某車型空調管路支架斷裂失效分析及優化

李喆， 劉博， 王俊， 李志強， 付敬陽

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

某車型空調管路支架斷裂失效分析及優化

李喆1,2， 劉博1,2， 王俊1,2， 李志強1,2， 付敬陽1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

利用有限元軟件建立某車型空調管路支架的慣性力強度分析模型、模態分析模型和動力總成拉拽力強度分析模型，利用仿真分析軟件進行有限元計算，通過與試驗數據和試驗照片對比分析，判斷支架失效真因。根據失效真因，結合支架受力傳遞路徑，提出結構優化方案，并對優化方案進行分析驗證。分析結果表明：在同樣的動力總成拉拽力作用下，優化方案最大應力值相比原結構降低了50%，且后續整車試驗并未出現空調管路支架失效問題。此優化方案可以解決空調管路支架失效問題。

空調管路；支架；失效分析；結構優化

0 引言

空調系統作為汽車系統的一部分，其主要功能是實現對車廂內空氣的制冷、加熱、換氣和凈化的作用?？照{管路系統主要功能是作為空氣交換流動的通道和載體?？照{管路支架主要作用是固定和支撐管路，在車輛行駛過程中、空調正常運轉情況下，空調管路支架支撐整個空調管路，保證空調系統功能的正常實現。由于空調管路支架處在動力系統與車架之間，在車輛行駛過程中，支架受力極其復雜，容易出現失效問題。以某車型空調管路支架為例，闡述空調管路支架失效分析方法及優化方案的制定。

1 問題描述

公司某車型空調管路支架如圖1所示，空調管路支架一端通過螺栓固定在車架上，另一端通過一個兩通閥體連接在空調管路上，空調管路與安裝在發動機上的泵體相連。

公司此車型在路試試驗中出現空調管路支架斷裂現象，斷裂位置如圖2所示。文中針對此斷裂問題進行斷裂失效真因分析，并從失效真因出發，提出優化方案，解決斷裂失效問題。

圖1 空調管路支架結構示意圖

圖2 空調管路支架斷裂照片

2 問題原因分析

由于空調管路支架一端連接在車架上，另一端連接在空調管路上，空調管路、管路支架和車架形成一個懸臂梁系統。針對此系統，支架出現斷裂現象主要原因從3個方面考慮：(1)在車輛行駛過程中，空調管路相對車架存在一定慣性力作用，此慣性力直接作用在支架上，容易導致支架失效斷裂；(2)在空調系統工作情況下，整個空調系統的振動容易導致支架出現共振現象，從而出現斷裂問題；(3)空調管路直接連接發動機，動力總成在工作狀態下，在整車坐標系3個方向存在相對運動，動力總成的運動導致拉拽空調管路，此拉拽力直接作用在管路支架上，易造成支架斷裂問題。

2.1 慣性力引起失效問題分析

利用有限元分析軟件，建立空調管路、管路支架和車架構成的系統模型，進行加速度慣性力分析。分析模型如圖3所示。

其中，支架材料為Q235，分析工況采用3個方向各5g加速度進行慣性力分析。如圖4顯示:空調管路支架最大應力出現在Z向-5g工況，應力值為86 MPa。此應力值遠小于支架材料Q235的屈服強度，故慣性力作用不是導致支架失效問題的原因。

圖3 空調管路支架慣性力分析模型

圖4 慣性力分析支架應力云圖

2.2 共振引起失效問題分析

利用有限元仿真分析軟件，建立由車架、空調管路支架、空調管路構成的系統模態分析模型。圖5為模態分析結果，可知：系統一階固有共振頻率為30 Hz。

圖5 系統模態分析結果

為判斷支架斷裂失效問題與系統模態的關系，對支架進行振動加速度數據采集。圖6為振動加速度試驗數據在頻域范圍內的功率譜密度信號，可知：支架的振動頻率主要為12 Hz。此振動頻率是由路面激勵傳遞至車架造成的振動，它小于支架一階固有頻率，不能夠引起共振現象出現，因此，支架斷裂非共振引起。

