商用车空调系统制冷故障改进提升研究

许 丰，李豪杰，崔飞蝶

（徐州徐工汽车制造有限公司，江苏 徐州 221000）

近年来，随着人们生活水平和生活品质的提高，对汽车空调的制冷效果和舒适性要求也随之越来越高。空调一旦失效，将严重影响驾乘人员的乘车环境，危及行车安全。商用车空调系统常见失效模式主要有空调不制冷、空调不凉、空调不工作等，深入分析发现可将失效模式进一步细分为：压缩机失效、空调管路失效、控制面板失效、蒸发器温度传感器失效、冷凝器失效等。本文主要就5类失效模式具体分析并提出相应解决方案。

1 汽车空调制冷过程原理

如图1所示，汽车空调制冷分为5个过程：①压缩机通过发动机皮带驱动，吸入蒸发器出口处低温低压的气态制冷剂并压缩成高温高压的气态排向冷凝器；②高温高压的气态制冷剂气体进入冷凝器，经过冷凝器的散热后变成高温高压的液体；③高温高压的液态制冷剂通过储液干燥器的储存、干燥和过滤后进入膨胀阀；④液态制冷剂经过膨胀阀节流后，压力急剧下降，以雾状进入蒸发器；⑤雾状液态制冷剂经过蒸发器变成气态，同时制冷剂在蒸发器内大量吸收周围热量，车内温度降低。

图1 汽车空调制冷过程

2 压缩机

2.1 压缩机基本结构和工作原理

如图2所示，汽车发动机启动，汽车空调未开时，发动机皮带带动压缩机离合器的皮带轮空转；当空调启动，离合器线圈通电，电磁力使驱动盘与皮带轮吸合，发动机带轮带动离合器带轮、驱动盘、驱动轴、斜盘同步旋转；斜盘旋转驱动活塞在缸孔内作往复运动，活塞的往复运动使缸内容积发生扩大和缩小的交替变化，缸内容积扩大时，缸内制冷剂气体压力降低，排气阀关闭，蒸发器内的制冷剂气体通过后盖吸气口、吸气通道、吸气阀被吸入缸内，缸内容积缩小时，缸内制冷剂气体压力升高；吸气阀关闭，高压制冷剂气体推开排气阀，通过后盖排气口进入冷凝器，参与冷凝、降压、蒸发的制冷循环过程。

图2 压缩机结构示意图

压缩机在空调系统制冷过程中承担着“心脏”的作用。在压缩机匹配选型过程中，应满足GB/T 21360—2018《汽车空调用制冷剂压缩机》标准中的要求，主要有：内部清洁度、含水量、COP值、噪声值等。汽车空调压缩机的产品种类包括：往复活塞式、活塞斜盘式、回转式（旋叶式、滚动活塞式、螺杆式、三角转子式、涡旋式等）等；目前燃油车较多主要采用斜盘活塞式压缩机。从故障件分析看失效模式有压缩机内部阀片断裂、主轴断裂、离合器烧坏。

2.2 压缩机内部阀片断裂

1）故障现象：根据故障件的拆解情况看，故障件主要体现为内部阀片断裂、变色，通过对比色谱图，故障件温度大于440℉接近500℉（图3、图4）。

图3 色谱图

图4 压缩机阀片断裂、变色

2）原因分析：压缩机在长时间工作时系统温度（＞120℃）维持在较高位置使内部润滑油粘度下降，压缩机内部部件长时间运行在高温环境，压缩机吸气阀片长时间受高温影响，材料发生变化，出现脆性断裂。

3）改进提升：对阀片材料进行优化，由碳钢Sandvik 20C升级为不锈钢阀片钢7C27Mo2（服役温度为300℃），提高阀片耐高温性能以及疲劳强度。

2.3 主轴断裂

1）故障现象：拆解主轴断裂故障件，检测发现前盖回油孔存在异物堵塞（图5），初步判断是主要故障原因，同时抽检库存合格物料拆解验证，发现前盖回油孔正常贯通。

图5 回油孔堵塞

2）原因分析：前盖回油孔有加工残留物→堵塞回油孔→压缩机运行时主轴和轴承内圈无法回油→压缩机轴承损伤→压缩机主轴断裂→压缩机失效。

3）改进提升：优化生产工序作业指导，油孔加工完成清洗后，增加使用气枪清理油孔内残留物要求，下线前再次清洗；并增加100%检验油孔要求。

2.4 离合器烧坏

1）故障现象：拆解故障件发现，吸盘与皮带轮接触面有明显打滑痕迹且离合器线圈烧坏（图6）。

图6 离合器故障

2）原因分析：初步怀疑是压缩机内部载荷大，超出要求或空转时扭矩偏大，造成打滑损坏或在冷凝器脏堵或冷凝器散热不良时，压缩机运转扭矩过大，吸盘和皮带轮打滑，产生高温，导致离合器烧坏。

