第１９卷第２
期２ ０ １
９年２月ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＡＩＲ－ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＩＮＧ
９－
１４收稿日期：２０１８－０６－
２６作者简介：
叶浩杰，硕士，助理工程师，主要从事汽车空调制冷系统及热力膨胀阀相关研究。汽车空调热力膨胀阀
叶浩杰
（浙江三花汽车零部件有限公司）
摘 要 针对小型化感温元件中膜片行程不足的问题，采用有限元仿真软件Ａｂａｑｕｓ对不同结构模型开展计算，分析膜片行程及应力分布，研究结构变量对膜片行程的影响。结果表明：在膜片焊接位置均存在应力集中现象，相对于无波纹及三波纹膜片，单波纹和双波纹结构较为合理；膜片厚度、波纹半径及波纹突出距离是影响膜片行程的关键因素，波纹位置对膜片行程的影响较小；针对双波纹膜片，可采用增大外侧波纹半径的结构提升膜片行程。研究结果可为小型化感温元件中膜片的结构优化设计提供理论依据。关键词 汽车空调；膨胀阀；膜片；结构优化；仿真 Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｉｎ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｐ
ｏｗｅｒｅｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｖａｌｖｅ ｆｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ
Ｙｅ Ｈａｏｊ
ｉｅ（Ｚｈｅｊｉａｎｇ
Ｓａｎｈｕａ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．）ＡＢＳＴＲＡ
ＣＴ Ａｉｍｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｉｓｓｕｅ ｏｆ ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉａｐｈｒａｇ
ｍ ｉｎ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａ－ｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍｏｄｅｌｓ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍ－ｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ａｂａｑｕｓ，ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｄｉｓｐ
ｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉａ－ｐｈｒａｇｍ，ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉａ－ｐ
ｈｒａｇｍ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｅｘｉｓｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉａ－ｐｈｒａｇｍ’ｓ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｒｉｐｐｌｅ ａｎｄ ｄｏｕｂｌｅ ｒｉｐｐｌｅｓ ａｒｅ ｍｏｒｅ ｒｅａ－ｓｏｎａｂｌｅ ｔｈａｎ ｎｏ ｒｉｐｐｌｅ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ ｒｉｐｐｌｅｓ ｄｉａｐｈｒａｇｍｓ；ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｄｉａｐｈｒａｇｍ，ｒａｄｉｕｓ ｏｆｒｉ
