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新能源電動(dòng)壓縮機(jī)NVH和殼體結(jié)構(gòu)的相關(guān)性

2020-10-09 14:16:32·  來源：汽車熱管理之家  作者：張恩祖  
　
摘要：本文重點(diǎn)討論的是新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的核心部件電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)的NVH性能與殼體結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，探討始何優(yōu)化殼體結(jié)構(gòu)改善壓縮機(jī)的NVH性能。前言隨著國(guó)家對(duì)新
摘要：本文重點(diǎn)討論的是新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的核心部件——電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)的NVH性能與殼體結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，探討始何優(yōu)化殼體結(jié)構(gòu)改善壓縮機(jī)的NVH性能。
 
前言
隨著國(guó)家對(duì)新能源汽車的重視，新能源汽車在國(guó)內(nèi)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。同時(shí)與其相關(guān)的零部件也得到了良好的發(fā)展。但是隨著競(jìng)爭(zhēng)的加劇和國(guó)家對(duì)新能源車的要求提高，新能源汽車的零部件也需要跟上發(fā)展的步伐。本文討論的電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)是新能源車中舒適性要求的最核心功能件。而舒適性要求中最難解決和最直接的感受就是NVH。這也是長(zhǎng)期困擾業(yè)界的難點(diǎn)之一。
 
1 電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)主要結(jié)構(gòu)及NVH的影響因素 
電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)NVH的影響因素極多，常見的有渦旋結(jié)構(gòu)問題，整機(jī)配重問題，制造精度問題，電機(jī)設(shè)計(jì)問題，驅(qū)動(dòng)器的問題，壓縮機(jī)殼體設(shè)計(jì)問題等。而壓縮機(jī)的殼體設(shè)計(jì)問題業(yè)界普遍關(guān)心較少。這主要是因?yàn)閲?guó)內(nèi)殼體的設(shè)計(jì)多數(shù)參考國(guó)外的一些同類型產(chǎn)品。而殼體與汽車連接部份又主要取決于主機(jī)廠。國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)的殼體外形可設(shè)計(jì)的自由度相對(duì)較少。當(dāng)然也有部份企業(yè)還未研究到這一步也是導(dǎo)致目前在行業(yè)內(nèi)未形成殼體設(shè)計(jì)與NVH相關(guān)性研究的原因之一。
 
電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)殼體與壓縮機(jī)其它部件的關(guān)系如下，此結(jié)構(gòu)是典型的電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，因此不再對(duì)具體的結(jié)構(gòu)原理作描述。
 
圖1
如上圖所示，壓縮機(jī)的殼體共有三部份組成：排氣殼體（主要是組成壓縮機(jī)排氣通道及接口），機(jī)體殼體（主要是組成壓縮機(jī)的渦盤、渦盤支承座、電機(jī)等核心部件的外殼結(jié)構(gòu)），驅(qū)動(dòng)器殼體（主要是形成電器的驅(qū)動(dòng)器以及對(duì)外高壓、通信接口的外殼結(jié)構(gòu)）。下文將針對(duì)這3個(gè)關(guān)鍵部分進(jìn)行展開分析。
 
2 排氣殼體與NVH的關(guān)系
排氣殼體是壓縮機(jī)高壓氣體排出的主要通道結(jié)構(gòu)，在NVH中體現(xiàn)為排氣脈動(dòng)、氣流嘯叫等，為了進(jìn)一步的優(yōu)化其NVH性能，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過幾處優(yōu)化后可明顯提高其壓縮機(jī)的NVH性能。
 
2.1 排氣殼體中渦盤體排出氣體緩沖腔
緩沖需要具備足夠的容積，以保證氣體具有足夠的緩沖空間對(duì)渦旋體排出的氣體進(jìn)行緩沖并均勻排出，使排氣脈動(dòng)平穩(wěn)，排氣NVH優(yōu)秀。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能的保持渦盤排出口正對(duì)位置具有較大的空間，使渦盤體噴出的高壓、高速氣體能得到緩沖降噪。一般設(shè)計(jì)時(shí)其渦盤排出口與殼體內(nèi)壁距離大于渦盤體排出口直徑的2倍以上。渦盤體緩沖腔的容積一般按渦盤體的排量（每轉(zhuǎn)排量）10倍以上進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)然為了避免氣體的頻率放大。一般都會(huì)將容積腔的形狀做一些非對(duì)稱、非規(guī)則（如整圓形或方形等規(guī)則形狀）的改變，也會(huì)將容積量與渦盤體排量做非整數(shù)倍的設(shè)計(jì)。
 
2.2 排氣殼體中排氣口直徑設(shè)計(jì)
這時(shí)所述的壓縮機(jī)排氣口指的不是與汽車空調(diào)管連接的排氣口直徑，而是指的是壓縮機(jī)排氣殼體向外排出的最小口徑處的直徑。該排氣口直徑如果設(shè)計(jì)過大，不但不利于壓縮機(jī)的油氣分離。同時(shí)也不利于壓縮機(jī)的排氣脈動(dòng)。一般將其排氣直徑小于渦盤體的排氣口直徑，以利于渦盤體排出氣體在排出殼體的緩沖腔內(nèi)充分平穩(wěn)壓力及紊流狀態(tài)。
 
