一種汽車空調(diào)壓縮機(jī)故障的測試分析

劉暢

摘 要：對一種汽車空調(diào)壓縮機(jī)的故障進(jìn)行測試，分析故障產(chǎn)生的原因。對類似產(chǎn)品質(zhì)量司法鑒定具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)；驅(qū)動器；MCU；CAN；PCB

一、前言

2016年某壓縮機(jī)廠聯(lián)合某電子研究所，共同開發(fā)汽車空調(diào)壓縮機(jī)。電子研究所負(fù)責(zé)研制壓縮機(jī)中的驅(qū)動器部分。2017年4月，壓縮機(jī)廠家向汽車廠家交付產(chǎn)品后壓縮機(jī)出現(xiàn)批量不轉(zhuǎn)現(xiàn)象，因不良率高，已安裝的39臺壓縮機(jī)及尚未裝車的三千臺壓縮機(jī)被一并退回。壓縮機(jī)廠和電子研究所因故障原因分歧引發(fā)訴訟。2018年5月法院委托我司對壓縮機(jī)故障原因進(jìn)行鑒定。

我司對壓縮機(jī)進(jìn)行了勘查取樣。從退回的39臺壓縮機(jī)中隨機(jī)抽取5臺（機(jī)殼標(biāo)識編號T1～T5），帶回公司測試分析。

二、樣品測試與技術(shù)分析

涉案壓縮機(jī)為一體式直流無刷變頻電動渦旋空調(diào)壓縮機(jī)。由電機(jī)壓縮機(jī)總成和驅(qū)動器組成。電機(jī)壓縮機(jī)總成由壓縮機(jī)廠家制造；驅(qū)動器總成中的PCB電路板由電子研究所制造，驅(qū)動器的其它零件由電子研究所供圖，壓縮機(jī)廠家制造。為便于描述下文將帶有驅(qū)動器的電機(jī)壓縮機(jī)總成表述為壓縮機(jī)總成，拆除驅(qū)動器的電機(jī)壓縮機(jī)總成表述為壓縮機(jī)。

1.T1～T5測試分析

1）外觀

壓縮機(jī)總成外觀完整，未見異常。驅(qū)動器與壓縮機(jī)之間結(jié)合緊密。

2）CAN通訊

T1、T2、T3、T4 CAN通訊正常；T5 通訊無反應(yīng)。

3）運轉(zhuǎn)測試

T1運轉(zhuǎn)正常；T2、T3和T4不轉(zhuǎn)；T5因CAN通訊故障無法運轉(zhuǎn)。T2、T3和T4故障現(xiàn)象相同，在松開驅(qū)動器與壓縮機(jī)之間的固定螺釘后可運轉(zhuǎn)，緊固螺釘之后壓縮機(jī)停轉(zhuǎn)。

互換驅(qū)動器與壓縮機(jī)的組合，仍有以上現(xiàn)象。顯然擰緊螺釘前后壓縮機(jī)或驅(qū)動器的工作狀態(tài)發(fā)生了變化。

將T5壓縮機(jī)總成的驅(qū)動器更換為T2驅(qū)動器（不擰緊螺釘）測試，運轉(zhuǎn)正常。

4）故障判別

擰緊螺釘時因受力可能發(fā)生形變的零部件包括壓縮機(jī)殼體、驅(qū)動器外殼和驅(qū)動器與壓縮機(jī)接觸的驅(qū)動器底板（MOSFET散熱板）。三者比較，驅(qū)動器底板僅靠三條固定臂與驅(qū)動器蓋板連接，強(qiáng)度明顯弱于壓縮機(jī)殼體和驅(qū)動器蓋板。擰緊螺釘時變形最大的應(yīng)是驅(qū)動器底板。

為了證實上述判斷，將螺釘擰緊之后不轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)總成的驅(qū)動器與壓縮機(jī)之間的聯(lián)線斷開并引出，在不松開螺釘?shù)臈l件下與另一臺壓縮機(jī)和另一臺驅(qū)動器進(jìn)行交叉互換試驗，測試結(jié)果見表1。

測試證實是驅(qū)動器不能驅(qū)動壓縮機(jī)。

5）驅(qū)動器受力后狀態(tài)

取出壓縮機(jī)與驅(qū)動器間的密封墊圈，將驅(qū)動器與壓縮機(jī)緊密貼合但是不上螺釘，驅(qū)動器蓋板與壓縮機(jī)殼體之間的間隙在靠壓縮機(jī)冷媒接口側(cè)的間隙在0.6mm左右，另一側(cè)無明顯間隙。因旋松螺釘之前沒有間隙，可認(rèn)為這是由驅(qū)動器底板在緊固力消除后的回彈造成，旋緊螺釘時驅(qū)動器底板受力產(chǎn)生了形變。

驅(qū)動器底板為近似正方形，三條邊各有一條支撐臂固定在驅(qū)動器蓋板上，另一條邊沒有支撐臂。三條支撐臂中兩條縱向臂較長，位于驅(qū)動器底板中心線附近；橫向支撐臂較短，當(dāng)驅(qū)動器底板受力時，驅(qū)動器底板較短支撐臂變形最小，縱向分布的較長臂變形較大。驅(qū)動器底板在沒有固定臂的一側(cè)產(chǎn)生較大位移。驅(qū)動器底板有另外三條固定臂用來固定PCB。由于PCB的強(qiáng)度比驅(qū)動器底板低，當(dāng)驅(qū)動器底板發(fā)生變形時，三條固定臂將力傳遞給PCB，使PCB變形，安裝在PCB上的元器件焊點上產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力超過焊點強(qiáng)度時會使元器件脫焊，造成驅(qū)動器故障。