ｐｐｌｅ ａｎｄ ｐｒｏｔｒｕｄｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｒｉｐｐｌｅ ａｒｅ ｔｈｅ ｋｅｙ
ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆｄｉａｐｈｒａｇｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｐｐｌｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｓ ｌｅｓｓ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｒｉｐｐｌｅｓ ｄｉａｐｈｒａｇｍ，ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｃａｎ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｅｎｌａｒｇｅｄ ｌａｔｅｒａｌｒａｄｉｕｓ ｏｆ ｒｉｐｐｌｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅ－ｓｉｇｎ ｏｆ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｐ
ｏｗｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ．ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ；ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｖａｌｖｅ；ｄｉａｐｈｒａｇｍ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｓｉｍ－ｕ
ｌａｔｉｏｎ 随着全球汽车保有量持续增大，
汽车尾气所带来的环境问题日益严峻，据统计，交通运输所排放的ＣＯ２约占世界总量的２
０％，因此减少尾气排放，降低燃油消耗在汽车行业得到广泛关注［
１－
２］。自上世纪９０年代起，为有效解决汽车尾气所造成的环境问题，众多机构积极推进汽车轻量化技术研究。研究表明：约６０％的汽车燃油消耗用于整
车质量，当汽车质量下降１０％时，尾气排放将减少１０％，
燃油效率将提高６％～８％，可降低油耗约７％［３－４］
。因此，
整车轻量化对汽车行业的可持续发展具有重要意义［
５
］。目前，
全球各大车厂纷纷通过材料替代、设计优化及零部件小型化降低整车质量。研究人员对汽车空调系统关键部件之一的热力膨胀阀
·１０
·第１９卷
开展轻量化设计［
６－
７］，其中材质较轻的铝材已代替铜材在膨胀阀中广泛应用，结构优化所减轻的质量极为有限，为进一步减轻产品质量，众多企业纷纷开始研制小型感温元件配合小型化零部
件以减小膨胀阀整体尺寸，达到轻量化的目的［
８
］。但是，
随着感温元件的小型化，内部膜片尺寸随之减小，若不改变膜片结构，在相同工况下，小膜片的行程远不及大膜片，这将导致膨胀阀阀口开度不足，致使膨胀阀产生性能缺陷。因此，笔者拟通过有限元分析方法，研究不同结构变量对膜片行程的影响，为小型化感温元件中膜片结构的优化设计提供依据。
１ 膨胀阀膜片有限元仿真模型
热力膨胀阀是一种通过感温元件感受蒸发器出口过热度变化从而自动调节制冷剂流量的调节机构
［９
］，感温元件通过膜片行程控制阀口大小。膨胀
阀对制冷剂流量的自动调节主要由感温元件内部制冷剂饱和压力（ｐ１）、蒸发压力（ｐ
２）和弹簧预紧力（ＦＮ）３个力的动态平衡实现［１
０
］
，如图１所示
。图１ 热力膨胀阀三力平衡原理图
笔者将膜片的总行程分为上、下两部分，将膜片未受到载荷的状态设为初始０刻度状态，如图２所示。规定向上为正，向下为负，膜片在受到ｐ１与ＦＮ的作用时，
联络开关
其最大理论下行程（假设无气箱座时的最大下行程）往往超过机械尺寸，但由于感温元件膜片与传动片之间存在机械尺寸，因此感温元件中膜片下行程一般就是机械尺寸，则膜片总行程为机械尺寸与膜片上行程之和。因此，在设计小型化感温元件中膜片结构时，须使膜片最大理论下行程超过机械尺寸，同时增大膜片上行程。笔者采用有限元仿真软件Ａｂａｑ