圖6 支架振動加速度功率譜密度曲線

2.3 動力總成拉拽力引起失效問題分析

圖7為支架上某兩點在車輛反復加速、減速過程中，實測應變的時域信號，可知：在車輛連續反復加速、減速的過程中，動力總成受到懸置系統的約束作用，在機艙空間內呈現反復扭轉和移動的運動形式，支架應變值的大小隨動力總成的運動而變化明顯，因此，支架的強度對動力總成的空間運動十分敏感。

利用有限元仿真分析軟件，建立動力總成拉拽空調管路系統分析模型。在右轉向工況中，動力總成整體向左產生位移，進而拉拽空調管路系統，因此在右轉向工況下進行管路支架拉拽力強度分析。

圖8為空調管路支架在動力總成拉拽力的作用下的強度分析結果?？芍汗苈分Ъ艽嬖趹鞋F象，并且最大應力值已超過材料屈服強度，極易引起空調管路支架出現失效現象。圖9為某車型空調管路支架開裂照片，可知：空調管路支架開裂位置與最大應力集中位置相同。

圖7 支架上某兩點的應變時域信號

圖8 支架應力云圖 圖9 支架開裂照片

因此，空調管路支架失效的原因為：動力總成在工作狀態下，通過空調管路拉拽管路支架，導致管路支架出現失效現象。

3 問題解決方案

針對此失效問題，提出的優化方案如圖10所示。此優化方案相對于原方案(圖11所示)主要從兩個途徑解決失效問題：(1)通過在支架與車架之間增加襯套軟連接結構，弱化空調管路拉拽支架的力，進而減弱支架受力；(2)通過增加加強筋結構，提高支架本身結構強度。

圖10 優化后結構 圖11 原結構

對優化方案進行動力總成拉拽力強度分析，在相同的拉拽力作用下，優化方案管路支架的應力分布如圖12所示：管路支架最大應力降低為優化前的50%，且最大應力位置轉移到支架的另外一側，應力集中情況也有改善。

圖12 優化后支架應力云圖

優化方案經后期路試試驗，并未出現開裂現象。綜合有限元分析及試驗結果可知，此優化方案可以解決空調管路支架失效問題。

4 結論

以某車型空調管路支架為例，將有限元仿真結果與試驗數據進行對比分析，對管路支架失效原因進行逐一分析驗證，排除由慣性力及共振因素引起失效的可能性；通過建立動力總成拉拽管路支架的有限元分析模型，分析支架在拉拽力作用下支架的強度，根據應力結果，判斷支架斷裂失效的真因為：動力總成拉拽空調管路導致管路支架受力過大，造成支架出現應力過大且應力集中現象，進而導致空調管路支架斷裂失效。

針對結構失效的原因，從零部件之間受力情況出發，通過增加襯套軟連接結構，減弱空調管路傳遞至管路支架的拉拽力；通過增加加強筋結構，增強支架自身結構強度。通過對優化結構進行有限元分析，驗證了優化方案的可行性。

利用文中提供的針對失效問題分析的思路及方法，能夠有效地分析汽車零部件失效問題的原因，并制作優化方案，解決失效問題，提升車輛品質。

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Break Inefficient Analysis and Optimization for the Bracket of Air Conditioner Pipeline of One Vehicle

LI Zhe1,2, LIU Bo1,2, WANG Jun1,2, LI Zhiqiang1,2, FU Jingyang1,2

(1.Research and Development Center, Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China; 2.The Automobile Engineering Technology & Research Center of Hebei Province, Baoding Hebei 071000,China)

The inertia intensity analysis model, mode analysis model and powertrain pulling force analysis model of the bracket of an air conditioner pipeline were built using simulation software. The finite element analysis results were compared with the experiment data. The cause of break inefficient was the force of engine dragging bracket of the air conditioner pipeline. According to the cause and the path of the force, the optimization project was proposed and validated. The analysis result indicates that the stress of the optimized structure reduces 50% than that of the original structure. In the later test, the break inefficient problem did not appear. Therefore, the optimized project can solve inefficient problem.

Air conditioner pipeline; Bracket; Inefficient analysis; Structure optimization

2017-02-11

李喆(1989—)，男，碩士，研究方向為底盤結構分析。E-mail:cae-pub@gwm.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.06.008

U463.9

A

1674-1986(2017)06-030-03