鹤岗市城乡建设局网站,公共频道18点新闻,医院网站设计怎么做,企业营销网站建设【摘要】本文运用有限元分析方法分析空调压缩机系统模态#xff0c;并通过分析引起振动的激励源#xff0c;找出压缩机支架和安装螺栓断裂的根本原因#xff0c;并根据分析提出了解决措施。关键词#xff1a;空调压缩机支架模态激励共振一、引言发动机轮系需要驱动的工作部… 【摘要】本文运用有限元分析方法分析空调压缩机系统模态并通过分析引起振动的激励源找出压缩机支架和安装螺栓断裂的根本原因并根据分析提出了解决措施。关键词空调压缩机支架模态激励共振一、引言发动机轮系需要驱动的工作部件一般包括水泵、发电机、空调压缩机、动力转向泵等这些工作部件以及布局需要的若干张紧轮、惰轮大多通过支架安装在发动机上。在轮系支架设计中首先需要进行静强度及动强度分析。静强度分析只需在支架上加载皮带张力及零件重力动强度则需根据发动机振动加速度加载惯性力(一般惯性力加速度取20倍重力加速度)。二、工程上遇到的问题在工程实际上通过静强度和动强度校核的支架在台架试验和整车耐久性试验中仍有不少发生了支架断裂安装螺栓断裂等零件失效其中空调压缩机支架或螺栓断裂最为频繁。下图1为某车型轮系中空调压缩机部分该车型空调压缩机支架和螺栓断裂频次很高。图1 某车型空调压缩机及支架系统图1中压缩机支架由上下两部分组成皮带的张力为450N压缩机重6.5kg。在有限元强度分析中加载的惯性力方向与皮带张力相同方向分析结果为上下两支架及螺栓均满足强度要求所以压缩机及支架系统很有可能在发动机某转速工作时发生共振导致支架和螺栓断裂。为证明猜测的正确性需要进行有限元系统模态分析及发动机和压缩机的激励分析。三、用ABAQUS进行系统模态分析图2是在ABAQUS中的系统模型由于压缩机上端固定在调节区域靠近固定电位置所以在模型中取消了其远端部分。下图左图显示将压缩机简化成质点该质点包含绕质心三方向转动惯量并通过耦合连接固定在上下支架上。右图显示整个系统约束调件与实际情况相同上支架约束住除旋转外的5个自由度下支架约束三个安装孔的所有自由度。模型中方向如图发动机前方为Y正方向发动机上方为Z正方向。图2 ABAQUS中压缩机支架系统的模型下表是前10阶模态数值结果表1 系统各阶模态值各阶次振型如下各图图3 系统1阶振型从对比图中看出1阶振型近似为沿Y方向的振动。图4 系统2阶振型2阶振型近似为绕X轴的扭振。图5 系统3阶振型3阶振型近似沿Z轴的振动。四、激励分析1、发动机激励本文研究对象为直列4缸4冲程发动机点火顺序为1、3、4、2。振动的基本力源有缸内气体压力曲轴离心惯性力活塞往复惯性力连杆扭摆惯性力。如果曲轴平衡块设计合理曲轴离心惯性力基本可以被抵消掉连杆扭摆惯性力很小在发动机振动分析中经常忽略活塞往复惯性力在单缸机中作用明显在曲轴前后端对称布置的四缸机中该惯性力及力矩互相抵消。所以产生振动的力源主要为缸内气体压力。缸内气体压力在沿气缸中心方向上是上下抵消但由于连杆并不是始终垂直与活塞所以在气缸侧面和曲轴上受到大小相等、方向相反的两个力形成一个力矩。容易证明这个力矩与发动机输出扭矩为相互作用力矩该力矩称为“倾覆力矩”是发动机振动的最主要的激励该激励的方向是绕曲轴轴线的扭转方向。激励的基频为由于四缸双冲程机每转一周点火两次所以需重点关注的激励为2阶激励和4阶激励。2、压缩机工作特性和激励分析当代汽车空调压缩机机主要有活塞式、旋叶式及涡旋式三种工作方式。活塞式压缩机也称斜盘式压缩机目前使用最广泛。其工作原理是在压缩机主轴上装有一个斜盘压缩机机身上均布3或5个活塞活塞两边都是气缸因而整个压缩机起到6或10缸的作用。活塞通过滑履与斜盘相连压缩机工作时斜盘转动带动活塞前后运动压缩气缸活塞及其连接部件运动时的惯性力为振动激励的根源。下面根据压缩机工作原理分析出活塞式压缩机激励。图6 4缸压缩机受力图 图7 6缸压缩机受力图分析时可先分析简单的4缸压缩机工作状况图6为假设的4缸机受力分析图(4缸机工作中振动激励大所以工程上不采用)。从上图中容易看出压缩机由于上下受到反方向的力从而受到前后方向的扭振压缩机每转动一周扭振循环一次所以4缸压缩机的1阶激励频率为。6缸压缩机振动原因与4缸机相同但由于6个缸按圆周分布会形成一边前后扭振一边绕转子中心旋转的振型。如图7所示左图为6缸的分布情况右图的三个粗向量代表三个活塞对压缩机的惯性力 向量旋转的速度等于压缩机转动速度所以6缸压缩机的1阶激励频率为通常还需要关注3阶激励频率。