3）改进提升：皮带轮摩擦面增加电泳漆处理，提高离合器静摩擦扭矩，提升至35Nm（图7）。

图7 离合器静摩擦力测试

由于压缩机在空调制冷过程中承担着重要的作用，除了压缩机自身的品质问外，使用环境、操作习惯、冷凝器芯体性能、蒸发器芯体性能、膨胀阀选型、压缩机皮带松紧度等因素也间接或者直接影响着压缩机的品质可靠性和使用寿命。其中压缩机皮带与压缩机直接相连，为其提供动力，所以皮带松紧度较为关键，检查皮带的松紧度的方法有两种：一是用拇指全力压下皮带中点，若能压下15～20mm，则说明松紧度适当，否则应进行调整；另一种是在皮带中间位置用手翻动皮带，能转90°为宜，若转动角度过多，则为皮带松弛，应加以张紧，若用手翻转不动或翻转角度过小，则说明皮带过紧，应稍微调松一点。另外，通过市场调研汽车压缩机正常使用的故障率，正常水平应该在1%以下（图8），高于以上应注意系统的匹配改进提升。

图8 压缩机故障率调研

3 空调管路

由于汽车空调的各部分总成一般分散安装在汽车的不同位置，空调管路就像人体血管一样，负责将这些分散的部件连接起来，从而使一套完整的汽车空调系统有序工作。空调管路通常由铝管、空调胶管及其他管路附件组合而成。从故障件分析看，失效模式有管路接口密封不严泄漏、管路干涉磨损泄漏。

3.1 管路接口密封不严泄漏

1）故障现象：通过对实车管路排查，发现空调管路前端密封圈装配不到位、裸露，车辆在恶劣路况长时间运行时，管路振动松脱导致冷媒泄漏，空调不制冷（图9）。

图9 管路密封圈

2）改进提升：经过对比行业和乘用车的管路设计结构发现，行业目前普遍采用径向密封结构（图10），径向密封结构的密封圈镶嵌在管路上，不易滑动，装配时能完全进入到膨胀阀内部，保证了密封可靠性。

图10 径向密封结构

3.2 管路干涉磨损

1）故障现象：通过对故障件和市场车辆检测发现，管路与周边间隙较小动态磨损等问题，导致空调管路出现磨损、破裂，冷媒泄漏，空调不制冷（图11）。

图11 管路磨损

2）改进提升：①编制汽车空调管路设计和布置规范，要求管路设计和布置分层设计，做好设计规范的落地及传承，规范设计文件及设计人员的设计方法，避免不同设计人员绘制不统一问题；②形成空调管路布置评审规范，对管路的设计状态进行静态及动态评估，并在样车装配评审时按照规范要求有针对性地进行管路评审，并留存评审记录便于后期反查。

管路设计时既要考虑固定合理，同时也要考虑预留管路长度的长短，既不冗余，又要满足振动或翻转余量。

4 控制面板

控制面板由运动组件、开关、显示部件和电子元件等组成，用于控制空调系统的部件。在空调系统中控制面板承担着大脑的作用，控制着压缩机、鼓风机、转向电机等部件实现不同的功能。从市场故障件分析看，主要失效模式有控制面板突然黑屏/关机、A/C按键突然失效。

4.1 控制面板突然黑屏/关机

1）故障现象：某款车辆车主在空调正常使用过程中控制面板突然黑屏/关机，经过一段时间后又恢复正常。反复出现此现象，通过更换控制面板等部件也无法排除此问题（图12）。

图12 控制面板

2）原因分析：经过对现场情况查看，确认为对讲机距离控制面板较近时故障发生，远离时控制面板回复正常，初步判断控制面板易受到对讲机干扰，抗干扰能力不足。

3）改进提升：优化控制面板硬件电路，单片机处10M 5032封装无源晶振升级为10M 5032有源晶振，提升面板抗扰能力；同时提醒车主使用正规的对讲机产品。高强度微波辐射对人体危害已被公认，但低强度微波辐射（＜1mW/cm）对人体影响仍有争议。低强度微波辐射对人体具有非致热效应作用。长期接触低强度微波辐射对人体心血管系统、神经系统有一定的影响（对讲机产品选择原则：不工作时低频辐射小于10V/m，工作时低频辐射小于159.5V/m）。因此使用正规合格的对讲机既保障了空调正常使用，又减少对人体的辐射危害。

