雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計

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畢 業(yè) 論 文 （設計）題目名稱：雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計所 在 學 院 ： 機械工程學院 專 業(yè) （ 班 級 ） ：學 生 姓 名 ：指 導 教 師 ：評 閱 人 ：院 長 ：II雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計總計：畢業(yè)論文 41 頁表 格 2 表插 圖 30 幅指導教師：評 閱 人：完成日期： I摘 要邁入 21世紀以來，各式各樣的產業(yè)得到了蓬勃的發(fā)展，其中最為關切到普通人本身的便是汽車行業(yè)。今天我們將要談及到的是汽車空調中的核心部件——壓縮機。對于大多數(shù)人接觸到的小型汽車來說，其空調受到空間限制的影響，以及該類汽車發(fā)動機往往功率不大，因此我們非常注重的是壓縮機運行的效率、尺寸外形和功耗等。針對傳統(tǒng)類型壓縮機（如曲柄連桿式壓縮機）的缺陷，在本設計中我們主要研究斜盤式壓縮機中的一種——即雙向活塞斜盤式壓縮機。本設計主要完成了以下任務：（1） 對汽車空調壓縮機的發(fā)展歷程作簡要闡述，詳細介紹汽車空調制冷系統(tǒng)的原理和組成，對目前市場上渦旋式和滑片式這兩種類型壓縮機的工作原理以及其特性進行詳細剖析。（2） 對雙向活塞斜盤式壓縮機進行總體設計，包括其原理、結構等。（3） 對雙向活塞斜盤式壓縮機的重要組成零部件例如主軸、斜盤、雙頭活塞、氣缸、前后端蓋等進行尺寸結構設計，并對其材質以及所選工藝進行詳細分析。（4） 對雙向活塞斜盤式壓縮機中相關結構進行熱力學計算，推導得出主軸、斜盤、活塞之間的運動學以及動力學公式。在此設計過程中，我借助了 SolidWorks、AutoCAD,將所設計產品用三維以及二維的方式表現(xiàn)出來，期間參閱了許多相關文獻，并與大學四年所學知識結合起來，不僅提高了相關制圖軟件的操作能力，更從中學到了很多機械相關的知識。關鍵詞:汽車空調；壓縮機；雙向活塞；斜盤式IIAbstractSince entering the 21st century, various industries have seen vigorous development. Among them, the most concerned about ordinary people is the automotive industry. Today we are going to talk about compressors, the core component of automotive air conditioning. For small cars that most people are exposed to, their air conditioning is affected by space limitations, and the type of car engines are often not very powerful, so we are very much focused on the efficiency of compressor operation, size and shape and power consumption. For the defects of traditional type compressors (such as crank-link compressors), in this design we mainly study one of the swash-plate type compressors, namely two-way piston swash plate type compressors. This design will mainly complete the following tasks:(1) Briefly expounding the development history of automotive air-conditioning compressors, detailing the principles and components of automotive air-conditioning refrigeration systems, and working principles and characteristics of the two types of compressors: scroll-type and slide-type. Detailed analysis.