房車空調電機固定卡箍可靠性分析及建議

余衛權

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

房車空調與普通家用空調區別較大，其安裝于車頂上，隨車顛簸，長時間承受各種隨機振動載荷，零件容易發生疲勞損壞，需要面對暴曬、臺風、雨淋等各種惡劣環境，零件的抗腐蝕性能要求較高。文章以某型房車空調為例，通過引入仿真分析及實驗驗證，對電機固定方式的可靠性進行分析，提出改進意見，以進一步提高產品設計的可靠性。

2 可靠性分析方法

房車空調電機固定結構是在參考窗機的基礎上改進得來，窗機的電機固定結構和支撐結構一體化（如圖1所示），在連接處容易發生應力集中，若房車空調使用此種固定方式，電機固定可靠性存在一定問題，因為電機質量大（慣性大），車輛行駛過程中存在顛簸，電機由于慣性作用也跟著晃動，在連接處產生了較大應力，長時間使用存在疲勞斷裂的隱患。基于上述考慮，連接使用帶彈性的卡箍來實現柔性連接（如圖2所示），降低連接處應力，在實際使用中兩個帶彈性的卡箍限制電機的徑向跳動，軸向竄動主要依靠電機的卡槽以及卡箍翻邊來限制。

由于此次采用了新的卡箍固定結構，需要充分驗證其可靠性，結合實際使用情況，在使用過程中可能存在以下幾方面隱患：

（1）在較大沖擊載荷時是否會瞬間脫落或者斷裂，主要考慮過坑、減速帶或急剎車時，電機對卡箍產生強烈慣性沖擊；

（2）是否會發生疲勞斷裂，主要考慮房車行駛以及空調運行時長時間沖擊載荷造成的疲勞損傷；

（3）是否會發生銹蝕破壞，主要考慮房車空調使用環境較為惡劣，承受暴曬、臺風、雨淋等各種惡劣環境。

針對（1）點，本論文采用ANSYS對沖擊應力及過程進行分析，并通過振動臺進行沖擊振動驗證；針對第（2）點，通過振動臺進行長時間隨機振動進行疲勞驗證；針對第（3）點，通過鹽霧試驗對抗銹蝕性能進行驗證。

3 仿真分析

主要從以下兩方面進行，首先是分析沖擊應力，其次是受沖擊時是否會發生脫落。

3.1 沖擊應力仿真分析

3.1.1 沖擊載荷分析

仿真準確性與載荷正確與否關系很大，在計算之前要對卡箍受力進行重點分析。房車空調安裝受力十分復雜，不可能找到與實際完全相符的受力。基于此，參考汽車行業相關做法，以汽車行駛平順性作為載荷的參考，汽車的平順性是指振動的舒適性，它以加權加速度均方根值rms作為指標，規定測試時間不少于60s。計算如式（1）所示：

式中：a（t）表示加速度，單位為ms-2，T為實驗時間，單位為秒。

針對多軸的振動，可以按公式（2）進行計算，式中Ki表示軸向加權系數。計算如式（2）所示：

當峰值因子大于6時（峰值因子是加權加速度時間歷程的峰值與加權加速度均方根值的比值），rms低估了振動，應采用均四次方根值rmq作為評價指標，計算如式（3）所示：

參考GB 4970-1996-T 汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法，找到某參考車型不同路況下行駛平順性參數（具體參數如表1～3所示），在一般的路面上行駛，其加速度均方根1m/s2以下，在較為惡劣的土路上行駛，其加速度均方根3.1m/s2以下，此次仿真選擇比較嚴酷的加速度3m/s2作為輸入載荷。

表1 參考車型相關參數

表2 參考車型一般的路面行駛平順性參數(加速度)

表3 參考車型泥路行駛平順性參數(加速度)

表4 振動目標譜

圖1 窗機電機固定結構

圖3 卡箍三維模型

圖4 卡箍有限元模型

圖5 卡箍應力云圖

圖6 卡箍變形云圖

3.1.2 沖擊應力模擬

如圖3所示，對卡箍施加3m/s2沖擊力，對該作用力下應力及變形進行仿真計算。

如圖4所示，建立卡箍的三維模型及有限元模型，采用四面體單元SOLID 45來模擬。

卡箍的應力云圖和變形云圖如圖5、6所示。

根據卡箍應力云圖可以看出，最大的應力出現在上部翻邊過渡處，大小為305Mpa,小于材料的屈服極限σs=440Mpa，但超過了材料（65Mn）的許用應力[σ]=146.7Mpa（為提高可靠性加大安全系數，選定為n=3，許用應力[σ=σs/n]）,該處在受到較大的沖擊的時候，不會斷裂，但是來回沖擊，容易引起疲勞斷裂，存在一定隱患。

