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1、引言

空調室外機主要用于住宅區域或者公共區域，而室外機風機系統中的軸流風葉和電機通過螺釘固定在電機支架上，形成一個組件后，再通過螺釘鎖緊于底盤上，電機支架的結構設計是否合理直接關系到風機噪聲的品質。為了有效降低室外機風機腔的噪聲，電機支架的設計需要從結構形式、加工方式等方面進行考慮。

2、室外機風機腔噪聲源分析

在運行期間空調室外機的激勵源包括壓縮機和電機風葉，并且室外機在運行期間會產生不同的振動和噪聲等問題。根據噪聲源的不同，對室外機進行分析發現，不僅存在固體間的振動傳遞，還存在流體間的噪聲傳播。每個部件或者組件都可以單獨發出噪聲，并且可以通過諧振疊加來放大產生的噪聲。諸如前面板、右側面板和頂蓋的大面積外殼體部件容易被噪聲源激發，以在噪聲輻射下產生噪聲。壓縮機的振動及風葉電機的振動會影響殼體、底盤和換熱器的振動。

風機系統在固體的傳遞包括以下兩個路徑，如圖1所示[1]。對于風機系統的減振和降噪，電機本身的振動和電機支架的結構設計是關鍵。由于電機是購買部件，輸入材料是不可控制的，可控設計主要是電機支架的設計。電機支架的設計受殼體的大小、工藝加工方式和自動化等要求所約束，電機支架的振動程度受到支架整體抗彎剛度、鋼材的厚度、加強筋的形式類型、高度和電機的重心的影響。電機、支架和風葉的偏心程度以及電機與電葉部分質量中心距電機安裝面的距離等因素的影響[2]。

圖1 風機系統噪聲在固體的傳播路徑

在空調室外機風機系統的流體中傳播的噪聲如圖2所示。風葉旋轉的固有頻率等于或者接近電機支架的頻率，或者與電機支架的頻率成倍數，將使風機系統產生共振。在噪聲被放大和放大之后，被輻射到空氣中，這導致室外機的噪聲增加。當電機支架與換熱器之間搭接時，當風葉旋轉時，其固有旋轉頻率等于或成倍于換熱器和冷媒在換熱器銅管中的流動頻率時，則會與冷媒相互影響，共振疊加，從而把產生的噪音加強放大，再向空氣或者其他零部件輻射傳播。

圖2 流體的傳播路徑中的風機系統噪聲

風葉周期性地受到出口不均勻的氣流脈動從而導致風機系統運行產生噪聲[2]。空調室外機的旋轉噪聲產生的原因主要是軸流風葉的重量不均、風葉旋轉時葉片上壓力的分布不均和風葉旋轉時對周圍氣體及零件的擾動等方面。當氣體流過軸流風葉片時，在葉片表面上發生湍流分層、渦流和渦流分離，氣流周期性地沖擊葉片，導致葉片上的壓力不均勻并產生渦流噪聲。

在設計電機支架時，應同時考慮電機支架的固有頻率，以防止開模出來的樣件與風葉、壓縮機工作的固有頻率及其倍頻發生耦合，并在運行期間發生共振。當電機支架的固有頻率和風機的諧振頻率等于或接近殼體的頻率或倍頻時，外部單元殼體的諧振會加劇，從而使空調運行時的噪聲加大，進而影響室外機的音質和音量，降低空調的體驗性。

3、電機支架的結構設計

現階段常用的電機支架種類分為直型電機支架、弓形電機支架和半截電機支架等。

3.1 結構形式設計

風葉、電機安裝到電機支架上后其重心是否合適等方面決定了電機支架的結構形式。理論上風葉伸進的越多越好，但是伸進的距離與風量是對數之間的關系，伸進距離達到某數值后風量變化不大，而且風葉前緣與格柵有距離要求，風葉前緣伸進2/3是最合理的。為此設計了三款不同的電機支架的結構形式，如圖3所示。

圖3 三款不同電機支架結構形式

3.2 翻邊方向設計

常見電機支架為了走線方便，翻邊均是與風葉方向相反的，是朝后的，但是這樣會影響室外機的風量、噪音和功率。為此，在電機支架設計時為能夠降低噪音和功率，翻邊設計為與風葉方向相同，是朝前的。試驗數據如表1：在同轉速下，電機支架翻邊朝后的噪音、功率高于翻邊朝前，噪音高1dB左右，功率高0.6w左右；在同轉速下，電機支架翻邊朝后風量低于翻邊朝前，減少量約為26m3/h。

3.3 CAE仿真分析

為保證電機支架設計的合理性，分別對以上方案進行模態、約束模態振型和模擬實際工作形變對比。

3.3.1 模態和約束模態對比

電機支架前6階自由模態與約束模態的對比見圖4；第1階模態振型對比與第2階模態振型對比見圖5。

圖4 電機支架前6階模態和約束模態頻率對比

圖5 模態陣型對比

3.3.2 模擬實際工作形變對比

模擬實際工作變形對比見表2、圖6～圖9。

圖6 抗彎形變云圖

圖7 抗扭形變云圖

圖8 抗踩踏形變云圖

圖9 中部承載形變云圖

3.4 成形分析

在沖壓件設計前期，需要進行成形分析。進行成形分析主要是為了利用數值模擬技術預測設計的零件在成形加工時是否存在破裂的現象或者其他加工問題。通常根據原始屈服函數和相關的流動規律計算每個步驟的應力和應變場，并引入適當的裂縫標準。

