汽車空調(diào)壓縮機(jī)支架有限元分析

摘 要：汽車空調(diào)做為現(xiàn)代汽車的一個不可或缺的組成部分，其性能的好壞在很大程度上影響著人們在使用汽車過程中的舒適性、安全性。汽車空調(diào)的制冷壓縮機(jī)是汽車空調(diào)的核心部件，支撐制冷壓縮機(jī)的支架設(shè)計的合理與否直接對制冷壓縮機(jī)產(chǎn)生影響。因此，在設(shè)計階段，對支架進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析是非常必要的。

關(guān)鍵詞：汽車空調(diào)；壓縮機(jī)；支架；有限元

1 概述

在當(dāng)代汽車舒適性評價中，汽車空調(diào)的安裝與否以及使用過程中的舒適性已經(jīng)成為人們購買和設(shè)計汽車的一個重要考慮部分。由此可知汽車空調(diào)已經(jīng)成為汽車的一個不和或缺的部分。汽車空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)在各類車型中的到廣泛的應(yīng)用如轎車、客車、貨車等眾多車輛。制冷壓縮機(jī)作為汽車空調(diào)的核心組成部分，在很大程度上決定了汽車空調(diào)的特性。制冷壓縮機(jī)的設(shè)計中支架作為支撐整個壓縮機(jī)的零件，其設(shè)計的好壞完全在一定程度上決定了制冷壓縮機(jī)的使用性能。因此，開展汽車空調(diào)制冷壓縮機(jī)支架有限元分析，在設(shè)計階段對該零件的性能進(jìn)行分析，能夠極大地提高設(shè)計的工作效率，縮短設(shè)計周期，對于設(shè)計工作具有非常現(xiàn)實的意義。

在計算機(jī)輔助工程中，對于非常復(fù)雜的工程分析也能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的分析結(jié)果，保證設(shè)計工作的有效性。工程上常見的分析如質(zhì)量、慣性力等進(jìn)行計算分析；零部件的運(yùn)動分析（位移、速度、加速度）；零部件的靜力學(xué)分析（應(yīng)力、應(yīng)變）等多個方面都能夠使用計算機(jī)輔助工程進(jìn)行有效的計算分析。

2 汽車空調(diào)壓縮機(jī)

汽車空調(diào)能夠保證汽車內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定數(shù)值，給人或貨物提供一個穩(wěn)定的溫度環(huán)境。制冷系統(tǒng)的運(yùn)行必須要有動力源，對于汽車來說汽車空調(diào)壓縮機(jī)提供了汽車空調(diào)運(yùn)行過程中的動力。汽車空調(diào)壓縮機(jī)在工作過程中主要有以下作用：⑴抽吸作用。在空調(diào)運(yùn)行過程中，壓縮機(jī)要不斷的進(jìn)行抽吸，才能保證蒸發(fā)管內(nèi)的壓力保持在一定的范圍。只有這樣制冷劑才能向車廂或者駕駛室內(nèi)的提供冷氣。⑵循環(huán)泵作用。制冷劑在汽車空調(diào)的管道中進(jìn)行循環(huán)，其運(yùn)動需要有外界提供動力。壓縮機(jī)就是為制冷劑的循環(huán)提供了動力的部件。⑶壓縮作用。壓縮機(jī)在工作時吸入的是低溫低壓的蒸汽（制冷劑），經(jīng)過壓縮機(jī)后低溫低壓的蒸汽壓縮成高溫高壓的蒸汽。該蒸汽在管道中進(jìn)行循環(huán)，在經(jīng)過冷凝器的時候通過冷凝器向外界排除熱量。

汽車空調(diào)的壓縮機(jī)通常包括回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)和活塞式壓縮機(jī)兩種。回轉(zhuǎn)式汽車空調(diào)壓縮機(jī)主要是依靠回轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來改變氣缸內(nèi)的工作容積，以實現(xiàn)對低壓氣態(tài)制冷劑的壓縮工作。其主要包括回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)等。活塞式壓縮機(jī)是依靠活塞在氣缸內(nèi)的來回運(yùn)動實現(xiàn)對制冷蒸汽的壓縮目的，通常包括往復(fù)式壓縮機(jī)以及斜盤式壓縮機(jī)兩種。

3 支架有限元分析

⑴接觸問題有限元分析。接觸問題是進(jìn)行有限元分析的一個常見問題，它屬于邊界非線性問題。接觸問題的突出特點是接觸問題中的部分邊界條件是計算的結(jié)果而非給定的條件。接觸體之間的接觸面以及壓力的分布是跟外界載荷有直接的關(guān)系，接觸過程中接觸體之間的摩擦或者粘滯等作用使得邊界條件會有一些變化，并且這些變化是不可恢復(fù)的。

目前，在解決接觸問題方面已廣泛采用有限元方法，以此來確定接觸面上的應(yīng)力、變形以及接觸區(qū)域的大小。接觸問題使用有限元迭代算法的基本思想是，對于兩個彈性接觸體，把它們進(jìn)行有限元離散，初始的接觸狀態(tài)是根據(jù)經(jīng)驗和具體的實際情況假定的。在求出結(jié)點位移后，再求出接觸點的接觸力，然后代入對應(yīng)接觸狀態(tài)的接觸條件中，如果不滿足接觸條件，則修改接觸狀態(tài)，再進(jìn)入下一次迭代。經(jīng)過幾次循環(huán)后，當(dāng)位移與接觸力滿足接觸條件時，得到的解答就是所求的真實接觸狀態(tài)下的解答。

迭代法的求解方法中接觸單元法是被普遍采用的方法。在多數(shù)接觸分析中，兩個及其以上的物體之間接觸的面積預(yù)先并不明確，所以難以建立精確的接觸關(guān)系。如果把接觸邊界之間的間隙區(qū)域處理成虛擬的單元，這樣兩個物體之間的接觸系統(tǒng)就可以看成是一個整體（也就是接觸單元），就可以進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。

⑵支架有限元分析。通常汽車空調(diào)壓縮機(jī)是通過支架來固定在汽車發(fā)動機(jī)上的，因此要想使汽車空調(diào)壓縮機(jī)能夠正常工作，支架的設(shè)計必須滿足強(qiáng)度的要求。因此有必要開展支架的有限元分析，以確定所設(shè)計的支架是否滿足要求。選取某型號的旋葉式壓縮機(jī)對其支架進(jìn)行有限元分析首先建立其三維模型如圖1所示。使用有限元分析軟件ABAQUS對該支架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。

將發(fā)動機(jī)、壓縮機(jī)以及支架和皮帶張緊輪組裝完成后，皮帶上會產(chǎn)生預(yù)緊力，將皮帶的預(yù)緊力簡化為皮帶切向的集中力大小為10000N，壓縮機(jī)通過螺栓固定在支架上面。支架的彈性模量為7.0×104MPa，泊松比為0.3，密度為2.7×103kg/mm3。對該模型采用四面體線性單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，螺栓連接孔的自由度全部約束后，施加載荷后得到的支架的應(yīng)力分布圖。

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