汽車空調壓縮機閥片疲勞強度計算及應力分析

方益

摘 要：文章針對汽車空調壓縮機閥片疲勞強度計算及應力分析的研究。選型閥片時候，對于如何選擇材質、厚度、彈性模量、疲勞強度的合理性進行理論說明；同時對于閥片使用過程中出現的應力集中，導致的閥片斷裂，進行分析并進行設計規避。讓設計人員對于閥片的選擇以及應力分析改善，提供實際對應方式。

關鍵詞：壓縮機 閥片 彈性模量 SEM 疲勞強度 應力 位移

隨著國內汽車市場的蓬勃發展，汽車的產銷量都以位居世界第一，隨著汽車工業的成熟，人們對汽車的質量以及舒適度的要求也越來越高。其中汽車空調是改善駕駛室舒適度重要的一個系統部件，而作為汽車空調壓縮機更是汽車空調系統的心臟，起著制冷劑蒸氣壓縮和運輸的作用。閥片作為壓縮機的一個部件，每一次做功都要進行高速拍打，自身的要求是非常高的，包括目前使用的閥片材質也都是以瑞典鋼帶最為主流，所以對閥片的應用需要謹慎面對。

目前市場會有閥片斷裂的各種退機，現在對其中一種我們進行前期分析，先了解一下閥片斷裂的具體原因。

圖1是我們在失效件上面做一下需要分析處的標識；

針對失效件，我們進行對斷裂處放大觀察，目前只針對斷面1進行數據說明：

斷面放大圖：（圖2）

放大觀察結果：

· 破面微觀形狀在外R附近呈直線形，向內R附近靠近時打彎；

· 外R部附近破面呈直線性延展；

· 內R部附近的破面呈凹凸狀；

· 外R部附近的閥板側發現有棘輪紋路（Ratchet mark）；

· 內R部附近有凹凸，缸體側呈尖銳狀；

1、針對斷面1的外R部進行SEM觀察（A視）；（圖3）

2、針對斷面1的內R部進行SEM觀察（B視）；（圖4）

經SEM放大觀察：

· 外R部附近的閥板側發現有棘輪紋路（Ratchet mark） ；

· 外R部附近發現有疲勞破面；

· 內R部附近有酒窩狀紋路（Dimple）；

故得出此閥片斷裂為疲勞斷裂；

根據以上分析結果，我們考慮閥片疲勞強度是否滿足設計要求，以及設計的形狀是否避開應力集中。

1 閥片疲勞強度設計驗證：

1、公式說明（圖5）

剖視圖離中立面越遠垂直應力、垂直應變越大。

與中立面的距離y成正比例，與曲率半徑R成反比例。

2、選型設計

這款壓縮機是比較常規的5H14機型，根據空間以及閥片的開度合適性，確定了開啟后最終的弧度R為136mm，閥片厚度選擇為0.305mm。材質選擇瑞典鋼帶20C或者7C27Mo2，這兩個材料的彈性模量均為210GPa（210000Mpa）。

計算得：

經查的20C的疲勞強度為680Mpa，7C27Mo2的疲勞強度為710Mpa；

所以根據計算結果，實際使用的應力遠遠小于材質的疲勞強度，所以設計上尺寸和材質滿足設計要求。

2 應力分析設計驗證：

1、現有結構分析（圖6）

現有尺寸示意圖（圖7）

2、改善結構分析

根據力學的相關理論常識，對形狀尺寸進行了調整。如圖8，上面顯示細線的是原來的結構。

3 數據對比

通過軟件模擬進行simulation分析，對比新、老結構的受力位置、數值及位移的對比分析，得出是否具有改善效果。

1、受力位置都在根部，說明根部是最易斷裂的地方，和我們實際發生案例一致；

2、應力從246N/mm2下降到219N/mm2，下降幅度達到11%；

3、位移從1.925mm下降到1.87mm，大約有0.055mm的影響，占比約2.9%，不會有什么影響；

4 結論

通過對失效件的選型分析，得出我們選型是沒有問題的，于是我們對應力進行分析，并合理通過改變形狀進行應力優化，優化幅度達到11%，同時對比了位移，影響幅度為2.9%，不會對產品使用造成影響。這種改善方案一旦定型，不會有任何成本上的上升，但是應力下降了11%，這樣閥片斷裂的故障率也會隨之下降。

參考文獻：

[1]陳孟湘.汽車空調—原理、結構、安裝、維修，上海：上海交通大學出版社，2001.

[2]胡庚祥，蔡珣.材料科學基礎，上海：上海交通大學出版社，2010.

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