3.2 沖擊脫落分析

卡箍與電機支架之間的配合需可靠，不應出現松脫的現象，應用ANSYS模擬分析在電機受到一定的沖擊載荷時，是否會出現松脫。

建立有限元簡化模型如下, 為加快運算速度，簡化掉電機與風葉，通過質量點施加它們的慣性載荷，電機支架采用實體單元SOLID 45，卡箍采用SHELL單元。

邊界條件：約束住電機支架底面的四個固定螺栓孔的所有自由度，約束住卡箍過孔處在x，y方向的自由度。在卡箍與電機支架的接觸面之間，設置面面接觸對。

載荷的施加：在圖7所示的頂面上施加載荷，載荷大小0.525Mpa,施加載荷時間0.005s。計算結果：電機固定裝置受力云圖如圖8所示。

結論：卡箍在沖擊過程最大位移為0.5mm左右，不會發生脫落。

4 沖擊、疲勞實驗驗證

通過振動臺設計振動實驗，驗證卡箍的沖擊、疲勞特性。在做實驗之前，首先要確定振動載荷，房車在公路上行駛過程的載荷是不確定的，是一個隨機振動過程，隨機振動瞬態的振動狀態無法用準確函數描述，但是可以依據概率統計學理論，將很長一段時間歷程內的振動進行統計分析，將隨機振動轉換為功率譜密度函數（PSD）進行描述。表4是科學工作者經過大量路面測試統計分析出來的，在工程領域應用較多經過驗證振動目標譜，將此目標譜作為振動臺的輸入振動載荷。

圖7 載荷施加圖

圖8 電機固定裝置受力云圖

圖9 卡箍生銹圖

隨機振動目標普加速度均方根1.14G，頻率為2～200Hz之間隨機振動，振動時間4h。考慮到房車空調在地面不平或者上斜坡的時候，房車空調可能出現傾斜的現象，除了豎直方向振動臺，還特意朝前后、左右四個方向傾斜30o，然后做相關振動驗證。

經過4個小時振動，電機卡箍完好，未出現松脫，也未發生疲勞損壞。考慮到隨機實驗時長有限，疲勞效應可能要一年甚至幾年才能凸顯，此次試驗結果并不能完全反映出抗疲勞特性。為了提高可靠性，還要從設計、生產等方面進行控制。疲勞破壞的形成主要在應力集中部位和表面，提高疲勞強度應從減緩應力集中、提高表面的質量入手。

5 耐銹蝕性鹽霧試驗

房車空調中的使用環境比較潮濕，容易發生腐蝕，根據相關測試標準對卡箍進行鹽霧試驗，驗證抗腐蝕性能。

參照國標GB/T 10125-2012人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗中的實驗條件、實驗周期及實驗結果的評價方法進行實驗。

試驗條件：設定溫度為35oC、濃度為5%、PH值為6.5～7.2的標準鹽霧箱內連續放置規定試驗時間；

試驗周期：測試時間為120h；

試驗結果：如圖9所示，經過120h的鹽霧試驗后，卡箍的生銹情況比較嚴重，在實際使用過程中，存在一定的腐蝕破壞隱患。

圖10 卡箍應力集中及過孔

圖11 電機軸向定位槽

圖12 支撐架凸鉤斜度加大

6 優化建議

（1）在沖擊過程中卡箍不會發生瞬間斷裂，但是存在應力集中，應力集中點為上部翻遍過渡處，應該在該處增加圓角過渡減輕應力集中。另外觀察到其兩臂的過孔長度與寬度尺寸偏大，為了提高強度，在保證裝配方便的條件下，盡量減小過孔長度與寬度尺寸。另外卡箍表面必須光潔，無裂紋、氣泡、夾渣、毛刺和壓痕等缺陷。如圖10所示。

（2）仿真和隨機振動實驗顯示，在沖擊實驗中電機未發生脫落，但考慮到使用過程中材料老化，以及可能遇到一些更為惡劣的工況，可以從以下幾方面進一步改善。

a.電機軸向定位槽太淺，建議加高2mm，卡箍翻邊高度建議增加1mm，電機軸向竄動主要靠定位槽和翻邊來限制。如圖11所示。

b.加大電機支架一端的凸鉤斜度，建議增加15°，另一端保持不變，保證卡箍一端肯定不能脫出，提高可靠性。如圖12所示。

（3）鹽霧試驗顯示，卡箍耐腐蝕性能一般，建議進行鍍彩鋅或鍍白鋅處理，或者噴涂有機涂層材料進行防腐處理。

7 結論

房車空調電機固定卡箍是房車空調核心部件之一，一旦發生損壞不單影響空調可靠性，還會產生安全問題，本次從仿真及實驗角度兩方面驗證了可靠性，分析表明：

（1）電機固定卡箍結構強度存在一定隱患，在結構設計上需進一步改善；

（2）電機固定卡箍防銹蝕性能一般，需要更換材料或者進行防腐處理。