ｕｓ针对典型工况开展计算，设定感温元件充注制冷剂Ｒ１３４ａ，环境温度为０℃，蒸发器出口过热度为５℃。制冷剂Ｒ１３４ａ在０℃下的饱和压力ｐ１为０
．１９３ ＭＰａ，
过图２ 热力膨胀阀感温元件结构
热度为５℃时，蒸发压力ｐ２为０．２５ ＭＰａ。采用静力通用的分析方法，设置２个分析步骤开展计算，分析步一施加膜片下行程载荷：ｐ１＝０．１９３ ＭＰａ，ｐ２＝０ＭＰａ，ＦＮ＝４０
Ｎ；分析步二施加膜片上行程载荷：ｐ１＝０．１９３ ＭＰａ，ｐ２＝０．２５ ＭＰａ，ＦＮ＝４０ Ｎ；定义膜片外沿焊接区域为固定约束，将传动片设为刚体，膜片与传动片之间采用表面与表面接触类型定义接触；同时采用二次四面体单元类型网格Ｃ３Ｄ１０进行网格划分，其计算模型如图３所示
。
图３ 膜片与传动片仿真计算有限元网格模型
２ 膜片结构对膜片行程影响的有限元仿真结果分析
２
．１ 波纹数对膜片行程的影响分别选取无波纹、单波纹、双波纹及三波纹４种结构的膜片，如图４所示（由于膜片为对称结构，因此仅选取中心线左侧的膜片结构）
。选取波纹半径（Ｒｘ）为１．０ｍｍ，分析４种波纹结构膜片行程，计算结果如图５所示
。
图４ 不同波纹数膜片结构
第２期叶浩杰：汽车空调热力膨胀阀小型化感温元件中膜片结构优化·１１
· 由图５可以看出，最开始，膜片受到ｐ１和ＦＮ
的作用开始向下运动；当分析步一结束时，膜片下行程达到最大值，此时在膜片下方增加蒸发压力ｐ
２，膜片开始向上运动；当分析步二结束时时，膜片上行程达到最大值。无波纹膜片的上下最大行程均最大，其余膜片行程由大到小依次为：单波纹、双波纹、三波纹。为进一步验证波纹数对膜片最大
行程的影响，构建一组波纹半径（Ｒｘ）为０．５ ｍｍ的膜片结构进行计算，结果如图６所示。由图可知，波纹半径为０．５ ｍｍ和１．０ｍｍ时波纹数对最大行程的影响规律相同。因此可得：随着波纹数的增加，膜片的总行程量呈现逐渐减小的趋势
。
图５
不同波纹数膜片的行程
图６ 波纹数对膜片行程的影响
基于上述结果，
分析不同波纹膜片的应力分布及失效风险情况，计算波纹半径为１．０ｍｍ膜片受载荷后的应力情况。从图７可以看出，４种膜片在焊接区域附近应力较大，存在较为明显的应力集中现象，无波纹膜片应力集中现象最为明显。
不同结构材料长期受交变载荷作用时，应力值虽未达到其强度极限，但也可能发生失效破坏，这种由
于交变载荷作用产生的失效称疲劳失
效［１１－
１２］，一般满足如下公式［
１３］：Ｓｍ·Ｎ＝Ｃ
（１）式中：Ｓ为应力（ＭＰａ）；Ｎ为材料疲劳寿命；ｍ和Ｃ
为与材料性质相关的参数
。
教学扩音器
图７ 不同膜片结构上行程应力（Ｐａ
）云图 热力膨胀阀在工作过程中，
感温元件中的膜片通过上下反复运动实现阀门的开闭，膜片在经
历交变载荷作用时往往会产生疲劳失效。从式（１
）
可知，膜片的疲劳寿命取决于所施加的应力。
·１２
·第１９卷
对于同种材料的膜片，循环应力越大，越容易出现失效，其寿命越短。
结合图７可知：膜片焊接处存在明显的应力集中现象，因此截取焊接位置附近宽度为５ ｍｍ的圆环（应力最集中区域），计算膜片在运动过程中的平均应力。由图８可以看出，随着波纹数的增加，膜片平均应力逐渐减小，无波纹膜片的平均应力最大，三波纹膜片的平均应力最小。可见增加膜片波纹数能够有效降低膜片易失效位置的平均应力，从而降低疲劳失效风险
。
图８ 不同波纹数膜片焊接位置的平均应力随时间的变化
综上可知：无波纹膜片行程量最大，有利于打开阀口，但同时膜片存在较大的平均应力，极易产生疲劳失效，工作寿命缩减；三波纹膜片由于波纹数较多导致其行程最小，无法满足要求。因此，为保证感温元件的寿命，同时满足膜片行程要求，选择单波纹和双波纹的膜片结构更为合理。２．２ 膜片厚度对膜片行程的影响
感温元件中膜片厚度会极大程度影响膜片行程。厚度太大往往导致行程较小，无法满足阀门开闭需求；厚度太小则容易发生疲劳失效，缩短阀门寿命。因此在选择膜片厚度时需要同时满足阀门开度及膜片耐久需求。