(2) The overall design of a two-way piston swash plate type compressor, including its principle, structure, etc.(3) Dimensional structural design of important components of two-way piston swash plate type compressors such as main shaft, swash plate, double-headed piston, cylinder, front and rear end covers, etc., and detailed analysis of their materials and selected processes.(4) Thermodynamic calculations are performed on the relevant structures in a two-way piston swash plate type compressor, and the kinematics and dynamic equations between the main shaft, the swash plate, and the piston are deduced.IIIIn this design process, I took advantage of SolidWorks and AutoCAD to express the designed products in 3D and 2D. During the period, I read many related literatures and combined them with the knowledge learned in the university for four years, which not only improved the relevant cartography. The software's operating capability has also learned a lot of machine-related knowledge.Key words： Automotive Air Conditioning; Compressor; Two-way Piston; Swashplat目 錄摘 要 ?????????????????????????????????? IAbstract ????????????????????????????????? II1. 緒 論 ????????????????????????????????? 11.1 汽車空調的發(fā)展歷程及其意義 11.2 汽車空調制冷系統(tǒng)的組成及其原理 21.3 汽車空調壓縮機的發(fā)展歷程以及種類 31.4 各類壓縮機的結構形式與特點 41.5 本設計主要研究內容 72. 雙向活塞斜盤式壓縮機總體設計 ?????????????????????? 8IV2.1 雙向活塞斜盤式壓縮機的總體結構設計 82.2 雙向活塞斜盤式壓縮機的工作原理 82.3 雙向活塞斜盤式壓縮機結構設計及分析 92.4 雙向活塞斜盤式壓縮機主要結構運動計算與分析 .152.5 雙向活塞斜盤式壓縮機主要結構受力計算與分析 .173. 熱力學分析與計算 ???????????????????????????? 193.1 熱力學分析 .193.2 熱力學計算 .214. 壓縮機輔助系統(tǒng)分析及其制冷劑、潤滑油選擇 ???????????????? 254.1 吸氣、排氣系統(tǒng)分析 .254.2 潤滑系統(tǒng)分析 .264.3 制冷劑 .264.4 潤滑油的選擇 .274.5 附件 .285. 雙向活塞斜盤式壓縮機三維建模 ?????????????????????? 305.1 活塞 .305.2 轉軸斜盤總成 .305.3 氣缸 .315.4 電磁離合器 .315.5 雙向活塞斜盤式壓縮機裝配 .32結 論 ??????????????????????????????????? 34參考文獻 ????????????????????????????????? 35附錄 1：外文翻譯 ?????????????????????????????? 36附錄 2：外文原文 ?????????????????????????????? 37V致 謝 ??????????????????????????????????? 38雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計11. 緒 論1.1 汽車空調的發(fā)展歷程及其意義 1.1.1 汽車空調的發(fā)展歷程距離汽車出現(xiàn)在人類生活當中已經有一百多年了。隨著科技的發(fā)展以及人類生活水平的提高，曾經在普通人眼中遙不可及的汽車如今已經成為人們生活中的必需品。