許 豐，李豪杰，崔飛蝶

（徐州徐工汽車制造有限公司，江蘇 徐州 221000）

近年來，隨著人們生活水平和生活品質(zhì)的提高，對汽車空調(diào)的制冷效果和舒適性要求也隨之越來越高。空調(diào)一旦失效，將嚴重影響駕乘人員的乘車環(huán)境，危及行車安全。商用車空調(diào)系統(tǒng)常見失效模式主要有空調(diào)不制冷、空調(diào)不涼、空調(diào)不工作等，深入分析發(fā)現(xiàn)可將失效模式進一步細分為：壓縮機失效、空調(diào)管路失效、控制面板失效、蒸發(fā)器溫度傳感器失效、冷凝器失效等。本文主要就5類失效模式具體分析并提出相應(yīng)解決方案。

1 汽車空調(diào)制冷過程原理

如圖1所示，汽車空調(diào)制冷分為5個過程：①壓縮機通過發(fā)動機皮帶驅(qū)動，吸入蒸發(fā)器出口處低溫低壓的氣態(tài)制冷劑并壓縮成高溫高壓的氣態(tài)排向冷凝器；②高溫高壓的氣態(tài)制冷劑氣體進入冷凝器，經(jīng)過冷凝器的散熱后變成高溫高壓的液體；③高溫高壓的液態(tài)制冷劑通過儲液干燥器的儲存、干燥和過濾后進入膨脹閥；④液態(tài)制冷劑經(jīng)過膨脹閥節(jié)流后，壓力急劇下降，以霧狀進入蒸發(fā)器；⑤霧狀液態(tài)制冷劑經(jīng)過蒸發(fā)器變成氣態(tài)，同時制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)大量吸收周圍熱量，車內(nèi)溫度降低。

圖1 汽車空調(diào)制冷過程

2 壓縮機

2.1 壓縮機基本結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖2所示，汽車發(fā)動機啟動，汽車空調(diào)未開時，發(fā)動機皮帶帶動壓縮機離合器的皮帶輪空轉(zhuǎn)；當空調(diào)啟動，離合器線圈通電，電磁力使驅(qū)動盤與皮帶輪吸合，發(fā)動機帶輪帶動離合器帶輪、驅(qū)動盤、驅(qū)動軸、斜盤同步旋轉(zhuǎn)；斜盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動活塞在缸孔內(nèi)作往復(fù)運動，活塞的往復(fù)運動使缸內(nèi)容積發(fā)生擴大和縮小的交替變化，缸內(nèi)容積擴大時，缸內(nèi)制冷劑氣體壓力降低，排氣閥關(guān)閉，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑氣體通過后蓋吸氣口、吸氣通道、吸氣閥被吸入缸內(nèi)，缸內(nèi)容積縮小時，缸內(nèi)制冷劑氣體壓力升高；吸氣閥關(guān)閉，高壓制冷劑氣體推開排氣閥，通過后蓋排氣口進入冷凝器，參與冷凝、降壓、蒸發(fā)的制冷循環(huán)過程。

圖2 壓縮機結(jié)構(gòu)示意圖

壓縮機在空調(diào)系統(tǒng)制冷過程中承擔著“心臟”的作用。在壓縮機匹配選型過程中，應(yīng)滿足GB/T 21360—2018《汽車空調(diào)用制冷劑壓縮機》標準中的要求，主要有：內(nèi)部清潔度、含水量、COP值、噪聲值等。汽車空調(diào)壓縮機的產(chǎn)品種類包括：往復(fù)活塞式、活塞斜盤式、回轉(zhuǎn)式（旋葉式、滾動活塞式、螺桿式、三角轉(zhuǎn)子式、渦旋式等）等；目前燃油車較多主要采用斜盤活塞式壓縮機。從故障件分析看失效模式有壓縮機內(nèi)部閥片斷裂、主軸斷裂、離合器燒壞。

2.2 壓縮機內(nèi)部閥片斷裂

1）故障現(xiàn)象：根據(jù)故障件的拆解情況看，故障件主要體現(xiàn)為內(nèi)部閥片斷裂、變色，通過對比色譜圖，故障件溫度大于440℉接近500℉（圖3、圖4）。

