在汽車空調空調系統中，空調管路將壓縮機、冷凝器、節流結構和蒸發器有機地連接在一起。如果將空調系統比作人體，壓縮機是心臟，那么空調管管路就是大動脈，空調管在空調系統中的重要作用就不言而喻了。在整車開發過程和客戶使用過程中，空調管的失效形式有很多，常見的失效形式有空調管的膠管破裂，膠管和金屬管的扣壓處泄露，空調管與壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器連接頭泄露，金屬管斷裂等等，其中最常見的就是壓縮機附近的空調管斷裂失效，此種失效屬于疲勞損傷。統計結果表明，機械的各種斷裂事故中，疲勞失效引起的事故大約占了80 %[1]，汽車零部件損壞中，疲勞失效引起的事故大約占了90 %[2]。從中我們可以看出，研究疲勞損傷的意義重大，國內外的汽車廠家也對空調管的疲勞耐久進行了大量的研究和實踐，并制定了相關的試驗規范。

其中德國大眾汽車公司制定的空調管的振動耐久測試標準是TL 82316[3]，試驗樣件是標準樣件（定長金屬管和定長橡膠管的扣壓管），與整車的管路布置走向無關，采用定頻振動，頻率是40 Hz，振幅是±3.5 mm， X、Y、Z每個方向100 h，總共300 h；

菲亞特克萊斯勒公司制定的的空調管振動耐久測試標準是LLC PF-9411[4]，試驗樣件是整車實際管路，與整車的管路布置走向完全相同，采用正弦加隨機振動，1倍的振動耐久耗時184 h，如果需要滿足R97C50的需求，需要6個樣件 ，2倍的振動周期，即368 h，如樣件過大，一個工裝只能安裝3個樣件，時間翻倍即為736 h；

通用汽車公司的空調管振動耐久測試標準是GMW14319[5]，試驗樣件是整車實際管路，與整車的管路布置走向完全相同，采用隨機振動，1倍的振動耐久耗時48*3=144 h，如果需要滿足R97C50的需求，需要6個樣件 ，2倍的振動周期，即288 h，如果樣件過大，一個工裝只能安裝3個樣件，時間也將翻倍即為576 h。

開發過程中即使按照零部件規范進行振動試驗，也不能復現路試中的失效模式，通常的做法是對整車進行空調管時域信號的路譜采集，如果直接用時域信號進行臺架試驗，需要幾個月的時間，如果用頻域信號進行物理試驗，需要對時域信號進行處理，把時域信號轉化為頻域信號再進行物理試驗，也需要幾個月的時間，如此一來將耗費大量的人力、物力、財力、時間，為了提高時間效率并縮減成本，特此研究了一種快速驗證空調管疲勞失效的方法。

2.1 采集加速度，位移與應變

在振動試驗時，金屬硬管和橡膠軟管的扣壓鉚接處的加速度和位移最大，而且該處是空調管最容易出現泄漏的地方，所以壓縮機管的進氣管和排氣管的4個扣壓鉚接處是高風險點，如圖1的進氣管的橡膠管扣壓兩端位置1和位置2處和排氣管的橡膠管扣壓兩端位置3和位置4處所示，在以上四處分別布置三向加速度傳感器，用于監控高風險點的加速度和位移。

圖2 應變片的分布

2.2 應變片的布置選擇

   在振動試驗時，零件的轉接、約束、粗細管過度處，也就是能量有突變的地方應力較大，應變量比較大，如圖2的壓縮機的吸氣管與壓縮機的連接位置1處，吸氣管與消音器的連接點位置2處，空調管與車身連接的支架位置3處，共布置3個應變片，用于監控空調管高風險點的應變量。

3.1 振動試驗工裝的制作

壓縮機空調管在整車上的固定點如圖3所示，空調管的各個連接點的說明如下：位置1是空調管與壓縮機的接口，位置2是空調管與冷凝器的接口，位置3是空調管固定支架與車身的接口，位置4是空調管與空調管的轉接口。所以在設計工裝時，必須模擬以上四個位置的安裝點，四個安裝點的連接方式必須和整車保持一致，尺寸大小和安裝方向必須和整車保持一致，對手件的尺寸和結構需要參考相關工程師提供的相關圖紙，如果一個工裝需要安裝多個樣件，需要給平行樣預留足夠的空間，避免在振動過程中的相互干涉，工裝的材料選擇時密度盡可能小，阻尼系數盡可能大，工裝的拼接盡可能采取全焊的連接方式，如果材料和工藝不允許的情況，可以考慮螺栓連接，但是需要保證工裝的剛度。

