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含CAD图纸、SW三维、说明书、开题报告 双向活塞斜盘式汽车空调压缩机设计【含SW三维 双向活塞斜盘式汽车空调压缩机设计 双向活塞斜盘式压缩机 双向活塞斜盘式 汽车空调压缩机 斜盘式空调压缩机

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毕业论文（设计）题目名称：双向活塞斜盘式汽车空调压缩机设计 所在学院：机械工程学院 专业（班级）：学生姓名：指导教师：评阅人：院 长 ： 50双向活塞斜盘式汽车空调压缩机设计总计：毕业论文 41 页表 格 2 表插 图 30 幅指导教师：评 阅 人：完成日期： 摘 要迈入21世纪以来，各式各样的产业得到了蓬勃的发展，其中最为关切到普通人本身的便是汽车行业。今天我们将要谈及到的是汽车空调中的核心部件压缩机。对于大多数人接触到的小型汽车来说，其空调受到空间限制的影响，以及该类汽车发动机往往功率不大，因此我们非常注重的是压缩机运行的效率、尺寸外形和功耗等。针对传统类型压缩机（如曲柄连杆式压缩机）的缺陷，在本设计中我们主要研究斜盘式压缩机中的一种即双向活塞斜盘式压缩机。本设计主要完成了以下任务：（1） 对汽车空调压缩机的发展历程作简要阐述，详细介绍汽车空调制冷系统的原理和组成，对目前市场上涡旋式和滑片式这两种类型压缩机的工作原理以及其特性进行详细剖析。（2） 对双向活塞斜盘式压缩机进行总体设计，包括其原理、结构等。（3） 对双向活塞斜盘式压缩机的重要组成零部件例如主轴、斜盘、双头活塞、气缸、前后端盖等进行尺寸结构设计，并对其材质以及所选工艺进行详细分析。（4） 对双向活塞斜盘式压缩机中相关结构进行热力学计算，推导得出主轴、斜盘、活塞之间的运动学以及动力学公式。在此设计过程中，我借助了SolidWorks、AutoCAD,将所设计产品用三维以及二维的方式表现出来，期间参阅了许多相关文献，并与大学四年所学知识结合起来，不仅提高了相关制图软件的操作能力，更从中学到了很多机械相关的知识。关键词:汽车空调；压缩机；双向活塞；斜盘式 Abstract Since 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.In 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 softwares operating capability has also learned a lot of machine-related knowledge.Key words：Automotive Air Conditioning; Compressor; Two-way Piston; Swashplat目 录摘 要IAbstractII1. 绪 论11.1 汽车空调的发展历程及其意义11.2 汽车空调制冷系统的组成及其原理21.3 汽车空调压缩机的发展历程以及种类31.4 各类压缩机的结构形式与特点41.5 本设计主要研究内容72. 双向活塞斜盘式压缩机总体设计82.1 双向活塞斜盘式压缩机的总体结构设计82.2 双向活塞斜盘式压缩机的工作原理82.3 双向活塞斜盘式压缩机结构设计及分析92.4 双向活塞斜盘式压缩机主要结构运动计算与分析152.5 双向活塞斜盘式压缩机主要结构受力计算与分析173. 热力学分析与计算193.1 热力学分析193.2 热力学计算214. 压缩机辅助系统分析及其制冷剂、润滑油选择254.1 吸气、排气系统分析254.2 润滑系统分析264.3 制冷剂264.4 润滑油的选择274.5 附件285. 双向活塞斜盘式压缩机三维建模305.1 活塞305.2 转轴斜盘总成305.3 气缸315.4 电磁离合器315.5 双向活塞斜盘式压缩机装配32结 论34参考文献35附录1：外文翻译36附录2：外文原文37致 谢38双向活塞斜盘式汽车空调压缩机设计1. 