對于模擬出現破裂的判據很多，如成形極限圖、成形極限應力圖、最大變薄率、應變率突變準則、厚度梯度準則等，最常用的判斷依據是成形極限圖[4]。

為確認直型電機支架（中間凸包）是否可以加工，需要對其進行成形分析，保證方案的可行性。首先需要導入模型，對模型的材料屬性進行設置。材料屬性設置好后，對模型進行前處理，導入Dynaform軟件中進行分析，分析結果主要看成形極限圖，如圖10所示。從圖10中可以看出，在零件成形過程中無拉裂出現，零件設計合理。為保證下料尺寸足夠，同時不影響生產，分析其走料情況，如圖11所示。

圖10 成形極限圖

圖11 走料圖

4、加工方式的選擇

現有常見的工藝加工方式包括單沖模，連續模和三次元。

單沖模是無導向裝置的沖裁模和成形模[3]。根據單個零件的工序流程，每個機床只負責完成一個工序，加工效率較低，精度不高，難以保證大批量零件的一致性，但是其維修成本低，適合中小批零件的加工。

連續模是用不同結構類型的多工位模具，直接從板、條、帶、卷材等不同原材料上，一模成形沖制出各種復雜形狀的沖裁件和立體成形件的模具結構形式[5]。當連續模工作時，壓力機完成一個行程，連續模上的不同工位分別完成所需要的全部沖壓作業。當原材料在進給方向上連續通過模具中的所有工位時，完成一個行程或一組沖壓部件。因此，當連續模生產時，不僅效率高，而且制造的部件具有良好的一致性和高互換性，更便于實現生產的無人化、機械化、自動化和操作安裝性。與其他類型的模具相比，多工位連續模結構復雜，難以制造和維護，并且成本高，其結構設計時需要預留連料點，否則無法實現，而且連續模頭尾兩件是廢件。

三次元是采用機械手進行連續生產。每個工位完成一個工序，每個工位與工位之間用機械手移動，生產效率高[6]。其優點是加工后的零件不僅具有良好的一致性和高互換性，而且便于生產中的機械化和自動化。缺點是設備成本高、需要長期維護，同時需要更高的設計要求。

在實際應用中，選用哪種結構，通常要根據交貨期T、質量Q、成本C三要素權衡確定[4]，同時也需要考慮到公司內部現有的生產線，不能因為采用連續模導致現有生產線必須改造。在現有的成形技術水平與條件下，在保證沖壓件質量的基礎上，最短的生產周期和最低的制造成本是模具選擇的基本原則。正常情況下，零件尺寸處于中小級別的薄板沖壓件，在條件允許的條件下最好選用合適的連續模沖制。使用連續模在大多數情況下都能達到沖件的質量要求，但需求量小時則未必經濟合算。多工位連續模只有在大批量生產時才能顯示出明顯的優勢。在選擇零件加工方式時，有必要估算該零件的總產量，這樣更容易取得更好的經濟效益。

某外機現階段的規劃是后續可覆蓋現有量產26、35的所有殼體和50的部分殼體1/2/3級能效機型，同時兼容和出口技術部大部分出口樣機的要求，且電機支架屬于通用件，在不同殼體都能通用。結合現有的生產線體，對于電機支架來說，連續模生產能夠實現利益的最大化。表3給出了公司生產基地電機支架的加工方式。

5、結論

針對空調室外機電機支架設計，從多個維度進行驗證，以下結論可供參考：

（1）從約束模態剛度結果對比分析可以看出，直型（中部凸包）電機支架剛度優于弓形電機支架，弓形電機支架剛度明顯優于直型電機支架；

（2）從各工況下仿真的靜力強度分析可以看出，直型（中部凸包）電機支架優于弓形電機支架和直型電機支架；

經過剛性、模態、多方位模擬實際工作的靜載荷分析，直型電機支架（中部凸包）的剛度、振動模態振型、靜載荷變形與應力均優于弓型電機支架和直型電機支架。采用直型電機支架（中間凸包）可以有效提高減振、降噪的可能性。

參考文獻

[1] 宋永喜. 空調室外機振動噪音的傳遞路徑研究[D]. 昆明: 昆明理工大學, 2016,(3).

[2] 招偉. 空調室外機噪聲源的系統分析與確定[J]. 制冷與空調,2007,7(2):24-28.

[3] 趙廣平, 劉小紅. 模具設計[M]. 江西: 江西高校出版社, 2008.8.

[4] 王喜. 成形極限應力圖及其在多道次拉深成形中的應用研究[D].南京：南京航空航天大學, 2006.(2).

[5] 張正修, 李欠娃. 多工位連續模的類型、結構及制造[J]. 鍛壓裝備與制造技術, 2002,37(5):58-62.

[6] 黃偉. 三次元送料機械手的設計與軌跡的規劃和優化[D]. 山西太原: 中北大學, 2015.(1).