2.3 排氣殼體的強(qiáng)度及其它影響NVH的因素
排氣殼體作為本壓縮機(jī)中氣體壓力最高的部件，其必須具備足夠的強(qiáng)度。同時(shí)足夠的強(qiáng)度也是保證NVH的首要條件之一。影響排氣殼體NVH還有其它細(xì)節(jié)，如在氣體通過地方應(yīng)盡可能避免有尖角或單個(gè)突出部份的設(shè)計(jì)等。
設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)例如下：
 
圖2
3 驅(qū)動(dòng)器殼體與NVH的關(guān)系
驅(qū)動(dòng)殼體的設(shè)計(jì)要盡可能降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)以及驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行電磁聲，為此將驅(qū)動(dòng)器殼體從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)從而提高壓縮機(jī)的NVH性能。

3.1 驅(qū)動(dòng)器殼體的形狀
驅(qū)動(dòng)器殼體形狀是影響整這一區(qū)域NVH最主要的原因，也是最容易忽略的因素。因?yàn)榇藲んw對(duì)強(qiáng)度沒有要求，且面積大，要求的空間也大，容易被設(shè)計(jì)成一個(gè)溥壁的殼件，形成一個(gè)類同于音箱一樣的空腔，這樣的空腔易對(duì)驅(qū)動(dòng)器的NVH以及電機(jī)的NVH形成放大效應(yīng)。使得壓縮機(jī)的整體NVH增高。一般在此殼體的內(nèi)外均有意設(shè)計(jì)一些加強(qiáng)筋、凹凸點(diǎn)等，以避免形成音箱效應(yīng)，在設(shè)計(jì)允許的情況下，將殼體設(shè)計(jì)成異形是最佳的選擇。如下例：
 
圖3
3.2 驅(qū)動(dòng)器殼與機(jī)體外殼之間的聯(lián)接
為了保證驅(qū)動(dòng)器殼與機(jī)體外殼之間的密封，一般都采用橡膠件進(jìn)行密封。而橡膠件隔離了兩個(gè)殼體，也就是說驅(qū)動(dòng)器殼容易懸空形成振動(dòng)源。為了避免這種情況，在設(shè)計(jì)除考慮殼體間的密封外，還需要考慮兩殼體之間聯(lián)接穩(wěn)定性的問題。

4 機(jī)體殼體與NVH的關(guān)系
機(jī)體部份是壓縮機(jī)低頻噪音的主要來源點(diǎn)，也是壓縮機(jī)進(jìn)氣通道以及電機(jī)裝配的主要結(jié)構(gòu)，此部份設(shè)計(jì)主要是降低電機(jī)的振動(dòng)、減小氣流的嘯叫等，應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：

4.1 渦盤體部分的機(jī)體殼體部份
渦盤是壓縮機(jī)的氣體壓縮機(jī)完成體，是壓縮機(jī)功能的主體，也是壓縮機(jī)低頻振動(dòng)源主要發(fā)生點(diǎn)。針對(duì)這一部份，我們考慮最多的是強(qiáng)度和功能實(shí)現(xiàn)。很容易忽略NVH的形成點(diǎn)。在此部份設(shè)計(jì)時(shí)，要保證殼體臺(tái)階過渡的平緩性。殼體形狀的突變點(diǎn)容易使NVH放大并對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。同時(shí)也要盡可能的減小此部位的空腔部位防止形成音箱效應(yīng)。
 