汽車的普及加上許許多多高新技術的發(fā)展，汽車空調技術應運而生。汽車空調的主要目的是為了在車上營造一個冬暖夏涼的舒適環(huán)境，因此駕駛人可以集中注意力駕駛，從而還可以避免許多不必要的交通問題。1925年，在美國出現(xiàn)了通過加熱汽車冷卻水從而達到取暖目的的方法。之后世界上第一臺完整的汽車空調裝置則于 1927年問世，它具備了加熱器、空氣濾清器以及通風機等設備，構成了較為完整的供熱系統(tǒng)。當然此時的汽車空調僅僅能做到取暖而已。世界上首個可以進行機械制冷的溫度調節(jié)裝置于 1939年誕生——由美國 Packard所創(chuàng)?？上У氖?，伴隨著二戰(zhàn)的發(fā)生該技術暫停了發(fā)展。真正做到汽車空調中的制冷制熱一體化就要追溯到 1954年，美國于 Nash牌轎車上安裝了冷暖兼容的空調器，此時的汽車空調具備了自由調節(jié)車廂內溫度及濕度的功能。但是該空調器仍非完全自動化，它尚且需要人為進行控制過程，毫無疑問讓駕駛員的工作量增加了許多，因此隨著人們需求的提高，自動控制式空調于 1964年誕生，它可以根據(jù)事先設定的溫度進行工作，傳感器收集車廂內外溫度信息，從而在一定溫度范圍內自動進行調節(jié)。隨著計算機的發(fā)展，汽車空調技術與計算機技術相結合，微機控制的汽車空調系統(tǒng)更為人性化、智能化，不僅大大提高了制冷能力，更節(jié)約了燃料，人們對于汽車的體驗無疑上升了許多個檔次。談到我國汽車工業(yè)，長春第一汽車集團公司無疑是該工業(yè)中首屈一指的領先企業(yè)，同樣作為汽車工業(yè)中的一部分，他們的汽車空調技術發(fā)展也未曾落下。對于我國近現(xiàn)代來說，紅旗轎車無疑是令人自豪的國民品牌，早在 19世紀 70年代初，由一汽牽頭生產的紅旗牌轎車就都統(tǒng)統(tǒng)配備了轎車空調。雖然我國空調型汽車起步較晚，但是發(fā)展極為迅猛，據(jù)統(tǒng)計，1992 年到 2000年期間，這不到十年的時間我國的空調汽車產量增長 4倍有余。1.1.2 汽車空調的意義要說汽車空調的存在意義，首先不得不說汽車空調的組成元素，即為溫度、濕度、雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計2流速以及清潔度。我們都知道當汽車空調在運作時，往往伴隨著排氣處的風聲以及風機運轉時的巨大聲響，該噪音通常會影響車內的人，無論是行駛途中還是休息時刻，因此低噪音的汽車空調往往能占據(jù)大半市場。調節(jié)溫度自然是汽車空調的主要任務，無論夏天還是冬天，保證車廂內的適宜溫度非常關鍵。目前的大多數(shù)汽車空調都具備了制冷裝置以及暖風裝置，前者主要是對車內空氣或者由外部進入的空氣進行冷卻，從而令車廂內變得涼爽；后者則是對其進行加熱。一般的車輛并沒有調節(jié)濕度的功能，但是我們仍然可以利用汽車空調對部分環(huán)境進行除濕處理。比如我們在冬天駕駛車輛的過程中，由于車內人的呼吸等行為往往會造成空氣的內循環(huán)，隨之而來的便是前擋風玻璃往往布滿霧氣，嚴重阻礙了駕駛員的視線，這時候便需要開啟空調裝置對前擋風玻璃周圍環(huán)境進行除濕處理。汽車空調裝置還可以實現(xiàn)對車內空氣進行換氣處理，一定程度上起到了凈化空氣的作用?？偟膩碚f，汽車空調的存在是營造一個舒適的駕駛環(huán)境，在最大程度上避免會對駕駛人員產生的不利影響，從而不僅提高了駕駛人的駕車體驗，也確保了駕駛人的行車安全，其意義不可謂不大。1.2 汽車空調制冷系統(tǒng)的組成及其原理汽車空調制冷系統(tǒng)的組成：壓縮機、空調管路、冷媒、蒸發(fā)器、儲液干燥器、膨脹閥、冷凝器。雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計3圖 1-1 汽車制冷系統(tǒng)外觀如圖 1-1所示，所有汽車的制冷系統(tǒng)離不開 4個主要部件，即壓縮機、蒸發(fā)器、膨脹閥、冷凝器。壓縮機——發(fā)動機啟動后，壓縮機吸入低溫低壓制冷劑蒸汽，并將其壓縮成為高溫高壓蒸汽，然后將它輸送至冷凝器。蒸發(fā)器——將低溫低壓冷媒液體進行蒸發(fā)使其汽化，從而吸收空氣中的熱量。膨脹閥——對高壓的冷媒液體進行一定處理，使其成為低壓低溫的霧態(tài)冷媒，然后導入蒸發(fā)器中。冷凝器——多數(shù)置于位于車頭的散熱水箱處，將高溫高壓蒸汽的熱量釋放到外部空氣中。空調開關打開后，蒸發(fā)器中所形成的低溫低壓氣態(tài)制冷劑就會導入壓縮機當中，壓縮機吸收后對其進行一系列壓縮過程，對其進行加壓加溫，從而使其成為高溫高壓氣態(tài)制冷劑。制冷劑隨后進入冷凝器，經過冷卻之后該蒸汽變?yōu)橐簯B(tài)，此時會散發(fā)出大量的熱，接著流入干燥器當中進行過濾。過濾之后的液態(tài)制冷劑流經膨脹閥，致使其壓力降低，從而蒸發(fā)成為氣態(tài)，此時則需要吸收大量的熱。