针对单波纹及双波纹膜片，分别构建厚度为０．０６ ｍｍ，０．０８ ｍｍ，０．１０ ｍｍ，０．１２ ｍｍ，０．１４
ｍｍ和０．１６ ｍｍ计１２种模型，获得不同厚度膜片行程，取最大上、下行程点构建不同膜片厚度的最大上、下行程量，如图９所示。可以看出，膜片厚度对膜片最大行程影响较大，单波纹膜片上、下最大行程均大于双波纹膜片。单／双波纹膜片最大行程均随膜片厚度的增大而减小，当膜片厚度大于０．１２
ｍｍ时，随着膜片厚度的增大，其最大行程变化量很小
。
土工格室护坡
图９ 不同厚度膜片的最大上、下行程
２
．３ 膜片波纹半径对膜片最大行程的影响感温元件中不同波纹半径的膜片往往会影响其应力分布及最大行程，选取单波纹和双波纹２种膜片，分别计算波纹半径为０．５ ｍｍ，１．０ｍｍ，１．５ ｍｍ，２．０ｍｍ和２．５
ｍｍ计１０种膜片结构的最大行程，研究波纹半径对膜片最大行程的影响。
从图２可知，由于传动片位置已固定，膜片最大下行程即为膜片与传动片的间距（机械尺寸），而通过计算可知：膜片最大理论下行程均超过机械尺寸，
但膜片实际最大下行程只能为机械尺寸，上行程才是影响膜片总行程的决定性因素。因此，后续重点分析膜片结构对上行程的影响，其中波纹半径对膜片上最大上行程的影响如图１０所示
。
图１０ 波纹半径对单
／双波纹膜片最大上行程的影响由图可以看出，
随着波纹半径的增加，膜片的最大上行程逐渐减小，当波纹半径为０．５ ｍｍ时，单、双波纹膜片的最大上行程均最大。单波纹膜片在波纹半径大于２．０ｍｍ后膜片最大上行程趋于平缓，而双波纹膜片在波纹半径达到１．５ ｍｍ后膜片最大上行程基本保持不变。
２．４ 膜片波纹位置对膜片最大上行程的影响
基于上述单、双波纹膜片结构，研究波纹间距以及波纹与膜片中心位置的距离对膜片最大上行
油田水处理 第２期叶浩杰：汽车空调热力膨胀阀小型化感温元件中膜片结构优化·１３
· 程的影响。
对于单波纹膜片（见图１１），分别构建Ｌ１为７．０ｍｍ，７．５ ｍｍ，８．０ｍｍ，８．５
ｍｍ和９．０ｍｍ计５种模型。
针对双波纹膜片的波纹间距（见图１２），首先，保证波纹与膜片中心距离Ｌ３为６．８ ｍｍ（不变），构建波纹间距Ｌ２为１．５０ ｍｍ，１．７５ ｍｍ，２．００ｍｍ，２．２５ ｍｍ和２．５０
ｍｍ计５种模型；然后，保证波纹间距Ｌ２为１．８ ｍｍ不变，构建Ｌ３为６．２５ ｍｍ，６．５０ ｍｍ，６．７５ ｍｍ，７．００ｍｍ和７．２５
ｍｍ计５种模型
。图１１
不同波纹位置单波纹膜片
两相流闸阀
图１２ 不同波纹位置双波纹膜片
从图１３可以看出，随着波纹间距Ｌ２的增大，双波纹膜片最大上行程基本保持不变，因此可确定波纹间距对膜片最大上行程基本不产生影响。从图１４可以看出，随着Ｌ１和Ｌ３的增大，单、双波纹膜片最大上行程随之增大：针对双波纹膜片，递增幅度较缓慢，最大上行程的变化范围在±０．０１４ ｍｍ之间；针对单波纹膜片，当波纹与膜片中心距离Ｌ１为７．０ｍｍ时其最大上行程为０．２５５ ｍｍ，当Ｌ１增大至９．０ｍｍ时，其最大上行程为０．３０５ ｍｍ，适当增大波纹与膜片中心距离可提升膜片的最大上行程。
２．５ 膜片波纹突出距离对膜片最大上行程的影响
构建单、双波纹膜片突出距离（Ｌ４和Ｌ５，见图１１和图１２）为０．１０ ｍｍ，０．１５ ｍｍ，０．２０ ｍｍ，０．２５ ｍｍ，０．３０ ｍｍ和０．３５ ｍｍ计１２种模型开展计算，结果如图１５所示。
由图可以看出，随着波纹突出距离的增大，单波纹和双波纹膜片最大上行程量均逐渐减小，当波纹突出距离由０．３５ ｍｍ减小至０．１０ ｍｍ时，其最大上行程增大了０．２５ ｍｍ，由此可见减小波纹突出距离可有效提高膜片最大上行程
。
图１３
波纹间距对双波纹膜片最大上行程影响
图１４
波纹与膜片中心距离对膜片最大上行程影响
图１５ 膜片波纹突出距离对最大上行程的影响
２
．６ 双波纹膜片结构对膜片最大上行程的影响针对双波纹膜片波纹半径不同的结构（见图１６），研究波纹半径及波纹位置对膜片最大上行程的影响
。
图１６ 不同波纹半径双波纹膜片结构
>细胞核染
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