方益

摘 要：文章針對(duì)汽車空調(diào)壓縮機(jī)閥片疲勞強(qiáng)度計(jì)算及應(yīng)力分析的研究。選型閥片時(shí)候，對(duì)于如何選擇材質(zhì)、厚度、彈性模量、疲勞強(qiáng)度的合理性進(jìn)行理論說(shuō)明；同時(shí)對(duì)于閥片使用過(guò)程中出現(xiàn)的應(yīng)力集中，導(dǎo)致的閥片斷裂，進(jìn)行分析并進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)避。讓設(shè)計(jì)人員對(duì)于閥片的選擇以及應(yīng)力分析改善，提供實(shí)際對(duì)應(yīng)方式。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī) 閥片 彈性模量 SEM 疲勞強(qiáng)度 應(yīng)力 位移

隨著國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，汽車的產(chǎn)銷量都以位居世界第一，隨著汽車工業(yè)的成熟，人們對(duì)汽車的質(zhì)量以及舒適度的要求也越來(lái)越高。其中汽車空調(diào)是改善駕駛室舒適度重要的一個(gè)系統(tǒng)部件，而作為汽車空調(diào)壓縮機(jī)更是汽車空調(diào)系統(tǒng)的心臟，起著制冷劑蒸氣壓縮和運(yùn)輸?shù)淖饔?。閥片作為壓縮機(jī)的一個(gè)部件，每一次做功都要進(jìn)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(zhì)也都是以瑞典鋼帶最為主流，所以對(duì)閥片的應(yīng)用需要謹(jǐn)慎面對(duì)。

目前市場(chǎng)會(huì)有閥片斷裂的各種退機(jī)，現(xiàn)在對(duì)其中一種我們進(jìn)行前期分析，先了解一下閥片斷裂的具體原因。

圖1是我們?cè)谑Ъ厦孀鲆幌滦枰治鎏幍臉?biāo)識(shí)；

針對(duì)失效件，我們進(jìn)行對(duì)斷裂處放大觀察，目前只針對(duì)斷面1進(jìn)行數(shù)據(jù)說(shuō)明：

斷面放大圖：（圖2）

放大觀察結(jié)果：

· 破面微觀形狀在外R附近呈直線形，向內(nèi)R附近靠近時(shí)打彎；

· 外R部附近破面呈直線性延展；

· 內(nèi)R部附近的破面呈凹凸?fàn)睿?/p>

· 外R部附近的閥板側(cè)發(fā)現(xiàn)有棘輪紋路（Ratchet mark）；

· 內(nèi)R部附近有凹凸，缸體側(cè)呈尖銳狀；

1、針對(duì)斷面1的外R部進(jìn)行SEM觀察（A視）；（圖3）

2、針對(duì)斷面1的內(nèi)R部進(jìn)行SEM觀察（B視）；（圖4）

經(jīng)SEM放大觀察：

· 外R部附近的閥板側(cè)發(fā)現(xiàn)有棘輪紋路（Ratchet mark） ；

· 外R部附近發(fā)現(xiàn)有疲勞破面；

· 內(nèi)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(jù)以上分析結(jié)果，我們考慮閥片疲勞強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，以及設(shè)計(jì)的形狀是否避開應(yīng)力集中。

1 閥片疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)驗(yàn)證：

1、公式說(shuō)明（圖5）

剖視圖離中立面越遠(yuǎn)垂直應(yīng)力、垂直應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

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(shè)計(jì)

這款壓縮機(jī)是比較常規(guī)的5H14機(jī)型，根據(jù)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(zhì)選擇瑞典鋼帶20C或者7C27Mo2，這兩個(gè)材料的彈性模量均為210GPa（210000Mpa）。

計(jì)算得：

經(jīng)查的20C的疲勞強(qiáng)度為680Mpa，7C27Mo2的疲勞強(qiáng)度為710Mpa；

所以根據(jù)計(jì)算結(jié)果，實(shí)際使用的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材質(zhì)的疲勞強(qiáng)度，所以設(shè)計(jì)上尺寸和材質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求。

2 應(yīng)力分析設(shè)計(jì)驗(yàn)證：

1、現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析（圖6）

現(xiàn)有尺寸示意圖（圖7）

2、改善結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)力學(xué)的相關(guān)理論常識(shí)，對(duì)形狀尺寸進(jìn)行了調(diào)整。如圖8，上面顯示細(xì)線的是原來(lái)的結(jié)構(gòu)。

3 數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)軟件模擬進(jìn)行simulation分析，對(duì)比新、老結(jié)構(gòu)的受力位置、數(shù)值及位移的對(duì)比分析，得出是否具有改善效果。

1、受力位置都在根部，說(shuō)明根部是最易斷裂的地方，和我們實(shí)際發(fā)生案例一致；

2、應(yīng)力從246N/mm2下降到219N/mm2，下降幅度達(dá)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(huì)有什么影響；

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)失效件的選型分析，得出我們選型是沒(méi)有問(wèn)題的，于是我們對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分析，并合理通過(guò)改變形狀進(jìn)行應(yīng)力優(yōu)化，優(yōu)化幅度達(dá)到11%，同時(shí)對(duì)比了位移，影響幅度為2.9%，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品使用造成影響。這種改善方案一旦定型，不會(huì)有任何成本上的上升，但是應(yīng)力下降了11%，這樣閥片斷裂的故障率也會(huì)隨之下降。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳孟湘.汽車空調(diào)—原理、結(jié)構(gòu)、安裝、維修，上海：上海交通大學(xué)出版社，2001.

[2]胡庚祥，蔡珣.材料科學(xué)基礎(chǔ)，上海：上海交通大學(xué)出版社，2010.

[3]李世蕓.彈性力學(xué)及有限元，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[4]周玉.材料分析方法，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020.