最后低溫低壓的制冷劑就會進入蒸發(fā)器當中，此時就會對空氣進行降溫，鼓風機再將冷氣送入車廂內部，整個過程的運作大致上就是如此了。雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計41.3 汽車空調壓縮機的發(fā)展歷程以及種類隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對于汽車各方面的需求越來越大，要求越來越高。作為汽車組成中的關鍵設備，汽車空調的存在意義不可謂不大，它更是發(fā)展成為檢驗汽車質量的重要標準之一。無論是小型轎車，還是各種大型客車，乘坐舒適性慢慢成為人們首先考慮的事情，甚至在一些機械工程類用車或者農用機車中，舒適性同樣顯得尤為重要，而汽車空調對于舒適性的提高是非常關鍵的。那么對于汽車空調的心臟——壓縮機來說，其發(fā)展又經歷了怎么樣的過程呢？自 1939年美國通用汽車 Packard公司所制造的制冷空調以來，汽車空調技術時至今日已經非常成熟，其中尤為壓縮機的技術發(fā)展為主。第一代壓縮機——曲柄連桿式壓縮機。它是最為傳統(tǒng)的壓縮機類型，生產工藝較為成熟，但是由于連桿裝置導致其在運行過程中容易產生較大噪音，對駕車體驗產生極大影響，尤其對小型汽車。因此它漸漸在小排量的壓縮機中失去了市場，目前只存在于大型的客車空調當中，而且還有被大排量斜盤式壓縮機所取代的趨勢。 第二代壓縮機——往復式壓縮機。其分為兩大類，即斜盤式壓縮機以及搖盤式壓縮機。1962 年，美國通用汽車公司首先研制出了斜盤式壓縮機。它通過主軸的轉動，帶動了固定在軸上的斜盤的回轉運動（斜盤與軸成一定角度） ，斜盤的運動帶動了活塞的運動，從而使得活塞在氣缸中做往復運動，達到壓縮氣體的目的。由于斜盤式壓縮機運動過程中可以實現(xiàn)完全平衡，并且噪音小，效率高，很快就占據(jù)了傳統(tǒng)類型壓縮機的市場。到了 20實際 70年代，日本對其作出一系列的改進，將鑄鐵材料替換為全鋁結構，更是將原來的 6缸發(fā)展為 10缸，因此斜盤式壓縮機的性能得到進一步提高。到目前為止，該類壓縮機經歷了幾十年的發(fā)展，其技術已經日趨成熟，且在目前的汽車壓縮機市場中占據(jù)主導地位，市場份額高達 70%。隨著汽車輕量化的趨勢加深，那么作為汽車中的重要組成部分（即主要占重） ，斜盤式壓縮機也正在朝著小型輕量化的方向不斷發(fā)展。第三代壓縮機——旋葉式壓縮機。其體積與質量較小，因此很適合置于小型汽車中，并且由于其運行過程中的力矩不大，因此振動相對較小，所產生的噪聲也就相對較小。是一種非常具有潛力的壓縮機類型。第四代壓縮機——渦輪式壓縮機。這是當前最為先進的汽車空調壓縮機類型，其效率高，體積小，做功大，對能源的利用率遠遠超于前幾代壓縮機，并且更為環(huán)保。不過其技術稍顯不成熟，目前包括我國在內的大多數(shù)國家對于該技術的掌握程度不高，并且雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計5它所要求的制造精度較高，因此維修也較為困難，很難占據(jù)中低端市場。1.4 各類壓縮機的結構形式與特點1.4.1 滑片式壓縮機通過其葉片轉動，滑片式壓縮機完成了氣體壓縮的過程，從而實現(xiàn)風能和機械能之間的轉換，因此屬于容積式壓縮機中的一種。從其結構來分，滑片式壓縮機分為兩種主要類型（如圖 1-2,圖 1-3所示） 。我們拿單工作腔滑片壓縮機為例，它的主機由定子和轉子構成，滑片可以在轉子上的縱向滑槽中自由地滑動；當轉子開始轉動時，滑片在離心力的作用下與定子通過緊密接觸，于是在滑片和定子之間就形成了一個壓縮腔，定子即起到了氣缸的作用。圖 1-2為單工作腔滑片壓縮機的剖視圖，圖 1-3為雙工作腔滑片壓縮機的剖視圖。圖 1-2 單工作腔滑片壓縮機 圖 1-3 雙工作腔滑片壓縮機1.定子 2. 轉子 3.滑片 1.排氣閥 2. 轉子 3. 定子 4. 滑片 5.吸氣口滑片壓縮機的優(yōu)點如下：（1） 其結構較為簡單，組成零部件較少，維修方便。（2） 結構緊湊，體積小，適用于安裝在空間不大的汽車機體中。（3） 起沒有偏心旋轉的零部件，因此無旋轉慣性力，其動力平衡性能較為出色，運動較平穩(wěn)，振動小，噪聲小。雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計6（4） 存在多個基元容積，氣流的脈動較小，效率高。（5） 當滑片多次運動發(fā)生磨損后，滑片將會自動延長進行補償，從而不需要反復更換維修?；瑝嚎s機中的滑片雖然具有自動補償功能，但是限制于滑片與轉子、定子之間的配合方式，其機械磨損仍然較為嚴重，因此造成了大量的能量損耗，而且使用壽命皆是不高。目前針對該類摩擦損耗已經出現(xiàn)了許多原理相同但結構模式不同的旋葉式壓縮機，壽命得到了一定的增長。但是考慮到加工精度、配合方式以及運行原理，機械摩擦仍是影響旋葉式壓縮機發(fā)展的重要因素之一。