3.2 振動試驗工裝的驗收

振動試驗工裝完成后，需要對不帶零件的工裝進行掃頻，將控制信號的加速度設置為1G，進行正選掃頻，掃頻的頻率范圍是10Hz-1000Hz，掃頻的速率為1倍頻程/分鐘，確保工裝本身在該頻率段內沒有1階，2階，3階，4階共振，如果發生共振，需要對工裝整改，直到合格為止。

3.3 控制信號和反饋信號的選擇

在整車中，發動機通過皮帶傳動驅動壓縮機運轉，壓縮機在圖3位置1處與空調的進排氣管相連，壓縮機的振動和制冷劑的壓力脈沖和波動將能量在此處傳遞給空調管，所以在臺架試驗中該位置是能量的輸入端，作為臺架試驗控制信號的輸入端，在臺架試驗中為了縮短試驗時間，同時進行三個樣件的試驗，設計的振動工裝如圖4所示。

分別在三個樣件的同一位置即圖3的位置1處布置加速度傳感器作為控制信號，分別為C1，C2，C3，將C1，C2，C3的加速度進行加權平均，作為整個試驗臺架的加速度控制信號，在三個樣件上布置的12個加速度傳感器作為監測信號，如圖4所示，監控信號的分布如下：

S1_L1 = 樣件1的1號加速度傳感器；S1_L2 = 樣件1的2號加速度傳感器；S1_L3 = 樣件1的3號加速度傳感器；S1_L4 = 樣件1的4號加速度傳感器；S2_L1 = 樣件2的1號加速度傳感器S2_L2 = 樣件2的2號加速度傳感器；S2_L3 = 樣件2的3號加速度傳感器；S2_L4 = 樣件2的4號加速度傳感器；S3_L1 = 樣件3的1號加速度傳感器；S3_L2 = 樣件3的2號加速度傳感器；S3_L3 = 樣件3的3號加速度傳感器；S3_L4 = 樣件3的4號加速度傳感器。

4.1 掃頻參數設置

將控制信號的加速度設置為1G，進行正選掃頻，掃頻的頻率范圍是10 Hz-1000 Hz，掃頻的速率為1倍頻程/分鐘，3個樣件的12個監控點掃頻結果如圖5所示。

4.2 掃頻位移結果分析

從圖5中我們可以得到所有樣件和所有監控點在不同頻率下的位移曲線，在每幅圖中我們可以發現有很多明顯的突變點，這些突變點就是我們研究問題的關鍵所在。同一個樣件不同的位置在不同的頻率下的位移突變是不同的，不同的樣件相同的位置在不同的頻率下的位移突變也是不同的，不同的樣件不同的位置在不同的頻率下的位移突變也是不同的，那如何來分析掃頻結果呢？那下面以不同的樣件的同一個位置3處的位移頻率曲線為例來分析，如圖6所示。

從圖6中可以發現不同的樣件在不同的頻率段有很多位移階躍，如圖6中的1#響應，2#響應，3#響應，4#響應，其中1#響應，2#響應，3#響應較大，是分析的重點，通過振動軟件可以分別獲取三個樣件在位置3的位移頻率曲線及每個樣件在每個響應點的頻率和位移如表1所示。

同樣的道理，可得出X/Y方向對應的固有頻率點和固有頻率對應的最大位移，如表2所示。

4.3 掃頻應變結果分析

三個樣件不同的位置的應變曲線如圖7，圖8，圖9所示。

5.1 確定各個方向的試驗參數

圖10和圖11是根據主機廠的四缸汽油發動機車型對應的空調管在實際路譜中采集的大量頻率加速度數據，并進行處理所得四缸汽油發動機各頻率段對應的加速度曲線。

根據表2得知X方向的L1位置的高風險點對應的固有頻率為30.65 Hz，查表4得知30.65 Hz對應的加速度為40 m/S2，即40 m/S2作為X方向定頻振動的加速度。

根據表2得知Y方向的L1位置的高風險點對應的固有頻率為80.38 Hz，查表4得知80.38 Hz對應的加速度為46 m/S2，即46 m/S2作為Y方向定頻振動的加速度。