圖4
 
圖5
4.2 電動(dòng)機(jī)部份的機(jī)體殼體部位
此部份是壓縮機(jī)重量最重的部份，同時(shí)也是高頻振動(dòng)源發(fā)生的主要發(fā)生點(diǎn)。同理，針對(duì)此部份除強(qiáng)度外。與電動(dòng)機(jī)配合部位的設(shè)計(jì)也非常重要。電機(jī)在運(yùn)行過程中，受到驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)頻率影響，電機(jī)極對(duì)數(shù)的影響。電機(jī)軸承等諸多因素。所以此部位的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，是我們NVH設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵部位。a.與電機(jī)的配合設(shè)計(jì)：應(yīng)盡可能的加大電機(jī)的外圓與殼體配合面積。配合面積越大，越容易抑制電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)放大。b.電機(jī)外圍吸氣通道的設(shè)計(jì)：電機(jī)的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)容易設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)的通道，給吸氣造成阻力的同時(shí)，更易使吸氣產(chǎn)生較大的脈動(dòng)和嘯叫。所以吸氣通道要盡可能設(shè)計(jì)得大，通暢。但此項(xiàng)又同電機(jī)的配合面積形成沖突，所以需要綜合評(píng)判或另取設(shè)計(jì)方法。此外，在設(shè)計(jì)吸氣通道時(shí)會(huì)有意的設(shè)計(jì)部份凹凸形狀也是為了避免形成音箱效應(yīng)的主要技巧。c.部份電機(jī)為了得到更大的效率，會(huì)在電機(jī)的外圓上增加各種形狀的隔磁槽。在遇到此類電機(jī)時(shí)，應(yīng)盡可能將吸氣通道與隔磁槽對(duì)正。一方面可避免隔磁槽與殼體之間形成細(xì)小通道，形成氣體的嘯叫。同時(shí)避免磁場(chǎng)的突變?cè)诖颂幮纬晒舱窕虍a(chǎn)生放大效應(yīng)。d.壁厚的均勻性設(shè)計(jì)，壓縮機(jī)的此處部份正好是低壓區(qū)同渦盤體區(qū)域的連接部位，易設(shè)計(jì)成壁厚不同的區(qū)域。而經(jīng)過實(shí)踐證明，渦盤體是主要的低頻振動(dòng)源，電機(jī)是主要的高頻振動(dòng)源，電機(jī)轉(zhuǎn)子也同樣是振動(dòng)源之一。故此處的壓縮機(jī)強(qiáng)度要求基本是一致的。設(shè)計(jì)需將壁厚設(shè)計(jì)均勻。在變化處也應(yīng)盡量圓滑過渡。（圖5）

4.3 驅(qū)動(dòng)器部份的機(jī)體殼體部位
此部位大部份的要求同驅(qū)動(dòng)器殼體相同。需要在面積較大的面上設(shè)計(jì)不同的凹凸點(diǎn)來達(dá)到消音作用，避免音箱效應(yīng)。此外還需要注意在殼體形成驅(qū)動(dòng)器保護(hù)的四周邊上適當(dāng)?shù)脑O(shè)置加強(qiáng)筋來避免音箱效應(yīng)。如果設(shè)計(jì)允許時(shí)盡可能將形狀設(shè)計(jì)為異形更佳。此部位的壁厚可適當(dāng)?shù)臏p?。ㄔO(shè)計(jì)時(shí)可參照驅(qū)動(dòng)器殼體壁厚進(jìn)行設(shè)計(jì)）。此原理類同于3.1條。

4.4 壓縮機(jī)吸氣口部份的機(jī)體殼體部位
此部位的設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，一般主機(jī)廠對(duì)吸氣口都具有較為細(xì)節(jié)的要求。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)需盡可能的加大吸氣口的直徑通道。同時(shí)在電機(jī)尾部吸氣通道側(cè)也需要設(shè)置一個(gè)吸氣緩沖腔。其吸氣緩沖腔的容積一般在其壓縮機(jī)每轉(zhuǎn)排量的3倍以上。
 
圖6
4.5 轉(zhuǎn)子軸承部份的機(jī)體殼體部位
此部份除強(qiáng)度的考量之外。對(duì)NVH最重要的是避免軸承有雜質(zhì)或缺油損壞造成異響或振動(dòng)。所以在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮軸承進(jìn)油口的位置。在壓縮機(jī)軸向方向，進(jìn)油孔應(yīng)盡可能靠近壓縮機(jī)壁以便于殼體壁上的油液盡可能多的進(jìn)到軸承。也可以在殼體壁上設(shè)置檔油筋及導(dǎo)油槽進(jìn)行加強(qiáng)。在壓縮機(jī)的徑向方向，進(jìn)油孔應(yīng)盡可能避免與進(jìn)氣口對(duì)正，以避免壓縮機(jī)帶雜質(zhì)的氣體直接進(jìn)入軸承，造成NVH不良。
 
 
圖7
5 結(jié)論
本文通過電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)的三大殼體的結(jié)構(gòu)分析總結(jié)了與NVH優(yōu)化的相關(guān)性，當(dāng)然NVH與殼體上的安裝腳位置也有一定的關(guān)系。但很多主機(jī)廠的安裝腳位無法更改，當(dāng)出現(xiàn)安裝腳位引起NVH超差是時(shí)，可以通過更改安裝腳的結(jié)構(gòu)形式或是增減重量的方法進(jìn)行改進(jìn)。NVH是一個(gè)系統(tǒng)的、復(fù)雜的課題，我們?cè)诜治鰰r(shí)首先要找到主因，如分析出是電機(jī)的聲音還是氣流的聲音，或是共振造成。找到主因后再針對(duì)零部件進(jìn)行優(yōu)化。本文主要針對(duì)壓縮機(jī)殼體給大家提供一個(gè)參考的方向。殼體的優(yōu)化還可以結(jié)合頻譜等進(jìn)一步的研究，以得到更加細(xì)致的結(jié)論。

 
作者：張恩祖
上海光裕汽車空調(diào)壓縮機(jī)有限公司
 
 
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