1.4.2 渦旋式壓縮機渦旋壓縮機是目前最為先進的壓縮機類型。它利用阿基米德螺線槽來壓縮氣體，實現(xiàn)了高效率，低能耗且環(huán)保的工作方式。其主要部件是固定渦旋盤以及由偏心軸帶動的繞行渦旋盤，它們形狀相同，但是角相位相距 180°。工作時，渦旋盤相切形成了多處密封線，從而構成了多個月牙形的氣腔。隨著渦旋盤的轉動，該密封線位置會連續(xù)轉移，因此月牙形氣腔形狀也會不斷變化。當偏心軸順時針旋轉時，氣體就會通過吸氣口進入，隨著氣腔的閉合其密閉的容積便不斷縮小，中心壓力不斷升高。這就是渦旋壓縮機壓縮氣體的過程。圖 1-4為渦旋壓縮機，圖 1-5為渦旋壓縮機工作過程。雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計7圖 1-4 渦旋壓縮機圖 1-5 渦旋式壓縮機工作過程渦旋壓縮機的主要優(yōu)點：（1）其壓縮腔由渦旋線構成，當渦旋盤中心作圓周運動時，壓縮腔的容積相應發(fā)生變化，即縮小或擴大，腔體容積的變化導致氣體吸入、壓縮、排氣的過程不斷進行。由于吸氣和排氣在壓縮腔中幾乎是同時進行，因此不存在很大的進出氣風聲，也就降低了噪音。（2）具備多個壓縮腔，各個腔之間的氣體壓差小，因此所泄露的氣體量就少，容積效率得到很大提升，可高達 98%。（3）不存在排氣閥和吸氣閥，因此運轉穩(wěn)定，不會發(fā)生閉氣現(xiàn)象。（4）體積小，重量輕，可以進行高速旋轉。渦旋盤之間的相對摩擦速度較小，容量平衡。（5）螺旋線結構作為該壓縮機中的核心技術結構，旨在形成多個螺旋腔用以支撐壓縮過程的往復循環(huán)，其次該結構特性保證了間隙之間的密封效果，可靠的密封性致使制雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計8冷系數(shù)不降反增，生產效率不會因為工作時長而下降，非?？煽?。（6）可以用于各種室內外環(huán)境，工作特性良好，無余隙容積，不存在內外泄漏。渦旋式壓縮機性能出色且容積效率高，但是由于其工作原理以及結構特性，對于制造精度要求非常高，同樣如果發(fā)生故障，其維修途徑較少，費用較高。且其加工工藝尚不成熟，高昂的成本使其無法有力占據(jù)汽車行業(yè)的中低端市場，尖端技術多為歐洲所掌握。1.4.3 雙向活塞斜盤式壓縮機從上面的闡述分析我們不難發(fā)現(xiàn)，各類壓縮機有它們自己的優(yōu)缺點。例如滑片式壓縮機尺寸小，結構緊湊，特別適用于小型汽車，但是它也有非常明顯的缺陷，該類壓縮機各個運動副（定子與轉子，滑片與定子等）之間的摩擦損耗特別大，因此往往壽命不高，顯然作為一個合格的汽車用壓縮機來說，零部件壽命將是衡量汽車質量的一個重要因素。同樣地，渦輪式壓縮機技術先進，效率高，能耗低，污染小，但是其加工精度非常高，并不是適用于中低端汽車市場，因此尚無法得到普及。這時不得不提及一種目前占據(jù) 70%以上市場份額的壓縮機——斜盤式壓縮機。而我們將要在本設計中所提出的壓縮機就屬于斜盤式壓縮機的一種，即雙向活塞斜盤式壓縮機。雙向活塞斜盤式壓縮機屬于往復式壓縮機中的一種，它保留了曲軸連桿式壓縮機結構簡單，摩擦損耗小等特點，利用固定于轉軸的斜盤的回轉運動，帶動雙頭活塞在左右兩邊的氣缸中進行往復運動，依次進行壓縮氣體的過程。與傳統(tǒng)意義上的單向活塞曲軸連桿式壓縮機不用的是，它直接采用鋼球軸承將活塞與斜盤配合在一起，從而避免了斜盤與活塞之間的大量摩擦損失。同時，活塞被設置為雙頭結構，意味著一次完整的回轉過程，包含在左右兩個氣缸中進行兩次壓縮，大大提高了工作效率。雙向活塞斜盤式壓縮機體積小，在小型汽車空調壓縮機中得到大量應用。我們將斜盤式壓縮機與旋葉式壓縮機進行對比不難發(fā)現(xiàn)，盡管旋葉式壓縮機結構緊湊，性能平衡，運動平穩(wěn)，但不可避免的是它的消耗非常大，圖 2-1為旋葉式壓縮機消耗餅圖。而斜盤式壓縮機盡管存在消耗，但是由于其配合方式單一，結構簡單，因此其損耗遠遠不及旋葉式壓縮機。雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計9圖 1-6 旋葉式壓縮機消耗餅圖1.5 本設計主要研究內容作為第二代壓縮機，雙向活塞斜盤式壓縮機尚且未被市場所淘汰，反而占據(jù)了大量的市場，這不得不說它的結構特性在目前汽車行業(yè)仍是具有巨大潛力的，因此極具研究意義?，F(xiàn)在我們對雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機進行設計。首先我們需要了解該類壓縮機的基本工作原理，對其進行總體結構設計。從工作原理中發(fā)現(xiàn)壓縮機關鍵的運動零部件及其之間的配合方式，從而推導出主要零部件的運動過程及其趨勢，根據(jù)設定的參數(shù)計算相關數(shù)據(jù)，可得出相關尺寸。對運動零部件的相關受力情況加以分析計算。