4.2 A/C按键突然失效

1）故障现象：某款车辆车主在使用完空调后关机，再次上电重启空调按下A/C按键，压缩机不工作，经过一段时间放置后无法恢复正常。

2）原因分析：拆解线路板分析，测量AC-Control端MOS管输出端电压为19.7V，测量正常部件AC-Control端MOS管

为4.5V，初步判断是整车大电流冲击导致MOS管损坏（图13）。

图13 控制面板测量

3）改进提升：在A/C信号控制端增加防反接二极管M7和TVS管，增加继电器反向电动势保护能力（图14）。

图14 控制面板保护电路

5 蒸发器温度传感器

温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。按照测量方式可以分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。蒸发器温度传感器的作用是当温度达到设定要求时断开压缩机电路，压缩机停止工作，温度高于一定值时接通压缩机电路。从市场故障件分析看，主要失效模式为空调管路结冰。

1）故障现象：某款车辆车主在正常使用时，风量变小且出风温度不凉，驾驶室制冷降温效果差，排查发现膨胀阀端空调管路结冰。

2）原因分析：空调管路结冰初步怀疑是蒸发器持续降温并在表面结霜，压缩机保护措施未起作用，蒸发器芯体不断降温将表面结晶水凝结成冰层，并延伸到管路端。此时风阻变大，鼓风机风量变小，进气温度热量吸收较差，出风温度无法下降。在蒸发器芯体上的蒸发器温度传感器此时没有损坏，初步判断是传感器放置位置或参数定义不合理导致。为进一步明确原因，进行蒸发器芯体表面温度分布测试，前期定义蒸发器温度参数为2～4℃（图15）。

图15 蒸发器温度传感器测试

从测量结果看蒸发器温度分布过低，会出现结冰现象，需要改进，传感器布置点接近蒸发器芯体温度，布置合理。

3）改进提升：进一步改进传感器参数定义并进行测量3.5～5.5℃（图16）。

图16 蒸发器温度传感器改进测试

从测量结果看，整体温度分布接近结冰点，但没有超过结冰点，无结冰风险。

6 冷凝器

冷凝器是将气态制冷剂冷却并冷凝为液态的热交换器。从市场故障件分析看，主要失效模式有冷凝器表面脏堵、冷凝器与周边间隙不合理影响散热。

1）故障现象：某款车辆在夏季高温环境下空调系统制冷效果差、压缩机频繁启停、系统压力过高等现象频繁发生。

2）原因分析：系统压力异常的原因，冷凝器散热效果不佳[①表面过脏，空气不流通；②内部堵塞；③电子扇不工作；④发动机（散热器）水温过高等] 导致低压低高压高的故障，严重的会导致低压高高压高。经过排查走访发现冷凝器脏堵明显，导致冷凝器散热效果差，冷凝器高温引起系统压力高，压缩机停机保护（图17）。

3）改进提升：冷凝器定期保养冲洗，改进使用习惯，增强保养清理意识，避免因小问题带来的系统性损坏。

同时由于冷凝器布置位置周边有水箱散热器、车架梁、保险杠等部件，空间狭小拥挤，为保证冷凝器散热效果，冷凝器与水箱的间隙在10～25mm为最佳，过大或过小都会带来一些不利的影响。冷凝器固定处需增加软垫等减振措施，避免长时间剧烈振动造成变形。

图17 冷凝器表面脏堵

7 总结

空调系统的故障改进提升是一个系统性的工程，往往需要考虑各种因素影响，但是空调制冷系统故障也会存在一定的规律性，维修人员可以依据汽车空调制冷系统的工作原理分析故障产生的因果关系，坚持先易后难的原则。同时，排查和维修系统故障时不要急于拆卸更换系统零部件，而应在科学周密的检测基础上查找故障部位，再针对性筛选排除故障，减少维修工作量。另外，通过对空调设计和生产工艺等的过程改进提升，将大大减少后期故障的发生，节省企业市场改进费用的投入，实现增产增效的目的。本文就商用车空调常见5类失效模式具体分析并提出相应解决方案，对于提升空调系统品质具有一定的借鉴意义。