圖3 色譜圖

圖4 壓縮機閥片斷裂、變色

2）原因分析：壓縮機在長時間工作時系統(tǒng)溫度（＞120℃）維持在較高位置使內(nèi)部潤滑油粘度下降，壓縮機內(nèi)部部件長時間運行在高溫環(huán)境，壓縮機吸氣閥片長時間受高溫影響，材料發(fā)生變化，出現(xiàn)脆性斷裂。

3）改進提升：對閥片材料進行優(yōu)化，由碳鋼Sandvik 20C升級為不銹鋼閥片鋼7C27Mo2（服役溫度為300℃），提高閥片耐高溫性能以及疲勞強度。

2.3 主軸斷裂

1）故障現(xiàn)象：拆解主軸斷裂故障件，檢測發(fā)現(xiàn)前蓋回油孔存在異物堵塞（圖5），初步判斷是主要故障原因，同時抽檢庫存合格物料拆解驗證，發(fā)現(xiàn)前蓋回油孔正常貫通。

圖5 回油孔堵塞

2）原因分析：前蓋回油孔有加工殘留物→堵塞回油孔→壓縮機運行時主軸和軸承內(nèi)圈無法回油→壓縮機軸承損傷→壓縮機主軸斷裂→壓縮機失效。

3）改進提升：優(yōu)化生產(chǎn)工序作業(yè)指導，油孔加工完成清洗后，增加使用氣槍清理油孔內(nèi)殘留物要求，下線前再次清洗；并增加100%檢驗油孔要求。

2.4 離合器燒壞

1）故障現(xiàn)象：拆解故障件發(fā)現(xiàn)，吸盤與皮帶輪接觸面有明顯打滑痕跡且離合器線圈燒壞（圖6）。

圖6 離合器故障

2）原因分析：初步懷疑是壓縮機內(nèi)部載荷大，超出要求或空轉(zhuǎn)時扭矩偏大，造成打滑損壞或在冷凝器臟堵或冷凝器散熱不良時，壓縮機運轉(zhuǎn)扭矩過大，吸盤和皮帶輪打滑，產(chǎn)生高溫，導致離合器燒壞。

3）改進提升：皮帶輪摩擦面增加電泳漆處理，提高離合器靜摩擦扭矩，提升至35Nm（圖7）。

圖7 離合器靜摩擦力測試

由于壓縮機在空調(diào)制冷過程中承擔著重要的作用，除了壓縮機自身的品質(zhì)問外，使用環(huán)境、操作習慣、冷凝器芯體性能、蒸發(fā)器芯體性能、膨脹閥選型、壓縮機皮帶松緊度等因素也間接或者直接影響著壓縮機的品質(zhì)可靠性和使用壽命。其中壓縮機皮帶與壓縮機直接相連，為其提供動力，所以皮帶松緊度較為關(guān)鍵，檢查皮帶的松緊度的方法有兩種：一是用拇指全力壓下皮帶中點，若能壓下15～20mm，則說明松緊度適當，否則應(yīng)進行調(diào)整；另一種是在皮帶中間位置用手翻動皮帶，能轉(zhuǎn)90°為宜，若轉(zhuǎn)動角度過多，則為皮帶松弛，應(yīng)加以張緊，若用手翻轉(zhuǎn)不動或翻轉(zhuǎn)角度過小，則說明皮帶過緊，應(yīng)稍微調(diào)松一點。另外，通過市場調(diào)研汽車壓縮機正常使用的故障率，正常水平應(yīng)該在1%以下（圖8），高于以上應(yīng)注意系統(tǒng)的匹配改進提升。

圖8 壓縮機故障率調(diào)研

3 空調(diào)管路

由于汽車空調(diào)的各部分總成一般分散安裝在汽車的不同位置，空調(diào)管路就像人體血管一樣，負責將這些分散的部件連接起來，從而使一套完整的汽車空調(diào)系統(tǒng)有序工作?？照{(diào)管路通常由鋁管、空調(diào)膠管及其他管路附件組合而成。從故障件分析看，失效模式有管路接口密封不嚴泄漏、管路干涉磨損泄漏。

3.1 管路接口密封不嚴泄漏

1）故障現(xiàn)象：通過對實車管路排查，發(fā)現(xiàn)空調(diào)管路前端密封圈裝配不到位、裸露，車輛在惡劣路況長時間運行時，管路振動松脫導致冷媒泄漏，空調(diào)不制冷（圖9）。

