商用車空調系統(tǒng)制冷故障改進提升研究

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的提高，對汽車空調的制冷效果和舒適性要求也隨之越來越高?？照{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。商用車空調系統(tǒng)常見失效模式主要有空調不制冷、空調不涼、空調不工作等，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解決方案。

1 汽車空調制冷過程原理

如圖1所示，汽車空調制冷分為5個過程：①壓縮機通過發(fā)動機皮帶驅動，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)制冷劑經過蒸發(fā)器變成氣態(tài)，同時制冷劑在蒸發(fā)器內大量吸收周圍熱量，車內溫度降低。

圖1 汽車空調制冷過程

2 壓縮機

2.1 壓縮機基本結構和工作原理

如圖2所示，汽車發(fā)動機啟動，汽車空調未開時，發(fā)動機皮帶帶動壓縮機離合器的皮帶輪空轉；當空調啟動，離合器線圈通電，電磁力使驅動盤與皮帶輪吸合，發(fā)動機帶輪帶動離合器帶輪、驅動盤、驅動軸、斜盤同步旋轉；斜盤旋轉驅動活塞在缸孔內作往復運動，活塞的往復運動使缸內容積發(fā)生擴大和縮小的交替變化，缸內容積擴大時，缸內制冷劑氣體壓力降低，排氣閥關閉，蒸發(fā)器內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，缸內容積縮小時，缸內制冷劑氣體壓力升高；吸氣閥關閉，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 壓縮機結構示意圖

壓縮機在空調系統(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，應滿足GB/T 21360—2018《汽車空調用制冷劑壓縮機》標準中的要求，主要有：內部清潔度、含水量、COP值、噪聲值等。汽車空調壓縮機的產品種類包括：往復活塞式、活塞斜盤式、回轉式（旋葉式、滾動活塞式、螺桿式、三角轉子式、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部閥片斷裂、主軸斷裂、離合器燒壞。

2.2 壓縮機內部閥片斷裂

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部潤滑油粘度下降，壓縮機內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部載荷大，超出要求或空轉時扭矩偏大，造成打滑損壞或在冷凝器臟堵或冷凝器散熱不良時，壓縮機運轉扭矩過大，吸盤和皮帶輪打滑，產生高溫，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

由于壓縮機在空調制冷過程中承擔著重要的作用，除了壓縮機自身的品質問外，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，否則應進行調整；另一種是在皮帶中間位置用手翻動皮帶，能轉90°為宜，若轉動角度過多，則為皮帶松弛，應加以張緊，若用手翻轉不動或翻轉角度過小，則說明皮帶過緊，應稍微調松一點。另外，通過市場調研汽車壓縮機正常使用的故障率，正常水平應該在1%以下（圖8），高于以上應注意系統(tǒng)的匹配改進提升。

圖8 壓縮機故障率調研

3 空調管路

由于汽車空調的各部分總成一般分散安裝在汽車的不同位置，空調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系統(tǒng)有序工作?？照{管路通常由鋁管、空調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，空調不制冷（圖9）。

圖9 管路密封圈

2）改進提升：經過對比行業(yè)和乘用車的管路設計結構發(fā)現(xiàn)，行業(yè)目前普遍采用徑向密封結構（圖10），徑向密封結構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部，保證了密封可靠性。

圖10 徑向密封結構

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，導致空調管路出現(xiàn)磨損、破裂，冷媒泄漏，空調不制冷（圖11）。

圖11 管路磨損

2）改進提升：①編制汽車空調管路設計和布置規(guī)范，要求管路設計和布置分層設計，做好設計規(guī)范的落地及傳承，規(guī)范設計文件及設計人員的設計方法，避免不同設計人員繪制不統(tǒng)一問題；②形成空調管路布置評審規(guī)范，對管路的設計狀態(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。

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

4 控制面板

控制面板由運動組件、開關、顯示部件和電子元件等組成，用于控制空調系統(tǒng)的部件。在空調系統(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/關機、A/C按鍵突然失效。

4.1 控制面板突然黑屏/關機

1）故障現(xiàn)象：某款車輛車主在空調正常使用過程中控制面板突然黑屏/關機，經過一段時間后又恢復正常。反復出現(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作用。長期接觸低強度微波輻射對人體心血管系統(tǒng)、神經系統(tǒng)有一定的影響（對講機產品選擇原則：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后關機，再次上電重啟空調按下A/C按鍵，壓縮機不工作，經過一段時間放置后無法恢復正常。

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管路結冰。

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)膨脹閥端空調管路結冰。

2）原因分析：空調管路結冰初步懷疑是蒸發(fā)器持續(xù)降溫并在表面結霜，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晶水凝結成冰層，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

從測量結果看蒸發(fā)器溫度分布過低，會出現(xiàn)結冰現(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

從測量結果看，整體溫度分布接近結冰點，但沒有超過結冰點，無結冰風險。

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

空調系統(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)汽車空調制冷系統(tǒng)的工作原理分析故障產生的因果關系，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，而應在科學周密的檢測基礎上查找故障部位，再針對性篩選排除故障，減少維修工作量。另外，通過對空調設計和生產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)增產增效的目的。本文就商用車空調常見5類失效模式具體分析并提出相應解決方案，對于提升空調系統(tǒng)品質具有一定的借鑒意義。