空调压缩机支架的有限元分析方法

徐鹏飞，张建操，房程程，苏晓芳，陈帆

空调压缩机支架的有限元分析方法

徐鹏飞，张建操，房程程，苏晓芳，陈帆

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

空调压缩机支架的载荷及布置较复杂，载荷方面包括螺栓预紧力、皮带力以及动载等。布置方面涉及缸体、油底壳及空调压缩机等，文章基于有限元的分析方法，提出了一种分析流程，结果表明，该分析流程能够全面合理地完成空调压缩机支架的校核。

空调压缩机支架；有限元；动载；疲劳

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

前言

空调压缩机是发动机重要附件之一，虽然不是发动机核心部件，但对整车行驶安全性及乘员乘坐舒适性起着至关重要的作用。空调压缩机支架是将空调压缩机安装固定在发动机上的直接支撑，其可靠性直接影响着附件甚至整个发动机能否正常工作。

由于空调压缩机支架载荷较大且复杂，尤其发动机振动产生的加速度会达到15G-20G的程度，同时布置方面涉及零部件较多，零部件材质也不尽相同，因此需进行多项模拟分析保证支架可靠性，故本文提出了一种分析流程，用以保证全面合理的空调压缩机支架校核。

1 支架的有限元分析流程

图1 有限元分析流程图

通过对空调压缩机支架的失效原因分析发现，支架的失效原因包括支架的振动、支架的静载及支架的动载，因此根据失效原因，设计如下分析流程图，见图1。

从流程中可以看出，为了对支架进行全面有效的校核，必须进行模态分析、静强度分析及高周疲劳分析。

2 应用实例

某型号汽油机处于概念设计阶段，现需对其进行空调压缩机支架有限元分析，根据分析流程，对空调压缩机支架进行模态、静强度、接触面滑移量与高周疲劳分析。

载荷为螺栓的预紧力、皮带力以及六个方向的振动加速度。规格M8螺栓，打紧力矩为20～25Nm，相应的最大螺栓预紧力为19800N，最小螺栓预紧力为12400N；规格M6螺栓，打紧力矩为10～12Nm，相应的最大螺栓预紧力为13000N，最小螺栓预紧力为10000N；发动机缸内最大爆发压力70bar，可取15G加速度，空压机皮带力Fmax=2070N，有限元模型如图2所示，有限元模型边界条件如图3所示。

图2 有限元模型

图3 有限元模型边界条件

空调压缩机支架的一阶频率为441.31Hz，见图4。根据振动理论[1,2]，对于一个多自由度系统的运动微分方程为：

式中，M，C，K分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵，X，F分别为系统各点的位移响应向量及激励向量。式(1)经过拉氏变换，得：

令X(w)=ΦQ，Φ为系统各阶模态向量组成的模态矩阵，记为Φ=[φ1，φ2，…，φN]，Q为系统的模态坐标，其物理意义为各阶模态对响应的贡献量，也就是加权系数，记为Q=[q1(w)，q2(w)，…，q3(w)]T，代入式(2)，得：

根据方程可求出系统的N阶频率值w，当w与系统激励力的频率相等时，系统会发生共振。

空调压缩机支架的共振行为受发动机转速频率影响，发动机转速的基频为[3]：

式中，N为发动机气缸数，n为曲轴转速，r为发动机冲程数。

当空调压缩机支架的共振频率带落在发动机转速范围内，就会使支架产生共振失效。

该汽油机的最大持续转速为6600rpm，发动机转速达到6600rpm时其点火频率值为220Hz。根据流程图中公式，空调压缩机支架的一阶频率值等于2倍发动机持续转速时的点火频率值，满足大于1.2倍发动机持续转速时的点火频率值的避振设计要求。

图4 空调压缩机支架一阶模态

图5 为空调压缩机支架在最大螺栓预紧力与15G加速度作用下的应力云图，施加绑定约束和接触单元边界处的应力奇异现象不予考虑，从图中可以看出，支架的最大应力值为163.57MPa，未超过其材料屈服强度极限310MPa，满足强度设计要求。

图5 空调压缩机支架应力云图

图6 最小螺栓预紧力下支架滑移量

从图6中可以看出，支架在螺栓载荷、皮带力和六个方向振动加速度共同作用下，与压缩机、缸体和油底壳接触面的相对最大滑移量分别为3.807um，小于4um的评价限值，满足支架磨损要求。

图7为支架在螺栓荷载、皮带力和六个方向振动加速度共同作用下的高周疲劳安全系数云图。从图中可以看出，支架的高周疲劳最小安全系数为3.42，大于1.1的评价限值，因此，支架在螺栓荷载、皮带力和六个方向振动加速度共同作用下的高周疲劳强度满足要求。

图7 高周疲劳计算结果

图7 中除了支架与螺栓的绑定接触处和与空调压缩机、缸体和油底壳接触边界处的安全系数最低除外，该支架的高周疲劳最小安全系数出现在结构的过渡圆角处，因此，建议在生产加工过程中要保证支架的结构过渡圆角平滑，保证表面质量。

3 结论

空调压缩机支架的校核需进行模态分析、静强度分析及高周疲劳分析，从模态、静强度、接触面滑移量与高周疲劳四个角度进行判断。笔者建立的流程能更真实的模拟空调压缩机支架的受载情况，得到计算结果更为合理全面。

[1] 傅志方,华宏星.模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社,2000.

[2] 倪振华.振动力学[M].西安：西安交通大学出版社,1988.

[3] 朱孟华.内燃机振动与噪声控制[M].北京：国防工业出版社,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

徐鹏飞，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。

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.