在計算完運動以及受力之后，則進行熱力學相關的計算，其中包括制冷量、排量、壓力比、電機功率等，從而為本方案的設計合理性提供有力依據(jù)。最后對壓縮機相關輔助系統(tǒng)（吸氣、排氣系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)）以及制冷劑、潤滑油、附件進行分析選擇。雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計102. 雙向活塞斜盤式壓縮機總體設計2.1 雙向活塞斜盤式壓縮機的總體結構設計雙向活塞斜盤式壓縮機由電磁離合器、氣缸、雙頭活塞、斜盤、轉軸、前后閥板、前后端蓋等零部件組成，與一般的活塞式壓縮機類似，它采用活塞與氣缸配合的壓縮方式，其主要配合結構在轉軸與斜盤、活塞與斜盤之間。圖 2-2給出了雙向活塞斜盤式壓縮機的主視半剖圖，其中斜盤固定于轉軸特定位置，并且與轉軸呈一定角度（大于 0°，小于 90°） 。雙頭活塞與斜盤之間通過滾珠導軌配合，因此在斜盤進行回轉運動過程中活塞可進行前后往復運動，在氣缸中壓縮冷媒蒸汽。本雙向活塞斜盤式壓縮機的最大特點是利用斜盤與雙頭活塞直接進行配合，拋去了曲軸連桿裝置，因此運動性能更加平穩(wěn)，摩擦損耗減少，同時雙向進行壓縮過程，大大增加效率。圖 2-1 雙向活塞斜盤式壓縮機主要結構示意圖雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計111.離合器線圈 2. 前端蓋 3. 閥板 4. 雙頭活塞 5. 斜盤6. 滾珠導軌 7. 轉軸2.2 雙向活塞斜盤式壓縮機的工作原理曲柄連桿機構的壓縮機中其活塞的運動往往是沿著與轉軸中心線垂直的方向進行，然而在斜盤式壓縮機中，其活塞的運動方向與驅動軸中心線呈平行狀態(tài)。雙向活塞斜盤式壓縮機在圓周方向設置若干個氣缸，故而結構較為緊湊，平衡性能較好，可以支持較高轉速。當電機啟動后，主軸進行旋轉運動，斜盤因為與主軸固定在一起，因此斜盤隨主軸作回轉運動，斜盤的邊緣與雙頭活塞中部的槽相契合（通過滾珠軸承） ，建立幾何關系我們可以發(fā)現(xiàn)，斜盤的運動促使活塞進行軸向的往復運動，當斜盤轉動一周，活塞的左右兩邊各完成壓縮—排氣—吸氣的循環(huán)，也就是兩次壓縮過程，起到了雙氣缸的作用，圖2-3就是雙向活塞斜盤式壓縮機的工作原理簡圖。圖 2-2雙向活塞斜盤式壓縮機的工作原理圖雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計122.3 雙向活塞斜盤式壓縮機結構設計及分析本壓縮機的主要零部件為：氣缸、雙頭活塞、轉軸、斜盤等，我們先就這些主要零部件的結構、材料以及工藝特點進行闡述分析：2.3.1 氣缸氣缸毫無疑問是壓縮機中的核心部件，它關系到冷媒蒸汽在壓縮過程當中的能耗、泄露以及效率，所以氣缸所要求的尺寸精度非常高。其剖視結構如圖 2-3所示，立體結構如圖 2-4所示。圖 2-3 氣缸剖視圖雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計13圖 2-4 氣缸立體圖從結構圖可以看出，我們所設計的氣缸圓周上均勻分布三個缸孔，稱之為三缸體，由于我們所設計的是雙向活塞斜盤式壓縮機，左右各放置一個氣缸，因此我們稱之為六缸壓縮機。端蓋、閥板、氣缸通過長螺栓連接固定在一起，確保氣缸不會因為壓縮機的劇烈振動而發(fā)生移位現(xiàn)象。氣缸的作用是作為活塞壓縮氣體時構成一個密閉的環(huán)境，需要保證的是活塞在氣缸缸孔內作往復運動時，活塞頭的直徑需要與缸孔直徑產生間隙配合，間隙太小容易產生大量摩擦損耗，間隙太大又容易造成能耗增加，從而降低效率，因此氣缸內表面的粗糙度精度要求非常高，我們希望達到的粗糙度為 Ra0.8μm。缸體的外表面與閥板、端蓋緊密配合，為防止產生間隙導致零件損壞，我們要求兩端的表面粗糙度為 Ra0.2μm。從圖中還可以看出的是，缸體圓周上分布的螺栓孔有特殊要求，其夾角需按照閥板端蓋上的配合孔進行設置。對于氣缸中的吸排氣系統(tǒng)進行設計時，我們將會采用軸向的吸氣—排氣方式。綜上所述，我們可以意識到隨著活塞在氣缸中往復運動，兩者之間的摩擦非常大，因此無論是活塞，還是缸體均需要采取耐磨性較高的材料?？紤]到輕量化以及經濟性，我們將選擇硼合金鑄鐵為氣缸材料。（1）氣缸壁厚 ；310+2pPDa???????式中 P——氣缸工作壓力， ；2/kgcmD——氣缸內缸徑， ；小型壓縮機氣缸內徑 ，首先我們先設定氣缸內徑 。如上所1.63c?: 1.8Dcm?雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計14述，我們的氣缸材料為高強度的鑄鐵材料， ，我們在這里取22504/pkgcm??????:； 是壁厚附加值，此處為方便計算，因此將 忽略為 0；我們取平均240/pkgcm??????a a壓強 ?？傻?15P 30.15.8+0475c242pPDa?????????