房车空调电机固定卡箍可靠性分析及建议

余卫权

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

1 引言

房车空调与普通家用空调区别较大，其安装于车顶上，随车颠簸，长时间承受各种随机振动载荷，零件容易发生疲劳损坏，需要面对暴晒、台风、雨淋等各种恶劣环境，零件的抗腐蚀性能要求较高。文章以某型房车空调为例，通过引入仿真分析及实验验证，对电机固定方式的可靠性进行分析，提出改进意见，以进一步提高产品设计的可靠性。

2 可靠性分析方法

房车空调电机固定结构是在参考窗机的基础上改进得来，窗机的电机固定结构和支撑结构一体化（如图1所示），在连接处容易发生应力集中，若房车空调使用此种固定方式，电机固定可靠性存在一定问题，因为电机质量大（惯性大），车辆行驶过程中存在颠簸，电机由于惯性作用也跟着晃动，在连接处产生了较大应力，长时间使用存在疲劳断裂的隐患。基于上述考虑，连接使用带弹性的卡箍来实现柔性连接（如图2所示），降低连接处应力，在实际使用中两个带弹性的卡箍限制电机的径向跳动，轴向窜动主要依靠电机的卡槽以及卡箍翻边来限制。

由于此次采用了新的卡箍固定结构，需要充分验证其可靠性，结合实际使用情况，在使用过程中可能存在以下几方面隐患：

（1）在较大冲击载荷时是否会瞬间脱落或者断裂，主要考虑过坑、减速带或急刹车时，电机对卡箍产生强烈惯性冲击；

（2）是否会发生疲劳断裂，主要考虑房车行驶以及空调运行时长时间冲击载荷造成的疲劳损伤；

（3）是否会发生锈蚀破坏，主要考虑房车空调使用环境较为恶劣，承受暴晒、台风、雨淋等各种恶劣环境。

针对（1）点，本论文采用ANSYS对冲击应力及过程进行分析，并通过振动台进行冲击振动验证；针对第（2）点，通过振动台进行长时间随机振动进行疲劳验证；针对第（3）点，通过盐雾试验对抗锈蚀性能进行验证。

3 仿真分析

主要从以下两方面进行，首先是分析冲击应力，其次是受冲击时是否会发生脱落。

3.1 冲击应力仿真分析

3.1.1 冲击载荷分析

仿真准确性与载荷正确与否关系很大，在计算之前要对卡箍受力进行重点分析。房车空调安装受力十分复杂，不可能找到与实际完全相符的受力。基于此，参考汽车行业相关做法，以汽车行驶平顺性作为载荷的参考，汽车的平顺性是指振动的舒适性，它以加权加速度均方根值rms作为指标，规定测试时间不少于60s。计算如式（1）所示：

式中：a（t）表示加速度，单位为ms-2，T为实验时间，单位为秒。

针对多轴的振动，可以按公式（2）进行计算，式中Ki表示轴向加权系数。计算如式（2）所示：

当峰值因子大于6时（峰值因子是加权加速度时间历程的峰值与加权加速度均方根值的比值），rms低估了振动，应采用均四次方根值rmq作为评价指标，计算如式（3）所示：

参考GB 4970-1996-T 汽车平顺性随机输入行驶试验方法，找到某参考车型不同路况下行驶平顺性参数（具体参数如表1～3所示），在一般的路面上行驶，其加速度均方根1m/s2以下，在较为恶劣的土路上行驶，其加速度均方根3.1m/s2以下，此次仿真选择比较严酷的加速度3m/s2作为输入载荷。

表1 参考车型相关参数

表2 参考车型一般的路面行驶平顺性参数(加速度)

表3 参考车型泥路行驶平顺性参数(加速度)

表4 振动目标谱

图1 窗机电机固定结构

图3 卡箍三维模型

图4 卡箍有限元模型

图5 卡箍应力云图

图6 卡箍变形云图

3.1.2 冲击应力模拟

如图3所示，对卡箍施加3m/s2冲击力，对该作用力下应力及变形进行仿真计算。

如图4所示，建立卡箍的三维模型及有限元模型，采用四面体单元SOLID 45来模拟。

卡箍的应力云图和变形云图如图5、6所示。

根据卡箍应力云图可以看出，最大的应力出现在上部翻边过渡处，大小为305Mpa,小于材料的屈服极限σs=440Mpa，但超过了材料（65Mn）的许用应力[σ]=146.7Mpa（为提高可靠性加大安全系数，选定为n=3，许用应力[σ=σs/n]）,该处在受到较大的冲击的时候，不会断裂，但是来回冲击，容易引起疲劳断裂，存在一定隐患。