圖9 管路密封圈

2）改進提升：經(jīng)過對比行業(yè)和乘用車的管路設(shè)計結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，行業(yè)目前普遍采用徑向密封結(jié)構(gòu)（圖10），徑向密封結(jié)構(gòu)的密封圈鑲嵌在管路上，不易滑動，裝配時能完全進入到膨脹閥內(nèi)部，保證了密封可靠性。

圖10 徑向密封結(jié)構(gòu)

3.2 管路干涉磨損

1）故障現(xiàn)象：通過對故障件和市場車輛檢測發(fā)現(xiàn)，管路與周邊間隙較小動態(tài)磨損等問題，導致空調(diào)管路出現(xiàn)磨損、破裂，冷媒泄漏，空調(diào)不制冷（圖11）。

圖11 管路磨損

2）改進提升：①編制汽車空調(diào)管路設(shè)計和布置規(guī)范，要求管路設(shè)計和布置分層設(shè)計，做好設(shè)計規(guī)范的落地及傳承，規(guī)范設(shè)計文件及設(shè)計人員的設(shè)計方法，避免不同設(shè)計人員繪制不統(tǒng)一問題；②形成空調(diào)管路布置評審規(guī)范，對管路的設(shè)計狀態(tài)進行靜態(tài)及動態(tài)評估，并在樣車裝配評審時按照規(guī)范要求有針對性地進行管路評審，并留存評審記錄便于后期反查。

管路設(shè)計時既要考慮固定合理，同時也要考慮預(yù)留管路長度的長短，既不冗余，又要滿足振動或翻轉(zhuǎn)余量。

4 控制面板

控制面板由運動組件、開關(guān)、顯示部件和電子元件等組成，用于控制空調(diào)系統(tǒng)的部件。在空調(diào)系統(tǒng)中控制面板承擔著大腦的作用，控制著壓縮機、鼓風機、轉(zhuǎn)向電機等部件實現(xiàn)不同的功能。從市場故障件分析看，主要失效模式有控制面板突然黑屏/關(guān)機、A/C按鍵突然失效。

4.1 控制面板突然黑屏/關(guān)機

1）故障現(xiàn)象：某款車輛車主在空調(diào)正常使用過程中控制面板突然黑屏/關(guān)機，經(jīng)過一段時間后又恢復(fù)正常。反復(fù)出現(xiàn)此現(xiàn)象，通過更換控制面板等部件也無法排除此問題（圖12）。

圖12 控制面板

2）原因分析：經(jīng)過對現(xiàn)場情況查看，確認為對講機距離控制面板較近時故障發(fā)生，遠離時控制面板回復(fù)正常，初步判斷控制面板易受到對講機干擾，抗干擾能力不足。

3）改進提升：優(yōu)化控制面板硬件電路，單片機處10M 5032封裝無源晶振升級為10M 5032有源晶振，提升面板抗擾能力；同時提醒車主使用正規(guī)的對講機產(chǎn)品。高強度微波輻射對人體危害已被公認，但低強度微波輻射（＜1mW/cm）對人體影響仍有爭議。低強度微波輻射對人體具有非致熱效應(yīng)作用。長期接觸低強度微波輻射對人體心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)有一定的影響（對講機產(chǎn)品選擇原則：不工作時低頻輻射小于10V/m，工作時低頻輻射小于159.5V/m）。因此使用正規(guī)合格的對講機既保障了空調(diào)正常使用，又減少對人體的輻射危害。

4.2 A/C按鍵突然失效

1）故障現(xiàn)象：某款車輛車主在使用完空調(diào)后關(guān)機，再次上電重啟空調(diào)按下A/C按鍵，壓縮機不工作，經(jīng)過一段時間放置后無法恢復(fù)正常。

2）原因分析：拆解線路板分析，測量AC-Control端MOS管輸出端電壓為19.7V，測量正常部件AC-Control端MOS管

為4.5V，初步判斷是整車大電流沖擊導致MOS管損壞（圖13）。

圖13 控制面板測量

3）改進提升：在A/C信號控制端增加防反接二極管M7和TVS管，增加繼電器反向電動勢保護能力（圖14）。

圖14 控制面板保護電路

5 蒸發(fā)器溫度傳感器

溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。按照測量方式可以分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。蒸發(fā)器溫度傳感器的作用是當溫度達到設(shè)定要求時斷開壓縮機電路，壓縮機停止工作，溫度高于一定值時接通壓縮機電路。從市場故障件分析看，主要失效模式為空調(diào)管路結(jié)冰。

