徐國權，武文超，李明，邵翌旻

(1-泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201；2-吉林大學熱能工程系，吉林長春 130025；3-上海三電貝洱汽車空調有限公司，上海 200232)

0 引言

近年來，客戶質量第一的理念使得各主機廠對道路試驗的投入越來越大，同時現(xiàn)有汽車零部件的認證標準主要依托于ISO，ASTM等國際行業(yè)標準，并沒有充分考慮到中國等發(fā)展中國家的使用路況和情況，因此開展實際道路路試是開發(fā)步驟不可或缺的一環(huán)，但是道路試驗有著時間長，試驗樣本數(shù)量有限，投入人力、物力、資本大，可重復性差等缺陷，因此有必要對臺架試驗模擬路試進行研究，以便快速發(fā)現(xiàn)潛在失效模式，節(jié)約開發(fā)成本，保障工程開發(fā)質量[1]。

本文基于M公司整車壓縮機道路試驗的結果，根據對等原理，模擬道路試驗負載，在臺架試驗中復現(xiàn)試驗損傷。

1 壓縮機在道路工況實際表現(xiàn)和試驗工作

壓縮機是汽車空調系統(tǒng)的唯一動力部件，建立空調系統(tǒng)的高、低壓以進行換熱，本體固定在發(fā)動機機架上，本體通過皮帶輪與發(fā)動機輸出惰輪相連后將圓周運動轉化為活塞往復直線運動來進行工作，其切斷吸合通過車室內控制頭給出電磁離合器線圈的通斷進行控制。

根據以往的道路試驗表現(xiàn)，壓縮機的失效模式主要集中在瞬間吸合異響，運行噪聲，輪系異響，壓縮機滲漏，離合線圈燒毀，壓縮機內部運動摩擦副咬死。尤其是最后兩種失效模式危害性極大，往往造成壓縮機總成徹底報廢。

M公司G型車X型6缸單向120 cc排量壓縮機，按照A1(M公司企業(yè)標準)夏季道路試驗標準試驗后發(fā)現(xiàn)壓縮機離合器燒毀，分析拆解壓縮機發(fā)現(xiàn)是內部止推軸承保持架因工藝質量控制問題導致提前斷裂所致，如圖1所示。

針對失效進行臺架復現(xiàn)，按照道試A1規(guī)范，得到G型車采集實際空調壓縮機的吸排氣壓力，壓縮機吸合與斷開時間，如圖2所示。

圖1 X型壓縮機路試離合器線圈失效和保持架斷裂情況

圖2 X型壓縮機路試信號時間采集

2 試驗損傷的量化

試驗損傷理論早在上世紀被各大車廠廣泛應用于試驗設計的計算[2]，如下公式1所示：

式中：

Damage——試驗損傷；

Cycle——試驗時間或者存活時間，以天、小時、循環(huán)次數(shù)為單位；

δ——試驗應力；

Exponent ——倒冪曲線的指數(shù),根據應力種類不同而不同。

任何試驗應力損傷都是由試驗時間以及試驗應力指數(shù)關系所組成，缺一不可，試驗應力包括機械應力，例如加速度、振動位移、形變等，電應力包括電壓，電流，溫度應力，化學應力等[3]。

其中的指數(shù)關系按照產品壽命與應力曲線倒冪公式[4]所得：

式中：

life——產品壽命；

K——試驗模式常數(shù)；

n——倒冪曲線斜率。

其中指數(shù)n的確定最為關鍵。按照常用的工程分析步驟，采用三階應力法進行試驗，一階試驗應力是產品由于設計和材料問題所能承受極限應力的80%，二、三階應力依次是前階應力乘以90%，試驗樣件數(shù)量順序是2、2、不小于3。例如壓縮機12000 r/min左右壓縮機必然超出其共振轉速；根據三階應力法，可得一階應力為轉速9600 r/min時，二、三階應力分別為轉速 8640 r/min、7776 r/min時。每個樣件采用試驗到失效的方式，直到失效為止，統(tǒng)計壽命時間并繪制壽命-應力圖，得到產品最終應力壽命線，直線斜率即為n。

