汽車總裝車間空調(diào)系統(tǒng)冷媒加注品質(zhì)探析

摘要：汽車空調(diào)系統(tǒng)為乘員提供舒適的乘車環(huán)境，是衡量汽車功能是否齊全的標(biāo)志之一。在車內(nèi)空氣溫度調(diào)節(jié)過程中，需以冷媒為媒介進(jìn)行溫度傳遞，因此冷媒加注一直是整車裝配過程中非常重要的工序。為了保證冷媒的加注品質(zhì)，整車總裝車間基本采用冷媒真空加注機(jī)完成加注工藝。從冷媒真空加注機(jī)設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、加注品質(zhì)保證及常發(fā)不良影響因素等方面，對(duì)整車?yán)涿秸婵占幼⑦@一重要工序在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)介紹。

關(guān)鍵詞：空調(diào)系統(tǒng)；真空加注；冷媒

中圖分類號(hào)：U463.2" 收稿日期：2023-09-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.023

1 前言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車得到了極大的普及，汽車的舒適性也獲得越來越多的關(guān)注，汽車空調(diào)將車廂內(nèi)的溫度、濕度、空氣清潔度及空氣流動(dòng)控制在較好狀態(tài)，為乘員提供舒適的乘坐環(huán)境，減少旅途疲勞，為駕駛員創(chuàng)造良好的工作條件，確保了行車安全。而空調(diào)的良好運(yùn)行有賴于系統(tǒng)內(nèi)冷媒的正常工作，各主機(jī)廠將空調(diào)系統(tǒng)冷媒加注作為一類工序進(jìn)行管控。

2 汽車空調(diào)系統(tǒng)冷媒應(yīng)用概述

汽車空調(diào)系統(tǒng)是指能對(duì)車內(nèi)空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，核心功能主要為車內(nèi)空氣制冷，制熱及循環(huán)過濾。在車內(nèi)空氣溫度調(diào)節(jié)過程中，需采用冷媒進(jìn)行溫度傳遞，當(dāng)前主機(jī)廠汽車空調(diào)系統(tǒng)基本全部使用R134a冷媒。

空調(diào)系統(tǒng)除了調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度外，也可用于混動(dòng)車型的電池系統(tǒng)冷卻。目前部分混合動(dòng)力汽車，如廣汽傳祺的鉅浪混動(dòng)（HEV）、比亞迪PHEV、寶馬PHEV等車型均采用冷媒直冷?？照{(diào)直接冷卻，電池冷卻板相當(dāng)于蒸發(fā)器，并聯(lián)在車載空調(diào)系統(tǒng)中。這種結(jié)構(gòu)相比液冷更加簡(jiǎn)潔，有利于降本和輕量化［1］。

2.1 汽車空調(diào)系統(tǒng)冷媒加注方法

汽車生產(chǎn)普遍采用流水線生產(chǎn)模式，為保證汽車空調(diào)系統(tǒng)冷媒加注品質(zhì)，達(dá)成線體節(jié)拍要求，加注工藝多采用負(fù)壓隨線加注設(shè)備。負(fù)壓隨線加注設(shè)備的冷媒加注工藝是利用設(shè)備高低壓端接頭與車輛空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行連接，通過殘余壓力檢測(cè)、密封性檢測(cè)后，對(duì)車輛加注一定量冷媒，檢測(cè)加注量在設(shè)定范圍內(nèi)后，結(jié)束加注循環(huán)并記錄加注數(shù)據(jù)。圖1為汽車空調(diào)系統(tǒng)冷媒加注設(shè)備動(dòng)作流程圖。

2.2 冷媒加注設(shè)備結(jié)構(gòu)原理

以廣汽乘用車有限公司總裝現(xiàn)場(chǎng)冷媒二合一加注機(jī)（兼容冷媒、防凍液加注）為例，加注機(jī)由移動(dòng)單元、基本單元兩部分組成。

移動(dòng)單元是指隨線體移動(dòng)的設(shè)備模塊單元，一臺(tái)冷媒加注設(shè)備可配備多個(gè)移動(dòng)單元，其數(shù)量主要取決于設(shè)備運(yùn)行節(jié)拍及生產(chǎn)節(jié)拍。移動(dòng)單元的功能是與車輛空調(diào)系統(tǒng)連接、完成真空密封性檢測(cè)及冷媒定量加注。真空檢測(cè)元件主要包含真空泵、真空檢測(cè)傳感器、高低壓端接頭、真空軟管、閥件；定量加注控制元件主要為質(zhì)量流量傳感器（見圖2）。

基本單元是指固定在線邊的設(shè)備模塊單元，其主要功能是為移動(dòng)單元提供壓力穩(wěn)定、高純度的高壓液態(tài)冷媒。加注壓力控制元件主要包含增壓泵、蓄能器；加注純度控制元件主要包含干燥過濾器、氣液分離罐等［2］（見圖3）。

