汽車空調壓縮機支架有限元分析

摘 要：汽車空調做為現代汽車的一個不可或缺的組成部分，其性能的好壞在很大程度上影響著人們在使用汽車過程中的舒適性、安全性。汽車空調的制冷壓縮機是汽車空調的核心部件，支撐制冷壓縮機的支架設計的合理與否直接對制冷壓縮機產生影響。因此，在設計階段，對支架進行有限元靜力學分析是非常必要的。

關鍵詞：汽車空調；壓縮機；支架；有限元

1 概述

在當代汽車舒適性評價中，汽車空調的安裝與否以及使用過程中的舒適性已經成為人們購買和設計汽車的一個重要考慮部分。由此可知汽車空調已經成為汽車的一個不和或缺的部分。汽車空調系統已經在各類車型中的到廣泛的應用如轎車、客車、貨車等眾多車輛。制冷壓縮機作為汽車空調的核心組成部分，在很大程度上決定了汽車空調的特性。制冷壓縮機的設計中支架作為支撐整個壓縮機的零件，其設計的好壞完全在一定程度上決定了制冷壓縮機的使用性能。因此，開展汽車空調制冷壓縮機支架有限元分析，在設計階段對該零件的性能進行分析，能夠極大地提高設計的工作效率，縮短設計周期，對于設計工作具有非常現實的意義。

在計算機輔助工程中，對于非常復雜的工程分析也能夠實現高精度的分析結果，保證設計工作的有效性。工程上常見的分析如質量、慣性力等進行計算分析；零部件的運動分析（位移、速度、加速度）；零部件的靜力學分析（應力、應變）等多個方面都能夠使用計算機輔助工程進行有效的計算分析。

2 汽車空調壓縮機

汽車空調能夠保證汽車內的溫度達到設定數值，給人或貨物提供一個穩定的溫度環境。制冷系統的運行必須要有動力源，對于汽車來說汽車空調壓縮機提供了汽車空調運行過程中的動力。汽車空調壓縮機在工作過程中主要有以下作用：⑴抽吸作用。在空調運行過程中，壓縮機要不斷的進行抽吸，才能保證蒸發管內的壓力保持在一定的范圍。只有這樣制冷劑才能向車廂或者駕駛室內的提供冷氣。⑵循環泵作用。制冷劑在汽車空調的管道中進行循環，其運動需要有外界提供動力。壓縮機就是為制冷劑的循環提供了動力的部件。⑶壓縮作用。壓縮機在工作時吸入的是低溫低壓的蒸汽（制冷劑），經過壓縮機后低溫低壓的蒸汽壓縮成高溫高壓的蒸汽。該蒸汽在管道中進行循環，在經過冷凝器的時候通過冷凝器向外界排除熱量。

汽車空調的壓縮機通常包括回轉式壓縮機和活塞式壓縮機兩種。回轉式汽車空調壓縮機主要是依靠回轉體的旋轉運動來改變氣缸內的工作容積，以實現對低壓氣態制冷劑的壓縮工作。其主要包括回轉式壓縮機、螺桿式壓縮機等。活塞式壓縮機是依靠活塞在氣缸內的來回運動實現對制冷蒸汽的壓縮目的，通常包括往復式壓縮機以及斜盤式壓縮機兩種。

3 支架有限元分析

⑴接觸問題有限元分析。接觸問題是進行有限元分析的一個常見問題，它屬于邊界非線性問題。接觸問題的突出特點是接觸問題中的部分邊界條件是計算的結果而非給定的條件。接觸體之間的接觸面以及壓力的分布是跟外界載荷有直接的關系，接觸過程中接觸體之間的摩擦或者粘滯等作用使得邊界條件會有一些變化，并且這些變化是不可恢復的。

目前，在解決接觸問題方面已廣泛采用有限元方法，以此來確定接觸面上的應力、變形以及接觸區域的大小。接觸問題使用有限元迭代算法的基本思想是，對于兩個彈性接觸體，把它們進行有限元離散，初始的接觸狀態是根據經驗和具體的實際情況假定的。在求出結點位移后，再求出接觸點的接觸力，然后代入對應接觸狀態的接觸條件中，如果不滿足接觸條件，則修改接觸狀態，再進入下一次迭代。經過幾次循環后，當位移與接觸力滿足接觸條件時，得到的解答就是所求的真實接觸狀態下的解答。

迭代法的求解方法中接觸單元法是被普遍采用的方法。在多數接觸分析中，兩個及其以上的物體之間接觸的面積預先并不明確，所以難以建立精確的接觸關系。如果把接觸邊界之間的間隙區域處理成虛擬的單元，這樣兩個物體之間的接觸系統就可以看成是一個整體（也就是接觸單元），就可以進行有限元網格劃分。

⑵支架有限元分析。通常汽車空調壓縮機是通過支架來固定在汽車發動機上的，因此要想使汽車空調壓縮機能夠正常工作，支架的設計必須滿足強度的要求。因此有必要開展支架的有限元分析，以確定所設計的支架是否滿足要求。選取某型號的旋葉式壓縮機對其支架進行有限元分析首先建立其三維模型如圖1所示。使用有限元分析軟件ABAQUS對該支架進行靜強度分析。

將發動機、壓縮機以及支架和皮帶張緊輪組裝完成后，皮帶上會產生預緊力，將皮帶的預緊力簡化為皮帶切向的集中力大小為10000N，壓縮機通過螺栓固定在支架上面。支架的彈性模量為7.0×104MPa，泊松比為0.3，密度為2.7×103kg/mm3。對該模型采用四面體線性單元進行網格劃分，螺栓連接孔的自由度全部約束后，施加載荷后得到的支架的應力分布圖。

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