10缸压缩机原理同6缸压缩机1阶激励频率为还需要关注5阶激励频率。旋叶式压缩机工作原理是在圆形或椭圆形气缸内安装一个带有几个刮片的转子转子转动时在离心作用下刮片伸出碰到气缸壁将气缸分成几个隔腔。随着轴旋转隔腔体积发生变化从而进行吸气和压缩。根据工作原理分析出旋叶式压缩机激励主要为绕转子中心的扭转振动振动频率和刮片数有关刮片数为m的压缩机转速为n时激励频率为Hz。涡旋式压缩机工作原理是利用固定涡旋体(定片)与可动涡旋体(动片)的相对转动使密闭空间体积发生变化从而排出高压气体。涡旋式压缩机工作过程几乎可以看成是连续的所以它引起的振动激励也很小所以可以将涡旋式压缩机看作平稳工作的设备。根据对上述三类压缩机的分析总结出以下结论1、活塞式和旋叶式的压缩机振动激励需要考虑涡旋式压缩机激励可以忽略2、活塞式压缩机激励为前后扭振6缸机需关注的频率为和10缸机需关注的频率为和旋叶式压缩机激励为绕转子中心扭振当刮片数为m时需关注的频率为。五、共振分析1、发动机激励共振分析发动机工作转速在7506000r/m之间所以产生的2阶激励范围为25200Hz4阶激励范围为50400Hz。通过有限元分析计算出的压缩机系统前3阶的模态为130Hz、243 Hz、297 Hz(4阶以上模态较高可不用分析)其中3阶模态的振型与发动机激励相同。297Hz在发动机4阶激励范围内所以会发生发动机4阶激励共振共振转速为4455r/m考虑到计算误差40005000之间的发动机转速都属于危险转速。2、压缩机激励共振分析压缩机转速与发动机转速比一般在1.051.1之间本文根据实际设计取1.06传动比则压缩机的工作转速为7956360r/m。实际中采用的是10缸活塞式压缩机1阶激励在压缩机工作转速范围内对应的频率为13.3106Hz5阶激励为66.5530Hz。压缩机系统2阶振型与压缩机激励振型相同所以当压缩机5阶激励为243Hz时系统会发生共振此时压缩机转速为2916r/m对应的发动机转速为2751r/m。六、措施前文已经分析上述压缩机系统模态低(前3阶模态分别为130Hz、243 Hz、297 Hz)会在发动机4阶激励及压缩机5阶激励下产生共振造成较大的应力这是造成支架断裂及安装螺栓断裂的根本原因。解决问题需要从提高系统模态角度考虑有效途径是改变支架设计或安装方式。图8是采用“爪”式支架的压缩机系统图8 “爪”式支架的压缩机系统同样用ABAQUS软件对系统建模并进行有限元分析将压缩机简化成带转动惯量的质点通过耦合约束固定在支架三个支撑腿上并将支架的四个安装孔自由度约束。模型如图9所示。图9 ABAQUS中新压缩机支架系统的模型通过模态计算得到前6阶模态如下表表2 新系统各阶模态值从表中可以看出新支架组成的压缩机系统模态比原设计提高很多前3阶模态为444Hz、684Hz和1243Hz。前3阶振型图如下(4阶后模态较高此处不做分析)图10 新系统1阶振型1阶振型为绕Y轴的扭振图11 新系统2阶振型2阶振型沿X轴方向的振动。图12 新系统3阶振型3阶振型绕X轴的扭振。新系统的1阶振型与发动机激励方向相同但频率值444Hz已经高出发动机2阶激励范围所以发动机激励不会使系统发生共振新系统3阶振型与压缩机激励方向相同但1243Hz的频率值已远高于压缩机5阶激励也不会发生共振。结论本文针对某车型压缩机支架断裂和安装螺栓断裂问题运用ABAQUS软件进行系统模态分析并研究了空调压缩机系统受到的两个激励——发动机激励和压缩机激励找出了这两个激励的方向和频率从而找出了问题的根本原因是系统模态太低容易在某转速激励下发生共振造成的。最后提出了采用“爪”型支架的更改设计方案并继续通过系统模态分析证明新支架的有效性。当前轮系支架设计正在更改过程中尚未实施但“爪”型压缩机支架已经在另一款新车型上应用耐久试验中没有出现过支架断裂和螺栓断裂的故障。调查其它厂家车型大部分的汽车及几乎全部的轿车均采用了“爪”型支架这种设计不仅能解决零件及螺栓断裂问题还能有效降低附件产生的噪声。调节支架式压缩机系统已经很少采用工程师在设计时应尽量避免。参考文献张义民 机械振动 清华大学出版社 2007年1、陈孟湘 汽车空调——原理、结构、安装、维修 上海交通大学出版社 20012、朱孟华 内燃机振动与噪声控制 国防工业出版社 1995往期相关推荐干货│基于ABAQUS的橡胶悬置胶合件刚度仿真计算基于MATLABISIGHT的悬置系统敏感性分析优化方法及约束条件对悬置系统优化结果的影响研究基于ADAMS的悬置系统设计视频课程推介
