空調壓縮機支架的有限元分析方法

徐鵬飛，張建操，房程程，蘇曉芳，陳帆

空調壓縮機支架的有限元分析方法

徐鵬飛，張建操，房程程，蘇曉芳，陳帆

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

空調壓縮機支架的載荷及布置較復雜，載荷方面包括螺栓預緊力、皮帶力以及動載等。布置方面涉及缸體、油底殼及空調壓縮機等，文章基于有限元的分析方法，提出了一種分析流程，結果表明，該分析流程能夠全面合理地完成空調壓縮機支架的校核。

空調壓縮機支架；有限元；動載；疲勞

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-79-03

前言

空調壓縮機是發動機重要附件之一，雖然不是發動機核心部件，但對整車行駛安全性及乘員乘坐舒適性起著至關重要的作用。空調壓縮機支架是將空調壓縮機安裝固定在發動機上的直接支撐，其可靠性直接影響著附件甚至整個發動機能否正常工作。

由于空調壓縮機支架載荷較大且復雜，尤其發動機振動產生的加速度會達到15G-20G的程度，同時布置方面涉及零部件較多，零部件材質也不盡相同，因此需進行多項模擬分析保證支架可靠性，故本文提出了一種分析流程，用以保證全面合理的空調壓縮機支架校核。

1 支架的有限元分析流程

圖1 有限元分析流程圖

通過對空調壓縮機支架的失效原因分析發現，支架的失效原因包括支架的振動、支架的靜載及支架的動載，因此根據失效原因，設計如下分析流程圖，見圖1。

從流程中可以看出，為了對支架進行全面有效的校核，必須進行模態分析、靜強度分析及高周疲勞分析。

2 應用實例

某型號汽油機處于概念設計階段，現需對其進行空調壓縮機支架有限元分析，根據分析流程，對空調壓縮機支架進行模態、靜強度、接觸面滑移量與高周疲勞分析。

載荷為螺栓的預緊力、皮帶力以及六個方向的振動加速度。規格M8螺栓，打緊力矩為20～25Nm，相應的最大螺栓預緊力為19800N，最小螺栓預緊力為12400N；規格M6螺栓，打緊力矩為10～12Nm，相應的最大螺栓預緊力為13000N，最小螺栓預緊力為10000N；發動機缸內最大爆發壓力70bar，可取15G加速度，空壓機皮帶力Fmax=2070N，有限元模型如圖2所示，有限元模型邊界條件如圖3所示。

圖2 有限元模型

圖3 有限元模型邊界條件

空調壓縮機支架的一階頻率為441.31Hz，見圖4。根據振動理論[1,2]，對于一個多自由度系統的運動微分方程為：

式中，M，C，K分別為系統的質量、阻尼及剛度矩陣，X，F分別為系統各點的位移響應向量及激勵向量。式(1)經過拉氏變換，得：

令X(w)=ΦQ，Φ為系統各階模態向量組成的模態矩陣，記為Φ=[φ1，φ2，…，φN]，Q為系統的模態坐標，其物理意義為各階模態對響應的貢獻量，也就是加權系數，記為Q=[q1(w)，q2(w)，…，q3(w)]T，代入式(2)，得：

根據方程可求出系統的N階頻率值w，當w與系統激勵力的頻率相等時，系統會發生共振。

空調壓縮機支架的共振行為受發動機轉速頻率影響，發動機轉速的基頻為[3]：

式中，N為發動機氣缸數，n為曲軸轉速，r為發動機沖程數。

當空調壓縮機支架的共振頻率帶落在發動機轉速范圍內，就會使支架產生共振失效。

該汽油機的最大持續轉速為6600rpm，發動機轉速達到6600rpm時其點火頻率值為220Hz。根據流程圖中公式，空調壓縮機支架的一階頻率值等于2倍發動機持續轉速時的點火頻率值，滿足大于1.2倍發動機持續轉速時的點火頻率值的避振設計要求。

圖4 空調壓縮機支架一階模態

圖5 為空調壓縮機支架在最大螺栓預緊力與15G加速度作用下的應力云圖，施加綁定約束和接觸單元邊界處的應力奇異現象不予考慮，從圖中可以看出，支架的最大應力值為163.57MPa，未超過其材料屈服強度極限310MPa，滿足強度設計要求。

圖5 空調壓縮機支架應力云圖

圖6 最小螺栓預緊力下支架滑移量

從圖6中可以看出，支架在螺栓載荷、皮帶力和六個方向振動加速度共同作用下，與壓縮機、缸體和油底殼接觸面的相對最大滑移量分別為3.807um，小于4um的評價限值，滿足支架磨損要求。

圖7為支架在螺栓荷載、皮帶力和六個方向振動加速度共同作用下的高周疲勞安全系數云圖。從圖中可以看出，支架的高周疲勞最小安全系數為3.42，大于1.1的評價限值，因此，支架在螺栓荷載、皮帶力和六個方向振動加速度共同作用下的高周疲勞強度滿足要求。

圖7 高周疲勞計算結果

圖7 中除了支架與螺栓的綁定接觸處和與空調壓縮機、缸體和油底殼接觸邊界處的安全系數最低除外，該支架的高周疲勞最小安全系數出現在結構的過渡圓角處，因此，建議在生產加工過程中要保證支架的結構過渡圓角平滑，保證表面質量。

3 結論

空調壓縮機支架的校核需進行模態分析、靜強度分析及高周疲勞分析，從模態、靜強度、接觸面滑移量與高周疲勞四個角度進行判斷。筆者建立的流程能更真實的模擬空調壓縮機支架的受載情況，得到計算結果更為合理全面。

[1] 傅志方,華宏星.模態分析理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社,2000.

[2] 倪振華.振動力學[M].西安：西安交通大學出版社,1988.

[3] 朱孟華.內燃機振動與噪聲控制[M].北京：國防工業出版社,1995.

Finite Element Analysis Method For Engine Air Conditioner Compressor Bracket

Xu Pengfei, Zhang Jiancao, Fang Chengcheng, Su Xiaofang, Chen Fan
( Technology Center, Anhui Jianghuai Automobile group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

air conditioner compressor bracket; finite; dynamic load; fatigue

U463.6

A

1671-7988(2017)16-79-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.029

徐鵬飛，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心。

Abscract: Load and arrangement of air consitioner compressor bracket is very complex, c load include of bolt pretension, belt force and dynamic load. Arrangement include of cylinder block,oil pan and air consitioner compressor bracket. Based on finite element analysis method, propose an analysis process, the result shows the finite element analysis flow of air consitioner compressor bracket is comprehensive and reasonable.