汽车空调压缩机阀片疲劳强度计算及应力分析

方益

摘 要：文章针对汽车空调压缩机阀片疲劳强度计算及应力分析的研究。选型阀片时候，对于如何选择材质、厚度、弹性模量、疲劳强度的合理性进行理论说明；同时对于阀片使用过程中出现的应力集中，导致的阀片断裂，进行分析并进行设计规避。让设计人员对于阀片的选择以及应力分析改善，提供实际对应方式。

关键词：压缩机 阀片 弹性模量 SEM 疲劳强度 应力 位移

随着国内汽车市场的蓬勃发展，汽车的产销量都以位居世界第一，随着汽车工业的成熟，人们对汽车的质量以及舒适度的要求也越来越高。其中汽车空调是改善驾驶室舒适度重要的一个系统部件，而作为汽车空调压缩机更是汽车空调系统的心脏，起着制冷剂蒸气压缩和运输的作用。阀片作为压缩机的一个部件，每一次做功都要进行高速拍打，自身的要求是非常高的，包括目前使用的阀片材质也都是以瑞典钢带最为主流，所以對阀片的应用需要谨慎面对。

目前市场会有阀片断裂的各种退机，现在对其中一种我们进行前期分析，先了解一下阀片断裂的具体原因。

图1是我们在失效件上面做一下需要分析处的标识；

针对失效件，我们进行对断裂处放大观察，目前只针对断面1进行数据说明：

断面放大图：（图2）

放大观察结果：

· 破面微观形状在外R附近呈直线形，向内R附近靠近时打弯；

· 外R部附近破面呈直线性延展；

· 内R部附近的破面呈凹凸状；

· 外R部附近的阀板侧发现有棘轮纹路（Ratchet mark）；

· 内R部附近有凹凸，缸体侧呈尖锐状；

1、针对断面1的外R部进行SEM观察（A视）；（图3）

2、针对断面1的内R部进行SEM观察（B视）；（图4）

经SEM放大观察：

· 外R部附近的阀板侧发现有棘轮纹路（Ratchet mark） ；

· 外R部附近发现有疲劳破面；

· 内R部附近有酒窝状纹路（Dimple）；

故得出此阀片断裂为疲劳断裂；

根据以上分析结果，我们考虑阀片疲劳强度是否满足设计要求，以及设计的形状是否避开应力集中。

1 阀片疲劳强度设计验证：

1、公式说明（图5）

剖视图离中立面越远垂直应力、垂直应变越大。

与中立面的距离y成正比例，与曲率半径R成反比例。

2、选型设计

这款压缩机是比较常规的5H14机型，根据空间以及阀片的开度合适性，确定了开启后最终的弧度R为136mm，阀片厚度选择为0.305mm。材质选择瑞典钢带20C或者7C27Mo2，这两个材料的弹性模量均为210GPa（210000Mpa）。

计算得：

经查的20C的疲劳强度为680Mpa，7C27Mo2的疲劳强度为710Mpa；

所以根据计算结果，实际使用的应力远远小于材质的疲劳强度，所以设计上尺寸和材质满足设计要求。

2 应力分析设计验证：

1、现有结构分析（图6）

现有尺寸示意图（图7）

2、改善结构分析

根据力学的相关理论常识，对形状尺寸进行了调整。如图8，上面显示细线的是原来的结构。

3 数据对比

通过软件模拟进行simulation分析，对比新、老结构的受力位置、数值及位移的对比分析，得出是否具有改善效果。

1、受力位置都在根部，说明根部是最易断裂的地方，和我们实际发生案例一致；

2、应力从246N/mm2下降到219N/mm2，下降幅度达到11%；

3、位移从1.925mm下降到1.87mm，大约有0.055mm的影响，占比约2.9%，不会有什么影响；

4 结论

通过对失效件的选型分析，得出我们选型是没有问题的，于是我们对应力进行分析，并合理通过改变形状进行应力优化，优化幅度达到11%，同时对比了位移，影响幅度为2.9%，不会对产品使用造成影响。这种改善方案一旦定型，不会有任何成本上的上升，但是应力下降了11%，这样阀片断裂的故障率也会随之下降。

参考文献：

[1]陈孟湘.汽车空调—原理、结构、安装、维修，上海：上海交通大学出版社，2001.

[2]胡庚祥，蔡珣.材料科学基础，上海：上海交通大学出版社，2010.

[3]李世芸.弹性力学及有限元，北京：机械工业出版社，2016.

[4]周玉.材料分析方法，北京：机械工业出版社，2020.