從所得到的直線，可以得出其他各個使用應力條件下產品的預期壽命，同時對于試驗加速和減速試驗有著重要的指導意義。在壓縮機轉速三階應力條件下，共有三個工況進行試驗，每個工況采用 2個樣件，共得到6個樣件的失效壽命，取每個壓縮機轉速下的平均壽命作圖，得到曲線斜率為4.92，如圖3所示。機械應力n在4到5之間。

圖3 倒冪曲線

根據上述理論，同應力條件下試驗損傷等同關系可以進行量化：

式中：

Damagenr——正常使用的應力對試驗件的損傷；

Damageac——應力提升后對試驗件造成的損傷。

根據公式(1)和公式(3)則有：

式中：

δnr——正常使用的試驗應力；

δac——提升后的試驗應力；

lifenr——正常使用的樣件存活時間；

lifeac——應力提升后的樣件存活時間。

根據式(4)可以得到應力提升后的產品預期壽命：

同時：

如果試驗系統(tǒng)有多個應力同時加載[5-6]，則結果如下：

式中：

damage——試驗損傷；

lifecycle——樣件存活時間；

δ1…δn——各個應力值。

如果試驗系統(tǒng)有著不同時段的應力作用，則結果如下：

式中：

Totaldamage——各個應力下的總損傷；

timei——各個時段值；

δi——各個應力值；

exponenti——各個應力對應的倒冪曲線指數(shù)。

3 計算結果及分試驗分析

機械損傷經驗計算公式為：

式中：

rpm ——壓縮機轉速，r/min；

pressure ——壓縮機排氣壓力，MPa。

道路試驗A1標準分為A1-1和A1-2兩大工況，其中A1-1工況大體如下：

1) 事件1：試驗車輛四檔加速到150 km/h。期間壓縮機在3600 r/min運行10 s，在6000 r/min下運行10 s；

2) 事件2：從150 km/h減速到120 km/h。期間壓縮機在6000 r/min下運行5 s，在4800 r/min下運行15 s；

3) 事件3：再次四檔加速到150 km/h。期間壓縮機在3600 r/min下運行10 s；

4) 事件4：5檔150 km/h降速到5檔120 km/h。期間壓縮機在6000 r/min轉速下運行8 s，在4800 r/min下運行16 s；

5) 事件 5：再次加速到 150 km/h，壓縮機在3600 r/min下運行10 s；

6) 事件 6：加速到 160 km/h后減速到 120 km/h。期間壓縮機在6400 r/min運行12 s，在5100 r/min運行10 s。

其他事件過程類似，在這里就不一一贅述。

根據如上損傷等同理論公式，計算出單個工況單個過程的損傷，倍乘總的循環(huán)次數(shù)得到路試 A1標準對于單體壓縮機的損傷后，轉化為臺架應力為：排氣壓力1.7 MPa，壓縮機轉速6600 r/min，詳細試驗結果如表1～表3。

表1 試驗結果：壓縮機吸斷狀態(tài)和次數(shù)

表2 試驗結果：各事件下?lián)p傷值

表3 其它試驗參數(shù)和結果

按照上述臺架試驗要求，問題批次的壓縮機和改進后壓縮機樣品，各用兩件進行臺架模擬路試復現(xiàn)試驗，兩個問題樣件都在連續(xù)運行35 h后表現(xiàn)離合器燒壞，并且壓縮機活塞不動咬死，有效工作時間大概占整個試驗要求的26.5%，這與路試失效里程百分比吻合，而新樣件最終通過132 h考核，說明臺架試驗可以很好地模擬路試應力結果。如圖 4所示是132 h后改進試驗樣件的止推軸承情況，無破損，保持架滾針等零件完好。

4 結論

通過以上的計算分析，可以得到如下結論：

1) 應力壽命的倒冪曲線通過三階應力的試驗模擬，采用小樣本加速試驗可以快速得到一定設計產品下的應力壽命曲線，對預測使用條件下產品預期壽命有著重要的指導意義；

2) 通過應力分析和損傷對等理論分析，可以在不同的試驗條件下進行轉化，可以有效縮短試驗時間，盡早暴露設計缺陷和發(fā)現(xiàn)潛在失效，并且極大節(jié)省試驗資源和開發(fā)成本；

3) 對于本篇所陳述的壓縮機實車道路模擬的方法，受臺架試驗設備能力所限，僅考慮了壓縮機內部機械運動關系，對于外部路面激勵車身振動的影響有待進一步考證。

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