則我們取外壁厚 ，通常外壁厚略大于內壁厚，因此我們可以取0.35.cm外內壁厚為 。3??內（2）法蘭壁厚 ，我們取 。則法蘭長度=1.4.=9??法 蘭 壁 厚 =5m?法 蘭。=50l?法 蘭 法 蘭（3）氣缸缸孔中心線的方向即為活塞左右移動時的方向，我們把轉軸中心線與缸孔中心線的距離叫做有效回轉半徑 。根據(jù)小型壓縮機手冊，設定本設計中 。R=20Rm（4） 與滾珠軸承相接處的氣缸孔徑 。滾珠軸承取標準件，=20-9316D?大 氣 缸 徑 （ ）厚度為 ，得出與軸相鄰的氣缸孔徑 。1.75m8.75.5m?小 氣 缸 徑 （ ）（5） 氣缸外徑 。=23.5+16D?氣 缸 外 徑 （ ）2.3.2 雙頭活塞雙頭活塞結構如圖 2-5 所示雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計15圖 2-5 雙頭活塞結構圖本設計中與普通斜盤式壓縮機的最大區(qū)別即為活塞。現(xiàn)在市場上許多斜盤式壓縮機都為單向活塞，而我們所設計的活塞為雙向設計?；钊胁吭O置一槽，用于與斜盤邊緣進行配合（通過滾珠軸承） ，因為活塞在氣缸中進行運動，因此它的外表面粗糙度要求較高，我們將其設置為 Ra0.4μm，與缸體內表面粗糙度一致。雙頭活塞的選材：（1） 耐磨性要好。因為活塞外表面與氣缸內表面在運動中不斷接觸，因此該活塞軸徑必須耐磨。（2） 工藝簡單。因為大多壓縮機生產廠家中的活塞需經大量生產，且其檢查大多人為，故而為減少不良率，需對活塞的加工工藝流程嚴格把關，盡量簡化其加工工藝，以此減少不良品。（3） 強度要好。作為不斷運動的零件，需要具備高強度，防止其發(fā)生斷裂、彎曲。由于活塞頂端直徑與氣缸內徑一致（存在一定空隙，為計算簡便忽略） ，所以活塞頂端直徑 ，活塞長度 ，取 。18dm?21836mld???40l?活塞在運動過程中受力復雜，在這里我們不做有限應力方面的分析。根據(jù)壓縮機手冊，可確定標準雙頭活塞中部尺寸 。/9=/2t厚雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計162.3.3 轉軸其結構如圖 2-6所示圖 2-6 轉軸從圖中可以看出，我們對于該轉軸的設計并不復雜。我們都知道壓縮機轉速是衡量壓縮機工作效率的一個重要參數(shù)，高轉速往往意味著較為復雜的受力狀況，所產生的力矩也就非常大，這樣就容易導致轉軸在高速運轉中出現(xiàn)斷裂等狀況。因此，設計一個結構簡單的轉軸可以減少不必要的轉矩、彎矩以及位于轉軸之上的運動件的重力。轉軸與電磁離合器相連接，并與其采取帶有外螺紋的配合方式，這樣的設計可以支持更高的轉速并提高其運動穩(wěn)定性。作為壓縮機中的核心零部件之一，它的選材要求也較為嚴格。首先該種材料需對應力不敏感，強度要高，因此我準備選用稀土鎂球墨鑄鐵。轉軸需對其進行相關熱處理，并加以氮化，以此提高其抗疲勞強度，增加轉軸的使用壽命。雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計17與轉軸進行連接的軸承選取非常重要，旨在減少振動發(fā)聲，并降低噪音產生。轉軸的表面粗糙度我們設置為 Ra1.2μm，軸肩的跳動量應不大于 0.02；轉軸的中心線必須與所配置氣缸的端面垂直。為提高其整體疲勞強度，還可以隨其進行噴丸處理。從氣缸中我們得出了與轉軸相鄰的氣缸徑為 ，由于存在一定空隙，則=12.5Dm小 氣 缸 徑我們設 。=12dm轉 軸2.3.4 斜盤斜盤的結構如圖 2-7 所示圖 2-7 斜盤首先我們需要對斜盤的內外徑尺寸進行分析。斜盤固定于轉軸之上，為防止大量工作之后斜盤與轉軸之間發(fā)生脫落或者產生間隙，從而導致振動以及機器損壞，因此斜盤內徑與轉軸外徑需要一定尺寸的過盈配合方式，必要時在不損壞轉軸外表面的情況下需要對斜盤進行強壓入。我們可想象的是，在斜盤作回轉運動時，其偏心力的大小很大程度上取決于斜盤與轉軸之間的角度。因此選取一個合適的角度無疑是該壓縮機的重要參數(shù)。在這里我根據(jù)雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計18參考文獻確定其角度為 ，該角度可以確保斜盤的偏心力矩以及彎矩相對較小，從=80.5??而提高斜盤的使用壽命。確定斜盤外徑，使其邊緣中心線與氣缸中心線重合，同時需要根據(jù)其幾何模型，以氣缸缸孔深度以及活塞頭長度為根據(jù)確定斜盤的最大驅動距離。因為轉軸與斜盤固定在一起，且斜盤的剛度以及強度要求與轉軸相似，因此我選取的斜盤材料為稀土鎂球墨鑄鐵，如有必要，對其進行噴丸處理，加強其抗疲勞強度。斜盤的輪與軸上的鍵相互配合，固定在一起，因此軸與斜盤必定成過渡配合，先不考慮上下公差，則 。=12dm斜 盤氣缸的有效回轉半徑 ，滾珠支承與雙頭活塞連接，滾珠支承推動斜盤，假0R設活塞處于止點時（即活塞達到最大壓縮行程） ，。/sin2/si8.52.7L??