3 總裝車間冷媒加注質(zhì)量保證原理

為保證空調(diào)系統(tǒng)冷媒加注質(zhì)量，加注冷媒前需保證管路密封完好，冷媒加注時(shí)保證達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍的加注壓力、質(zhì)量及純度。

3.1 冷媒加注管路密封性保證

冷媒加注前需首先進(jìn)行管路密封性檢測(cè)，以確保管路是否達(dá)到密封性要求?？蛙嚨热莘e較大的空調(diào)系統(tǒng)一般采用正壓、負(fù)壓結(jié)合檢測(cè)；轎車等容積較小的空調(diào)系統(tǒng)一般采用負(fù)壓檢測(cè)。公司以生產(chǎn)轎車、SUV、MPV車型為主，管路密封性檢測(cè)采用負(fù)壓檢測(cè)方式。

負(fù)壓檢測(cè)原理：真空加注設(shè)備在對(duì)整車管路系統(tǒng)進(jìn)行抽真空的過程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)壓力變化情況，并根據(jù)設(shè)定的抽真空時(shí)間及壓力限值對(duì)管路系統(tǒng)的密封性進(jìn)行判斷，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的負(fù)壓密封性檢測(cè)（見圖4）。

整個(gè)負(fù)壓真空檢測(cè)過程分為動(dòng)態(tài)檢測(cè)和靜態(tài)檢測(cè)兩個(gè)部分。動(dòng)態(tài)檢測(cè)主要針對(duì)較明顯的泄漏進(jìn)行檢測(cè)，靜態(tài)檢測(cè)主要是為了提高對(duì)小泄漏判斷的準(zhǔn)確性，其區(qū)別在于真空泵是否對(duì)系統(tǒng)管路發(fā)生作用，即真空泵與整車系統(tǒng)管路間的閥門是否打開（見圖5）。

3.2 冷媒加注純度要求保證

空調(diào)系統(tǒng)中加注冷媒不應(yīng)含有空氣及水份（lt;0.01%），否則會(huì)導(dǎo)致空調(diào)壓力過高，同時(shí)發(fā)生冰堵現(xiàn)象，大大減少壓縮機(jī)的使用壽命。

a.冷媒純度保證方法。在冷媒加注設(shè)備輸出端通過密封性檢測(cè)過程中抽真空，排空空氣及水分；輸入端通過干燥過濾器吸收冷媒中水分，氣液分離罐及排氣閥將冷媒中的空氣排除。

b.氣液分離工作原理。氣液分離罐內(nèi)置有浮球液位開關(guān)用于檢測(cè)液體高度，在高壓狀態(tài)下冷媒為液態(tài)，由于空氣質(zhì)量大于液態(tài)冷媒質(zhì)量，罐內(nèi)空氣上浮，當(dāng)液面低于一定位置使浮球液位開關(guān)觸發(fā)時(shí)，會(huì)通過電磁排氣閥進(jìn)行放氣，排出罐內(nèi)空氣（見圖6）。

3.3 冷媒加注壓力要求保證

在冷媒加注過程中，加注壓力需在12～17 MPa之間，因此設(shè)備端設(shè)定壓力一般為（1.5±0.2）MPa，以測(cè)試?yán)涿较到y(tǒng)耐壓能力及保持冷媒為液態(tài)狀態(tài)加注。

冷媒加注設(shè)備加注壓力保證系統(tǒng)由增壓、穩(wěn)壓、壓力檢測(cè)三部分組成，增壓、穩(wěn)壓功能由基本單元增壓泵及蓄能器組合實(shí)現(xiàn)，壓力檢測(cè)功能由移動(dòng)單元壓力檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)。

a.冷媒加注增壓過程。增壓泵（見圖7）利用低壓氣體驅(qū)動(dòng)大面積活塞側(cè)，在小面積活塞上產(chǎn)生高壓，搭配4個(gè)單向閥，通過往復(fù)運(yùn)動(dòng)可抽取冷媒罐中冷媒并完成增壓，其輸出壓力可通過驅(qū)動(dòng)氣壓無級(jí)調(diào)節(jié)。

b.冷媒加注穩(wěn)壓過程。增壓泵每次泵送壓力不穩(wěn)定，為保證供給冷媒壓力穩(wěn)定性，需增設(shè)蓄能器。蓄能器利用氣體的可壓縮性，預(yù)充一定壓力的氮?dú)?，?dāng)泵送壓力升高時(shí)，冷媒進(jìn)入蓄能器，氣體被壓縮；當(dāng)泵送壓力下降時(shí)，壓縮氣體膨脹，冷媒壓入回路（見圖8）。

c.冷媒加注壓力檢測(cè)過程。PLC通過壓力檢測(cè)傳感器（見圖9）檢測(cè)讀取加注管路壓力，由內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)加注壓力判斷，當(dāng)加注過程中壓力不在允許范圍內(nèi)時(shí)，設(shè)備會(huì)報(bào)警提示并停止加注進(jìn)程。冷媒加注設(shè)備壓力檢測(cè)元件一般采用的是電容式陶瓷壓力傳感器，壓力變化會(huì)改變陶瓷膜片弧度影響電流，電流變化通過模擬量模塊傳入PLC，經(jīng)過模擬量計(jì)算得出實(shí)際壓力值。