6）通過電路分析和檢測確定電路故障

根據(jù)驅(qū)動器電氣原理圖，驅(qū)動器主要由電源變換、MCU、CAN通訊和三路功率輸出部分構(gòu)成。逐漸擰緊螺釘，直至驅(qū)動器不能驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)瞬間停轉(zhuǎn)，無異常聲響或振動，VB（108V外部供電）電流為零，驅(qū)動器的CAN通訊顯示信息正常。這說明此時功率驅(qū)動電路輸出中斷，MCU與CAN電路相關(guān)的供電VCC3V3、VCC5V_O正常。由于三路功率驅(qū)動電路同時發(fā)生故障的概率極小，很可能是它們共用的VCC15V_H電源出現(xiàn)故障。由原理圖知，MCU工作所需的VCC3V3的供電源自VCC5V和VCC5V_H的“或”。其中VCC5V源自外部12V電源；VCC5V_H源自VCC15V_H，VCC15V_H又源自外部VB電源。測試先斷開12V供電，即切斷VCC5V，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)停轉(zhuǎn)時MCU停止工作，證實是VCC15V_H故障導(dǎo)致電機(jī)停轉(zhuǎn)。

7）確定VCC15V_H故障在PCB板上的位置

查看PCB布局圖，VCC15V_H電源相關(guān)元器件位于驅(qū)動器底板中一條固定臂的下方。該處PCB開有分隔槽，且與臂端部有一個結(jié)合點。當(dāng)該結(jié)合點的PCB受到固定 臂作用力產(chǎn)生形變時，分隔槽會阻斷PCB變形的傳遞，分隔槽兩側(cè)之間距離發(fā)生變化。當(dāng)力大小超出表面貼裝元器件焊點所能承受的拉力，將導(dǎo)致跨焊在分隔槽上的二極管或線圈脫焊，引起VCC15V_H電源故障。松開螺釘后，外力消除，斷開的焊點在回彈力的作用下重新貼合，VCC15V_H電源恢復(fù)正常。為了驗證上述判斷的正確性，進(jìn)行以下試驗。試驗結(jié)果證實了上述判斷。

對T2、T3和T4，在VCC15V_H電源上方固定臂與PCB的結(jié)合點施加壓力，均重復(fù)故障現(xiàn)象。

切斷T3驅(qū)動器底板的VCC15V_H電源上方固定臂，阻斷力的傳遞，T3壓縮機(jī)總成的故障即消除，不論螺釘處于松開或緊固狀態(tài)，T3壓縮機(jī)總成都不再出現(xiàn)停轉(zhuǎn)。

8）T5 CAN通訊故障分析

CAN通訊電路的主要器件是CAN總線收發(fā)器和光耦。它們都用到VCC5V_O；光耦還要用到VCC3V3。正常的驅(qū)動器連接CAN-12V插頭之后LED會發(fā)出閃光，MCU工作指示燈亮起。觀察T5驅(qū)動器LED，連接CAN-12V插頭后不發(fā)光。但是連接VB之后LED正常單次閃爍。由于MCU使用的VCC3V3來自VCC5V和VCC5V_H的“或”，上述現(xiàn)象說明VCC5V_H（來自VB）正常，VCC5V（來自12V）異常。檢查VCC5V有關(guān)電路元器件，發(fā)現(xiàn)VCC5V輸入端有明顯燒灼痕跡。測量輸入端端電壓為12V，輸出端端電壓（VCC5V）為0V。

2.檢測結(jié)果歸納分析

1）壓縮機(jī)總成T1可以轉(zhuǎn)動，被列為故障壓縮機(jī)原因不明。

2）壓縮機(jī)總成T2、T3和T4在驅(qū)動器固定螺釘松開前不轉(zhuǎn)，松開后轉(zhuǎn)。原因是驅(qū)動器底板與壓縮機(jī)之間的配合尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷導(dǎo)致PCB上的元器件受力脫焊。

3）壓縮機(jī)總成T5不轉(zhuǎn)的原因是驅(qū)動器VCC5V電路輸入端元件燒壞。原因難以明確判斷。

三、測試結(jié)論

壓縮機(jī)與驅(qū)動器底板之間的過盈配合產(chǎn)生的應(yīng)力和控制器底板結(jié)構(gòu)缺陷共同作用使PCB產(chǎn)生形變，導(dǎo)致PCB上的元器件脫焊。驅(qū)動器底板移位對PCB產(chǎn)生的影響不局限于上述測試過程中已發(fā)現(xiàn)的故障元器件，在應(yīng)力的長期作用下還可能導(dǎo)致PCB板上的其它元件脫焊；同時驅(qū)動器底板移位還可能加大其與壓縮機(jī)之間的熱阻，影響MOSFET的散熱?？傊搲嚎s機(jī)控制器存在故障隱患。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 汽車空調(diào)壓縮機(jī)及控制系統(tǒng)常見故障檢修[J].羅禮培.汽車維修.2012（12）

（作者單位：南京海天檢測有限公司）