绪 论1.1 汽车空调的发展历程及其意义 1.1.1 汽车空调的发展历程距离汽车出现在人类生活当中已经有一百多年了。随着科技的发展以及人类生活水平的提高，曾经在普通人眼中遥不可及的汽车如今已经成为人们生活中的必需品。汽车的普及加上许许多多高新技术的发展，汽车空调技术应运而生。汽车空调的主要目的是为了在车上营造一个冬暖夏凉的舒适环境，因此驾驶人可以集中注意力驾驶，从而还可以避免许多不必要的交通问题。1925年，在美国出现了通过加热汽车冷却水从而达到取暖目的的方法。之后世界上第一台完整的汽车空调装置则于1927年问世，它具备了加热器、空气滤清器以及通风机等设备，构成了较为完整的供热系统。当然此时的汽车空调仅仅能做到取暖而已。世界上首个可以进行机械制冷的温度调节装置于1939年诞生由美国Packard所创。可惜的是，伴随着二战的发生该技术暂停了发展。真正做到汽车空调中的制冷制热一体化就要追溯到1954年，美国于Nash牌轿车上安装了冷暖兼容的空调器，此时的汽车空调具备了自由调节车厢内温度及湿度的功能。但是该空调器仍非完全自动化，它尚且需要人为进行控制过程，毫无疑问让驾驶员的工作量增加了许多，因此随着人们需求的提高，自动控制式空调于1964年诞生，它可以根据事先设定的温度进行工作，传感器收集车厢内外温度信息，从而在一定温度范围内自动进行调节。随着计算机的发展，汽车空调技术与计算机技术相结合，微机控制的汽车空调系统更为人性化、智能化，不仅大大提高了制冷能力，更节约了燃料，人们对于汽车的体验无疑上升了许多个档次。谈到我国汽车工业，长春第一汽车集团公司无疑是该工业中首屈一指的领先企业，同样作为汽车工业中的一部分，他们的汽车空调技术发展也未曾落下。对于我国近现代来说，红旗轿车无疑是令人自豪的国民品牌，早在19世纪70年代初，由一汽牵头生产的红旗牌轿车就都统统配备了轿车空调。虽然我国空调型汽车起步较晚，但是发展极为迅猛，据统计，1992年到2000年期间，这不到十年的时间我国的空调汽车产量增长4倍有余。1.1.2 汽车空调的意义要说汽车空调的存在意义，首先不得不说汽车空调的组成元素，即为温度、湿度、流速以及清洁度。我们都知道当汽车空调在运作时，往往伴随着排气处的风声以及风机运转时的巨大声响，该噪音通常会影响车内的人，无论是行驶途中还是休息时刻，因此低噪音的汽车空调往往能占据大半市场。调节温度自然是汽车空调的主要任务，无论夏天还是冬天，保证车厢内的适宜温度非常关键。目前的大多数汽车空调都具备了制冷装置以及暖风装置，前者主要是对车内空气或者由外部进入的空气进行冷却，从而令车厢内变得凉爽；后者则是对其进行加热。一般的车辆并没有调节湿度的功能，但是我们仍然可以利用汽车空调对部分环境进行除湿处理。比如我们在冬天驾驶车辆的过程中，由于车内人的呼吸等行为往往会造成空气的内循环，随之而来的便是前挡风玻璃往往布满雾气，严重阻碍了驾驶员的视线，这时候便需要开启空调装置对前挡风玻璃周围环境进行除湿处理。汽车空调装置还可以实现对车内空气进行换气处理，一定程度上起到了净化空气的作用。总的来说，汽车空调的存在是营造一个舒适的驾驶环境，在最大程度上避免会对驾驶人员产生的不利影响，从而不仅提高了驾驶人的驾车体验，也确保了驾驶人的行车安全，其意义不可谓不大。1.2 汽车空调制冷系统的组成及其原理汽车空调制冷系统的组成：压缩机、空调管路、冷媒、蒸发器、储液干燥器、膨胀阀、冷凝器。 图1-1 汽车制冷系统外观如图1-1所示，所有汽车的制冷系统离不开4个主要部件，即压缩机、蒸发器、膨胀阀、冷凝器。压缩机发动机启动后，压缩机吸入低温低压制冷剂蒸汽，并将其压缩成为高温高压蒸汽，然后将它输送至冷凝器。蒸发器将低温低压冷媒液体进行蒸发使其汽化，从而吸收空气中的热量。膨胀阀对高压的冷媒液体进行一定处理，使其成为低压低温的雾态冷媒，然后导入蒸发器中。冷凝器多数置于位于车头的散热水箱处，将高温高压蒸汽的热量释放到外部空气中。