根據表2得知Z方向的L3位置的高風險點對應的固有頻率為48.55 Hz，查表5得知48.55 Hz對應的加速度為40 m/S2，即40 m/S2作為Z方向定頻振動的加速度。

5.2 確定X/Y/Z三向的振動順序和振動次數

根據表2可以看出，在共振頻率上風險點的位移Z>Y>X，故三向的振動順序由Z→Y→X依次進行，根據PUMA團隊在客戶使用習慣上的實車測量數據，根據零件可靠度R97C50的要求，推算出空調管試驗樣件的個數：3個，定頻振動次數為：10 000 000次，由于實車上空調管的振動是三軸振動，而振動臺架是單軸振動，故臺架實驗中Z，Y，X三個方向都要完成10 000 000次的振動。定頻振動的加速度和次數如下：在做Z方向的定頻振動時，頻率為48.55 Hz，加速度為40 m/s,次數為10 000 000次；在做Y方向的定頻振動時，頻率為：80.38 Hz，加速度為46 m/s,次數為10 000 000次；在做X方向的定頻振動時，頻率為：30.65 Hz，加速度為40 m/s,次數為10 000 000次。

某項目在整車道路耐久路試中發生了空調不制冷的問題：只有風吹出來，但是溫度與外界環境保持一致，從總線上讀取空調系統高壓壓力為0.15 MPa，說明系統壓力爆降，制冷劑幾乎全部泄露到外界大氣中，然后進行泄漏點的排查：從壓縮機到冷凝器，從冷凝器到膨脹閥，從膨脹閥到壓縮機整個管路和接頭逐步排查，最終發現壓縮機連接處的空調管有裂紋，如圖10所示，但在空調管子系統的臺架振動試驗中，空調管并沒有出現路試中類似的失效，當時子系統的試驗策略是采用隨機振動，1倍的振動耐久耗時48*3=144 h，如果需要滿足R97C50的需求,需要6個樣件 ，2倍的振動周期，即288 h，一個臺架只能完成3個樣件，完成了6個樣件的振動試驗，總共花費了576 h，試驗完成后，空調管外觀完好，并且能滿足空調管氣密性的要求：說明隨機振動的臺架試驗與整車耐久試驗結果不匹配。為了快速復現路試中的失效，故采取了上述快速驗證空調管疲勞失效的方法。

圖12 路試時空調管的失效模式

根據5.2確定X/Y/Z三向的振動順序和振動次數開展試驗，振動順序：Z→Y→X，Z，Y，X振動的次數是每個方向1 000 000次，首先開始Z方向的定頻振動，振動4 855 249次后，發生了失效，如圖11所示，臺架試驗零件的失效位置和失效模式與整車路試中零件的失效位置和失效模式相似；臺架試驗時零件的失效次數百分比=4855249/10000000*100%=48.5%，整車耐久試驗時零件的失效里程百分比為53.7%，由此可見：臺架和路試在整個壽命中失效的時間百分比相近。對于此項目的此研究零件，從試驗開始到復現失效的時間為4855249 cycle*1/48.55 s/cycle=27.78 h,僅用一天多一點的時間就復現了路試的失效。如果進行零部件開發試驗認證，X/Y/Z三個方向的固有頻率平均在50Hz的情況下，每個方向試驗需要的時間為10 000 000 cycles*1/50 s/cycle=55 h，三個方向總共需要165 h，大概需要1周左右，大大縮短了認證周期。

圖13 臺架試驗時空調管的失效模式

更改了零件的材料，重新設計了管路走向和安裝塊前端的直管段長度和改進了制造工藝并進行了回火處理，然后用此方法完成臺架認證，臺架認證后的零件安裝到整車上路試，整改后的零件通過了整車的100 %耐久認證，更改有效。

1）通過對比臺架試驗和整車路試的失效零件可以發現：零件的失效位置相同，零件的失效模式相同；臺架試驗失效的次數百分比為48.5 %，路試中零件失效的里程百分比為53.7 %，兩者在整個壽命中失效的時間百分比相近。

2）臺架復現失效時間：1天左右（此研究零件），其他車型的空調管需要根據實際的設計和固有頻率而定，零部件開發認證周期：1周左右，大大縮短了認證周期。

3）此方法不僅可以快速復現路試的失效，也可以作為零件開發認證試驗的方法，此方法認證通過的零件也通過了整車路試，證明此方法有效。