3.4 冷媒加注質(zhì)量要求保證

冷媒加注設(shè)備根據(jù)工藝下發(fā)的技術(shù)更改指示書設(shè)置各車型加注量及加注公差。

冷媒加注設(shè)備通過掃描槍讀取產(chǎn)品車MTOC碼以識(shí)別加注車型，調(diào)取車型加注參數(shù)進(jìn)行加注，再通過質(zhì)量流量計(jì)控制實(shí)際加注流量，并在加注量異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。

冷媒加注量計(jì)量原理：質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)基于科氏力原理進(jìn)行測(cè)量，科氏力是在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，做直線運(yùn)動(dòng)的物體所受到的力

[FC=2?m（v·ω）]

Fc科氏力大小取決于運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量[?m]和其徑向速度[v]，還取決于物體的質(zhì)量流量，質(zhì)量流量計(jì)使用測(cè)量管的振動(dòng)替代旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的恒定角速度[ω]。當(dāng)介質(zhì)流經(jīng)測(cè)量管時(shí)，振動(dòng)的測(cè)量管會(huì)受到科氏力的影響產(chǎn)生形變，從而導(dǎo)致測(cè)量管兩端產(chǎn)生相位差，相位差電信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬量輸入PLC中，通過程序公式計(jì)算得出冷媒加注量（見圖10）。

4 空調(diào)系統(tǒng)品質(zhì)異常設(shè)備因素分析

冷媒真空加注是總裝車間最為復(fù)雜的工藝之一，在實(shí)際使用中要特別注意設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)。真空加注效果受諸多因素影響，情況復(fù)雜，對(duì)各影響因素進(jìn)行充分識(shí)別并使之受控是提高冷媒加注品質(zhì)的必要前提。設(shè)備方面的主要影響因素及常發(fā)故障主要表現(xiàn)為密封性異常及加注量異常。

4.1 密封性異常因素分析

a.真空泵抽空能力變化。目前設(shè)備使用萊寶旋片式真空泵，真空泵本體出現(xiàn)異常會(huì)影響真空性能。同時(shí)真空泵內(nèi)需添加一定量潤(rùn)滑油，若潤(rùn)滑油油質(zhì)或者油量不滿足要求時(shí)，也會(huì)影響真空性能，需對(duì)潤(rùn)滑油液位及油質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)補(bǔ)加或更換。

b.高低壓端接頭密封失效。加注頭每天成百上千次的夾緊動(dòng)作，造成加注頭密封圈磨損，同時(shí)受加注冷媒長(zhǎng)期低溫影響，加速了密封件老化，必須對(duì)密封件及接頭定期更換，避免密封不良問題。

c.設(shè)備自身管路發(fā)生泄漏。設(shè)備使用過程中，部分軟管連接部分反復(fù)受到拉扯、扭曲等外力作用，導(dǎo)致管路破損或老化泄漏。

d.真空閥件卡阻。設(shè)備使用過程中，真空閥件需頻繁打開關(guān)閉，需及時(shí)補(bǔ)充潤(rùn)滑；同時(shí)密封圈及閥件本體會(huì)產(chǎn)生不可逆的磨損，需定期檢查及更換。

e.真空傳感器零點(diǎn)漂移。該現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致設(shè)備反映的系統(tǒng)壓力數(shù)值失真，易對(duì)整車管路密封性造成錯(cuò)誤判斷，必須定期對(duì)真空傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。

4.2 加注量異常因素分析

a.增壓泵密封異常、卡阻或損壞。增壓泵作為加注執(zhí)行元件，故障后會(huì)導(dǎo)致加注功能異常，增壓泵需進(jìn)行定期潤(rùn)滑，以避免增壓泵卡阻，導(dǎo)致冷媒補(bǔ)液泵送異常。增壓泵密封圈需定期更換，以避免增壓泵本體泄漏，導(dǎo)致冷媒加注異常。

b.高低壓端接頭頂針失效。加注頭頂針通過插接車輛接口打開，頻繁插接過程中容易引發(fā)頂針損壞，單向閥無法打開，導(dǎo)致冷媒無法加注。須對(duì)高低壓端接頭定期檢查更換，避免加注不良問題。