空调开关打开后，蒸发器中所形成的低温低压气态制冷剂就会导入压缩机当中，压缩机吸收后对其进行一系列压缩过程，对其进行加压加温，从而使其成为高温高压气态制冷剂。制冷剂随后进入冷凝器，经过冷却之后该蒸汽变为液态，此时会散发出大量的热，接着流入干燥器当中进行过滤。过滤之后的液态制冷剂流经膨胀阀，致使其压力降低，从而蒸发成为气态，此时则需要吸收大量的热。最后低温低压的制冷剂就会进入蒸发器当中，此时就会对空气进行降温，鼓风机再将冷气送入车厢内部，整个过程的运作大致上就是如此了。1.3 汽车空调压缩机的发展历程以及种类随着汽车行业的不断发展，人们对于汽车各方面的需求越来越大，要求越来越高。作为汽车组成中的关键设备，汽车空调的存在意义不可谓不大，它更是发展成为检验汽车质量的重要标准之一。无论是小型轿车，还是各种大型客车，乘坐舒适性慢慢成为人们首先考虑的事情，甚至在一些机械工程类用车或者农用机车中，舒适性同样显得尤为重要，而汽车空调对于舒适性的提高是非常关键的。那么对于汽车空调的心脏压缩机来说，其发展又经历了怎么样的过程呢？自1939年美国通用汽车Packard公司所制造的制冷空调以来，汽车空调技术时至今日已经非常成熟，其中尤为压缩机的技术发展为主。第一代压缩机曲柄连杆式压缩机。它是最为传统的压缩机类型，生产工艺较为成熟，但是由于连杆装置导致其在运行过程中容易产生较大噪音，对驾车体验产生极大影响，尤其对小型汽车。因此它渐渐在小排量的压缩机中失去了市场，目前只存在于大型的客车空调当中，而且还有被大排量斜盘式压缩机所取代的趋势。 第二代压缩机往复式压缩机。其分为两大类，即斜盘式压缩机以及摇盘式压缩机。1962年，美国通用汽车公司首先研制出了斜盘式压缩机。它通过主轴的转动，带动了固定在轴上的斜盘的回转运动（斜盘与轴成一定角度），斜盘的运动带动了活塞的运动，从而使得活塞在气缸中做往复运动，达到压缩气体的目的。由于斜盘式压缩机运动过程中可以实现完全平衡，并且噪音小，效率高，很快就占据了传统类型压缩机的市场。到了20实际70年代，日本对其作出一系列的改进，将铸铁材料替换为全铝结构，更是将原来的6缸发展为10缸，因此斜盘式压缩机的性能得到进一步提高。到目前为止，该类压缩机经历了几十年的发展，其技术已经日趋成熟，且在目前的汽车压缩机市场中占据主导地位，市场份额高达70%。随着汽车轻量化的趋势加深，那么作为汽车中的重要组成部分（即主要占重），斜盘式压缩机也正在朝着小型轻量化的方向不断发展。第三代压缩机旋叶式压缩机。其体积与质量较小，因此很适合置于小型汽车中，并且由于其运行过程中的力矩不大，因此振动相对较小，所产生的噪声也就相对较小。是一种非常具有潜力的压缩机类型。第四代压缩机涡轮式压缩机。这是当前最为先进的汽车空调压缩机类型，其效率高，体积小，做功大，对能源的利用率远远超于前几代压缩机，并且更为环保。不过其技术稍显不成熟，目前包括我国在内的大多数国家对于该技术的掌握程度不高，并且它所要求的制造精度较高，因此维修也较为困难，很难占据中低端市场。1.4 各类压缩机的结构形式与特点1.4.1 滑片式压缩机通过其叶片转动，滑片式压缩机完成了气体压缩的过程，从而实现风能和机械能之间的转换，因此属于容积式压缩机中的一种。从其结构来分，滑片式压缩机分为两种主要类型（如图1-2,图1-3所示）。我们拿单工作腔滑片压缩机为例，它的主机由定子和转子构成，滑片可以在转子上的纵向滑槽中自由地滑动；当转子开始转动时，滑片在离心力的作用下与定子通过紧密接触，于是在滑片和定子之间就形成了一个压缩腔，定子即起到了气缸的作用。图1-2为单工作腔滑片压缩机的剖视图，图1-3为双工作腔滑片压缩机的剖视图。 图1-2 单工作腔滑片压缩机 图1-3 双工作腔滑片压缩机 1.定子 2. 转子 3.滑片 1.排气阀 2. 转子 3. 定子4. 滑片 5.吸气口滑片压缩机的优点如下：（1） 其结构较为简单，组成零部件较少，维修方便。