单位力作用下，作用点沿力作用方向的速度随力作用频率的变化，它反映了零部件的局部动态刚度特性: 单自由度系统，系统微分方程为：m c kx F 假设方程的解是简谐运动: x =x 0e jt x 0为复常数 得到系统频域方程： (mjc k)x F0 动刚度kd: kd= F /x =F0 /x 0=mjc k 因为: v = =j x 所以有 M= v/F= j x/F= j/kd 图1 所示为动刚度
5、和mobility 的关系曲线图。 2 2 分析过程分析过程 2.12.1 模态分析模态分析 根据已建立好的 CAD 模型， 利用 Hyperworks 软件建立 FE 网格模型， 网格单元主要采用四面体 solid 实体建模，单元尺寸 2mm，阶次为一阶四面体，网格单元共计 165440 个，主要材料属性采用汽车常用空调材料，其弹性模量 E=3000Mpa 泊松比 Nu=0.33 密度RHO=1.1E-09T/mm3 ，进行自由模态分析，FE 模型如图所示； 图 FE 模型 2.2.1.11.1 分析结果分析结果 阶次阶次 频率频率 阵型说明阵型说明 一阶一阶 348.30Hz 弯曲模态 二
6、阶二阶 577.70Hz 扭转模态 分析结果显示该空调安装支架，一阶频率为 348.30Hz 主要阵型为弯曲模态，二阶为577.70Hz 主要阵型为扭转模态， 其结果远远大于发动机二阶怠速频率及空调压缩机和鼓风机频率，满足分析目的要求，其阵型图如下图所示； 一阶 348.30Hz 弯曲模态 二阶 577.70Hz 扭转模态 2.22.2 动刚度分析动刚度分析 原点动刚度分析激励点与响应点为同一坐标点，在相关的激励点位置施加 1N 的单位力，结构阻尼比为 0.05，输出速度与频率坐标 mobility 曲线； 车身主要安装点的动刚度分析需要用到的模型文件有： （1） 安装支架有限元模型文件（*.
7、bdf 文件）； （2） 安装支架的模态计算结果文件（*.op2 文件），频率范围为 0800Hz。 （3） 动刚度目标值400N/mm 主要安装点动刚度分析如下图所示： 动刚度分析 FE 模型 2.22.2.1.1 分析结果分析结果 计算分析结果处第安装点 Z 向动刚度在 1/3 倍频程中心频率 250Hz、315Hz、400Hz 第 安装点动刚度在 1/3 倍频程中心频率 500Hz 及 600Hz 下动刚度值远小于目标值 400N/mm 外，其余各点方各向均满足目标要求，如下表所示； 1/3 倍频程中心倍频程中心频率频率 Hz 50 63 80 100 125 160 200 250 3
8、15 400 500 630 01 X 1970 1950 1930 1900 1840 1740 1580 1290 720 2500 2640 2880 Y 2250 2240 2220 2200 2150 2070 1950 1720 1200 3110 1400 2310 Z 520 520 510 500 480 450 390 310 150 310 2110 1110 02 X 2420 2400 2360 2310 2220 2060 1820 1400 690 1460 690 1460 Y 6670 6740 6720 6660 6590 6440 6200 5750 45
9、80 7820 5010 4230 Z 1420 1410 1390 1370 1340 1260 1150 950 540 2190 1500 980 03 X 4460 4430 4390 4320 4200 4000 3660 3050 1770 5660 9460 10110 Y 6840 6820 6790 6510 6260 6510 6260 5730 4250 14700 8830 8160 Z 640 640 630 630 620 600 580 540 470 450 280 180 为了直观的分析 0800Hz 范围内每一频率下对应的动刚度值，我们采用曲线表示，并增加
10、400N/mm 目标值曲线，如下图所示; 总结总结 1. 根据以上分析该空调安装支架模态一阶频率为 348.30Hz，远大于发动机怠速频率 28Hz 以及空调压缩机最大频率 100Hz，满足设计要求; 2. 该空调安装支架主要安装点动刚度基本满足目标值400N/mm 目标要求。 好 差 差 差 差 好 好 参考文献：1. MSC Nastran 2007 r1 Quick Reference Guide 2. 庞剑，谌刚，何华汽车噪声与振动-理论与应用M.北京：北京理工大学出版社.2006.6 3. 李楚琳,张胜兰，冯樱，杨朝阳hyperworks 分析实例与应用 机械工业出版社 2008.7 4