3.2 冲击脱落分析

卡箍与电机支架之间的配合需可靠，不应出现松脱的现象，应用ANSYS模拟分析在电机受到一定的冲击载荷时，是否会出现松脱。

建立有限元简化模型如下, 为加快运算速度，简化掉电机与风叶，通过质量点施加它们的惯性载荷，电机支架采用实体单元SOLID 45，卡箍采用SHELL单元。

边界条件：约束住电机支架底面的四个固定螺栓孔的所有自由度，约束住卡箍过孔处在x，y方向的自由度。在卡箍与电机支架的接触面之间，设置面面接触对。

载荷的施加：在图7所示的顶面上施加载荷，载荷大小0.525Mpa,施加载荷时间0.005s。计算结果：电机固定装置受力云图如图8所示。

结论：卡箍在冲击过程最大位移为0.5mm左右，不会发生脱落。

4 冲击、疲劳实验验证

通过振动台设计振动实验，验证卡箍的冲击、疲劳特性。在做实验之前，首先要确定振动载荷，房车在公路上行驶过程的载荷是不确定的，是一个随机振动过程，随机振动瞬态的振动状态无法用准确函数描述，但是可以依据概率统计学理论，将很长一段时间历程内的振动进行统计分析，将随机振动转换为功率谱密度函数（PSD）进行描述。表4是科学工作者经过大量路面测试统计分析出来的，在工程领域应用较多经过验证振动目标谱，将此目标谱作为振动台的输入振动载荷。

图7 载荷施加图

图8 电机固定装置受力云图

图9 卡箍生锈图

随机振动目标普加速度均方根1.14G，频率为2～200Hz之间随机振动，振动时间4h。考虑到房车空调在地面不平或者上斜坡的时候，房车空调可能出现倾斜的现象，除了竖直方向振动台，还特意朝前后、左右四个方向倾斜30º，然后做相关振动验证。

经过4个小时振动，电机卡箍完好，未出现松脱，也未发生疲劳损坏。考虑到随机实验时长有限，疲劳效应可能要一年甚至几年才能凸显，此次试验结果并不能完全反映出抗疲劳特性。为了提高可靠性，还要从设计、生产等方面进行控制。疲劳破坏的形成主要在应力集中部位和表面，提高疲劳强度应从减缓应力集中、提高表面的质量入手。

5 耐锈蚀性盐雾试验

房车空调中的使用环境比较潮湿，容易发生腐蚀，根据相关测试标准对卡箍进行盐雾试验，验证抗腐蚀性能。

参照国标GB/T 10125-2012人造气氛腐蚀试验 盐雾试验中的实验条件、实验周期及实验结果的评价方法进行实验。

试验条件：设定温度为35ºC、浓度为5%、PH值为6.5～7.2的标准盐雾箱内连续放置规定试验时间；

试验周期：测试时间为120h；

试验结果：如图9所示，经过120h的盐雾试验后，卡箍的生锈情况比较严重，在实际使用过程中，存在一定的腐蚀破坏隐患。

图10 卡箍应力集中及过孔

图11 电机轴向定位槽

图12 支撑架凸钩斜度加大

6 优化建议

（1）在冲击过程中卡箍不会发生瞬间断裂，但是存在应力集中，应力集中点为上部翻遍过渡处，应该在该处增加圆角过渡减轻应力集中。另外观察到其两臂的过孔长度与宽度尺寸偏大，为了提高强度，在保证装配方便的条件下，尽量减小过孔长度与宽度尺寸。另外卡箍表面必须光洁，无裂纹、气泡、夹渣、毛刺和压痕等缺陷。如图10所示。

（2）仿真和随机振动实验显示，在冲击实验中电机未发生脱落，但考虑到使用过程中材料老化，以及可能遇到一些更为恶劣的工况，可以从以下几方面进一步改善。

a.电机轴向定位槽太浅，建议加高2mm，卡箍翻边高度建议增加1mm，电机轴向窜动主要靠定位槽和翻边来限制。如图11所示。

b.加大电机支架一端的凸钩斜度，建议增加15°，另一端保持不变，保证卡箍一端肯定不能脱出，提高可靠性。如图12所示。

（3）盐雾试验显示，卡箍耐腐蚀性能一般，建议进行镀彩锌或镀白锌处理，或者喷涂有机涂层材料进行防腐处理。

7 结论

房车空调电机固定卡箍是房车空调核心部件之一，一旦发生损坏不单影响空调可靠性，还会产生安全问题，本次从仿真及实验角度两方面验证了可靠性，分析表明：

（1）电机固定卡箍结构强度存在一定隐患，在结构设计上需进一步改善；

（2）电机固定卡箍防锈蚀性能一般，需要更换材料或者进行防腐处理。