c.設(shè)備自身管路發(fā)生泄漏。設(shè)備使用過程中，部分軟管連接部分反復(fù)受到拉扯、扭曲等外力作用或受冷媒長(zhǎng)期低溫影響，導(dǎo)致管路破損或老化破損。

d.設(shè)備加注閥件卡阻。設(shè)備使用過程中，加注閥件需頻繁打開關(guān)閉，需及時(shí)補(bǔ)充潤(rùn)滑。同時(shí)密封圈及閥件本體會(huì)產(chǎn)生不可逆的磨損，需定期檢查及更換。

e.設(shè)備質(zhì)量流量計(jì)零點(diǎn)漂移。該現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致設(shè)備反映的加注量數(shù)值失真，易對(duì)整車管路加注量造成錯(cuò)誤判斷，必須定期對(duì)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

5 冷媒加注設(shè)備故障排查方法優(yōu)化

冷媒加注設(shè)備密封及加注控制元件眾多，且整體管路跨度大，出現(xiàn)密封性異常或加注量異常時(shí)排查難度高，通常需采用系統(tǒng)性排查方法進(jìn)行逐一排查，排查效率低，修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。為提升故障恢復(fù)效率，需對(duì)現(xiàn)有排查方法進(jìn)行優(yōu)化。

5.1 密封性異常故障排查方法優(yōu)化

冷媒加注設(shè)備密封性異常故障通常是由于管路密封性不好，真空泵能力異常等原因?qū)е隆?/p>

密封性異常的系統(tǒng)性排查方法是指從高低壓端接頭開始，利用各位置真空控制閥形成局部密封效果，自下而上地通過真空測(cè)試方法逐段檢測(cè)真空元件真空能力。其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)覆蓋范圍全面，無疏漏，若故障元件在管路前端，則故障恢復(fù)時(shí)間短。但缺點(diǎn)也非常明顯，故障元件在末端時(shí)，排查時(shí)間將會(huì)達(dá)到30 min以上，嚴(yán)重影響生產(chǎn)（見圖11）。

通過對(duì)排查流程進(jìn)行分析，排查方式仍然使用真空局部檢測(cè)，但從管路中端進(jìn)行分界同步測(cè)試，即分界排查法，整體排查效率將會(huì)有顯著提升。將冷媒加注設(shè)備真空系統(tǒng)以三聯(lián)閥組為分界點(diǎn)分為兩個(gè)部分，通過控制三聯(lián)閥組真空閥進(jìn)行真空測(cè)試，可直接驗(yàn)證整個(gè)加注槍部分真空能力，同時(shí)真空泵位置可同步利用外置真空傳感器進(jìn)行測(cè)試，從而快速判斷整個(gè)系統(tǒng)故障發(fā)生部位并進(jìn)行修復(fù)，整體判斷流程如圖12所示。

5.2 加注量異常故障排查方法優(yōu)化

冷媒加注設(shè)備加注量異常故障通常是由于控制閥未打開、管路破損、柱塞泵異常等原因?qū)е?。系統(tǒng)性排查法是從加注槍端開始自下而上進(jìn)行排查，在完成移動(dòng)單元狀態(tài)確認(rèn)后再排查機(jī)柜管路。其優(yōu)缺點(diǎn)與密封性異常系統(tǒng)性排查方法相同。

通過對(duì)排查流程進(jìn)行分析，可將移動(dòng)單元及基本單元作為獨(dú)立整體，實(shí)現(xiàn)快速排查優(yōu)化：加注槍管路與機(jī)柜管路兩回路互不影響，可通過觸摸屏控制兩回路元件動(dòng)作，同時(shí)進(jìn)行排查，節(jié)約排查時(shí)間（見圖13）。

6 結(jié)語

冷媒的良好加注對(duì)整車空調(diào)系統(tǒng)性能的正常發(fā)揮至關(guān)重要，而冷媒加注品質(zhì)受到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、設(shè)備結(jié)構(gòu)及能力、零部件狀態(tài)、工藝參數(shù)甚至生產(chǎn)環(huán)境等諸多方面的影響，給提升冷媒的品質(zhì)保證能力帶來了極大的挑戰(zhàn)。這就要求我們必須從工藝規(guī)劃、設(shè)備規(guī)劃直至產(chǎn)品批量生產(chǎn)過程中的設(shè)備管理、計(jì)量管理、工藝管理和質(zhì)量管理等方面對(duì)上述影響因素采取必要的技術(shù)手段及管理措施，做到各影響因素的有效受控，為產(chǎn)品質(zhì)量的過程控制提供有力保障。

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作者簡(jiǎn)介：

謝衛(wèi)林，男，1982年生，整車制造一部副部長(zhǎng)，研究方向?yàn)檎嚿a(chǎn)制造、技術(shù)管理等。