1）故障現(xiàn)象：某款車輛車主在正常使用時，風量變小且出風溫度不涼，駕駛室制冷降溫效果差，排查發(fā)現(xiàn)膨脹閥端空調(diào)管路結(jié)冰。

2）原因分析：空調(diào)管路結(jié)冰初步懷疑是蒸發(fā)器持續(xù)降溫并在表面結(jié)霜，壓縮機保護措施未起作用，蒸發(fā)器芯體不斷降溫將表面結(jié)晶水凝結(jié)成冰層，并延伸到管路端。此時風阻變大，鼓風機風量變小，進氣溫度熱量吸收較差，出風溫度無法下降。在蒸發(fā)器芯體上的蒸發(fā)器溫度傳感器此時沒有損壞，初步判斷是傳感器放置位置或參數(shù)定義不合理導致。為進一步明確原因，進行蒸發(fā)器芯體表面溫度分布測試，前期定義蒸發(fā)器溫度參數(shù)為2～4℃（圖15）。

圖15 蒸發(fā)器溫度傳感器測試

從測量結(jié)果看蒸發(fā)器溫度分布過低，會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，需要改進，傳感器布置點接近蒸發(fā)器芯體溫度，布置合理。

3）改進提升：進一步改進傳感器參數(shù)定義并進行測量3.5～5.5℃（圖16）。

圖16 蒸發(fā)器溫度傳感器改進測試

從測量結(jié)果看，整體溫度分布接近結(jié)冰點，但沒有超過結(jié)冰點，無結(jié)冰風險。

6 冷凝器

冷凝器是將氣態(tài)制冷劑冷卻并冷凝為液態(tài)的熱交換器。從市場故障件分析看，主要失效模式有冷凝器表面臟堵、冷凝器與周邊間隙不合理影響散熱。

1）故障現(xiàn)象：某款車輛在夏季高溫環(huán)境下空調(diào)系統(tǒng)制冷效果差、壓縮機頻繁啟停、系統(tǒng)壓力過高等現(xiàn)象頻繁發(fā)生。

2）原因分析：系統(tǒng)壓力異常的原因，冷凝器散熱效果不佳[①表面過臟，空氣不流通；②內(nèi)部堵塞；③電子扇不工作；④發(fā)動機（散熱器）水溫過高等] 導致低壓低高壓高的故障，嚴重的會導致低壓高高壓高。經(jīng)過排查走訪發(fā)現(xiàn)冷凝器臟堵明顯，導致冷凝器散熱效果差，冷凝器高溫引起系統(tǒng)壓力高，壓縮機停機保護（圖17）。

3）改進提升：冷凝器定期保養(yǎng)沖洗，改進使用習慣，增強保養(yǎng)清理意識，避免因小問題帶來的系統(tǒng)性損壞。

同時由于冷凝器布置位置周邊有水箱散熱器、車架梁、保險杠等部件，空間狹小擁擠，為保證冷凝器散熱效果，冷凝器與水箱的間隙在10～25mm為最佳，過大或過小都會帶來一些不利的影響。冷凝器固定處需增加軟墊等減振措施，避免長時間劇烈振動造成變形。

圖17 冷凝器表面臟堵

7 總結(jié)

空調(diào)系統(tǒng)的故障改進提升是一個系統(tǒng)性的工程，往往需要考慮各種因素影響，但是空調(diào)制冷系統(tǒng)故障也會存在一定的規(guī)律性，維修人員可以依據(jù)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的工作原理分析故障產(chǎn)生的因果關(guān)系，堅持先易后難的原則。同時，排查和維修系統(tǒng)故障時不要急于拆卸更換系統(tǒng)零部件，而應(yīng)在科學周密的檢測基礎(chǔ)上查找故障部位，再針對性篩選排除故障，減少維修工作量。另外，通過對空調(diào)設(shè)計和生產(chǎn)工藝等的過程改進提升，將大大減少后期故障的發(fā)生，節(jié)省企業(yè)市場改進費用的投入，實現(xiàn)增產(chǎn)增效的目的。本文就商用車空調(diào)常見5類失效模式具體分析并提出相應(yīng)解決方案，對于提升空調(diào)系統(tǒng)品質(zhì)具有一定的借鑒意義。