斜 盤 有 效 長 度滾珠支承為標準件，支承底座長度為 6mm，則理論上 ，=20.78+3=2.78Lmm斜 盤 總 長。為避免不必要的損失，支承盡量不超過斜盤邊緣，取=0+3si.=.9hm??斜 盤 高 度,則 ，允許上下浮動。24.5m斜 盤 245sin80.24.l???斜 盤2.4 雙向活塞斜盤式壓縮機主要結構運動計算與分析本節(jié)將談及該壓縮機中主要零部件的運動分析，為了能夠便于理解，我將逐一對運動部件進行分析，描述其運動過程，構建為平面幾何關系，并推導其運動函數(shù)方程式，爭取能夠直觀地表現(xiàn)出它的運動形式。首先需要說的是我們設計的是左右兩氣缸型壓縮機，每個氣缸配置三個活塞，因此為六缸斜盤式壓縮機。其主要運動過程為轉軸旋轉—帶動斜盤回轉—帶動活塞往復運動，由于轉軸和斜盤固定在一起，因此我們從主要零部件斜盤先進行運動分析。雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計19圖 2-8 運動簡圖 我們將斜盤與轉軸之間的夾角設為 （ 0α90°） 。從簡圖 2-8我們不難發(fā)現(xiàn)，當?斜盤作回轉運動的過程中，它針對于活塞的運動方向是在氣缸的中心線上，也就是說，當我們把斜盤上位于這個氣缸中心線的各個點連在一起可以發(fā)現(xiàn)它是一個橢圓，我們稱這些連線為“旋轉向徑” ，氣缸中心到轉軸中心線的距離為“有效回轉半徑” 。該橢圓R的短半軸即為 ，長半軸即為 。因此該方程為：R/sinR（2-221()sinxyR???1）令 ， 為轉軸旋轉角， 為旋轉向徑。cos,inxy?????代入化簡得：（2-22secinta?????2）圖 2-8中，此時活塞處于止點。此時的旋轉向徑與轉軸中心線的夾角為 ，且在轉?軸上的投影為 OB=R/tan =OC。而 OB+OC=2R/tan 正好是活塞的行程，我們機制為 S。當??主軸轉動 角后，投影變成 ，如圖所示。?'OB此時得 雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計20（2-22cos'intaROB???3）這時候可以很容易看到活塞頂面距離下止點的位移即為 。'xOBC??（2-22cos+tanitanRx????4）式 2-4就是活塞位移的基本方程。因為一個斜盤邊緣均勻放置三個活塞，由此我們可以得出其余兩個活塞的位移方程為（2-22cos+10tanitanRx?????（ ）（ ）5）（2-22cos-10+tanitanx?????（ ）（ ）6）對式 2-4求導，即可得出活塞的速度公式：（2-232secini+ta)RV?????（7）將上式對時間求導，得活塞加速度公式：（2-22252seco(tansi)i)dVRatt??????????8）從上面的運動分析我們不難發(fā)現(xiàn)，在斜盤與轉軸的傾斜角一定的情況下，隨著斜盤雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計21的運動，活塞的速度也不一致，因此進行運動設計分析對于設計斜盤傾斜角、斜盤高度、氣缸直徑、活塞直徑等尺寸非常有必要。綜上，列出所得結構參數(shù)： 斜盤傾斜角 ；=80.5??有效回轉半徑 ；2Rm?壓縮機轉速 ；36/innr氣缸數(shù) ；（雙缸）z氣缸外徑 ；5D?活塞頂端直徑 。18dm即可得出活塞行程：（此時活塞位于止點） 220(1cos)6.937tantan8.5RS???????:因為活塞頂端與氣缸必定存在空隙，我們可以假定活塞行程 則左右的最大Sm?。行徑為 ，則氣缸的深度可假定為 ，存在余隙容積，則取3.5m3.+1=.h?氣 缸=20mm。h氣 缸活塞的平均速度： 6.9370833015mSnRCtg????::氣缸工作容積：20(1cos)=91578.pRVAVtgtg?????????氣 缸 余 隙注：式中 為活塞頂端面積，余隙容積為方便計算忽略不計。pA最小行程直徑比：雙向活塞斜盤式汽車空調壓縮機設計22min110.347808si.5sin6tgtgz?????? ??::根據(jù)壓縮機活塞運動系數(shù)范圍，此最小行程直徑比在 0.2—0.5之間，符合標準。壓縮機理論排量： 2236156150.6.97106173VDSnz?????????達到六缸壓縮機的排量要求。2.5 雙向活塞斜盤式壓縮機主要結構受力計算與分析在對壓縮機進行運動分析之后，我們將對其運動部件進行受力分析，在這里我將主要選取活塞以及斜盤進行受力分析。以雙向活塞斜盤式壓縮機的雙頭活塞為例，由于雙頭活塞中部臺階處需要與斜盤進行配合，因此該位置的厚度遠遠低于其他位置，那么在工作過程中極為容易發(fā)生斷裂，因此研究在斜盤位于不用角度狀態(tài)下，對于活塞最大的受力情況進行分析非常重要。圖 2-9 活塞以及斜盤受力分析我們與上文的運動分析區(qū)分開，以便于能夠簡單明了的觀察其受力狀況，我們單獨