Betriebsfestigkeit eines Kältemittelverdichters

Kältemittelverdichter werden gewöhnlich ohne Schwingungsentkopplung direkt an einen PKW-Motor angebaut. Deshalb sind sie vergleichsweise hohen Fußpunktbeschleunigungen bis zu Anregungsfrequenzen von etwa 2 [kHz] ausgesetzt. Dies stellt insbesondere an die mechanische Auslegung der verbauten Wechselrichterelektronik und Stromschienen hohe Anforderungen.

Zur Auslegung und Optimierung der Betriebsfestigkeit der elektronischen Komponenten wurde für das Prototypendesign das im oberen Bild dargestellte FE-Modell erstellt. Dieses beinhaltet neben dem Gehäuse und dem nur teilweise dargestellten Gehäusedeckel auch die Platinen, die wesentlichen elektronischen Bauteile und die Stromschienen.

Mittels Korrelation zwischen rechnerischer und experimenteller Modalanalyse auf der Basis von Einzelkomponenten, Subsystemen und Gesamtsystem wurden die Material- und Koppelparameter dieses FE-Modells abgeglichen. Die mittlere Abbildung zeigt beispielhaft einen Vergleich zwischen einer Übertragungsfunktion aus Messung und Simulation.

Das abgeglichene FE-Modell wurde anschließend genutzt, um die im qualifizierenden Vibrationstest auftretenden Strukturbeanspruchungen zu simulieren. Hierzu wurde das Wechselrichtergehäuse an seinen Befestigungspositionen mit den vorgegebenen Fußpunktbeschleunigungen beaufschlagt. Die auftretenden Spannungen in den Komponenten wurden simuliert und mit Festigkeitskennwerten verglichen.

Als ein Beispiel zeigt die untere Abbildung den so ermittelten Fehlerindex für einige Anschlusspins bei Rauschanregung in z-Richtung.

Durch diese Simulationen konnten Schwachstellen aufgezeigt und gezielte Optimierungsmaßnahmen eingeleitet werden, sodass die anspruchsvollen Vibrationstests für das Serienprodukt bestanden wurden.