（2） 结构紧凑，体积小，适用于安装在空间不大的汽车机体中。（3） 起没有偏心旋转的零部件，因此无旋转惯性力，其动力平衡性能较为出色，运动较平稳，振动小，噪声小。（4） 存在多个基元容积，气流的脉动较小，效率高。（5） 当滑片多次运动发生磨损后，滑片将会自动延长进行补偿，从而不需要反复更换维修。滑片压缩机中的滑片虽然具有自动补偿功能，但是限制于滑片与转子、定子之间的配合方式，其机械磨损仍然较为严重，因此造成了大量的能量损耗，而且使用寿命皆是不高。目前针对该类摩擦损耗已经出现了许多原理相同但结构模式不同的旋叶式压缩机，寿命得到了一定的增长。但是考虑到加工精度、配合方式以及运行原理，机械摩擦仍是影响旋叶式压缩机发展的重要因素之一。1.4.2 涡旋式压缩机涡旋压缩机是目前最为先进的压缩机类型。它利用阿基米德螺线槽来压缩气体，实现了高效率，低能耗且环保的工作方式。其主要部件是固定涡旋盘以及由偏心轴带动的绕行涡旋盘，它们形状相同，但是角相位相距180。工作时，涡旋盘相切形成了多处密封线，从而构成了多个月牙形的气腔。随着涡旋盘的转动，该密封线位置会连续转移，因此月牙形气腔形状也会不断变化。当偏心轴顺时针旋转时，气体就会通过吸气口进入，随着气腔的闭合其密闭的容积便不断缩小，中心压力不断升高。这就是涡旋压缩机压缩气体的过程。图1-4为涡旋压缩机，图1-5为涡旋压缩机工作过程。 图 1-4 涡旋压缩机图1-5 涡旋式压缩机工作过程涡旋压缩机的主要优点：（1）其压缩腔由涡旋线构成，当涡旋盘中心作圆周运动时，压缩腔的容积相应发生变化，即缩小或扩大，腔体容积的变化导致气体吸入、压缩、排气的过程不断进行。由于吸气和排气在压缩腔中几乎是同时进行，因此不存在很大的进出气风声，也就降低了噪音。（2）具备多个压缩腔，各个腔之间的气体压差小，因此所泄露的气体量就少，容积效率得到很大提升，可高达98%。（3）不存在排气阀和吸气阀，因此运转稳定，不会发生闭气现象。（4）体积小，重量轻，可以进行高速旋转。涡旋盘之间的相对摩擦速度较小，容量平衡。（5）螺旋线结构作为该压缩机中的核心技术结构，旨在形成多个螺旋腔用以支撑压缩过程的往复循环，其次该结构特性保证了间隙之间的密封效果，可靠的密封性致使制冷系数不降反增，生产效率不会因为工作时长而下降，非常可靠。（6）可以用于各种室内外环境，工作特性良好，无余隙容积，不存在内外泄漏。涡旋式压缩机性能出色且容积效率高，但是由于其工作原理以及结构特性，对于制造精度要求非常高，同样如果发生故障，其维修途径较少，费用较高。且其加工工艺尚不成熟，高昂的成本使其无法有力占据汽车行业的中低端市场，尖端技术多为欧洲所掌握。1.4.3 双向活塞斜盘式压缩机从上面的阐述分析我们不难发现，各类压缩机有它们自己的优缺点。例如滑片式压缩机尺寸小，结构紧凑，特别适用于小型汽车，但是它也有非常明显的缺陷，该类压缩机各个运动副（定子与转子，滑片与定子等）之间的摩擦损耗特别大，因此往往寿命不高，显然作为一个合格的汽车用压缩机来说，零部件寿命将是衡量汽车质量的一个重要因素。同样地，涡轮式压缩机技术先进，效率高，能耗低，污染小，但是其加工精度非常高，并不是适用于中低端汽车市场，因此尚无法得到普及。这时不得不提及一种目前占据70%以上市场份额的压缩机斜盘式压缩机。而我们将要在本设计中所提出的压缩机就属于斜盘式压缩机的一种，即双向活塞斜盘式压缩机。双向活塞斜盘式压缩机属于往复式压缩机中的一种，它保留了曲轴连杆式压缩机结构简单，摩擦损耗小等特点，利用固定于转轴的斜盘的回转运动，带动双头活塞在左右两边的气缸中进行往复运动，依次进行压缩气体的过程。与传统意义上的单向活塞曲轴连杆式压缩机不用的是，它直接采用钢球轴承将活塞与斜盘配合在一起，从而避免了斜盘与活塞之间的大量摩擦损失。同时，活塞被设置为双头结构，意味着一次完整的回转过程，包含在左右两个气缸中进行两次压缩，大大提高了工作效率。双向活塞斜盘式压缩机体积小，在小型汽车空调压缩机中得到大量应用。我们将斜盘式压缩机与旋叶式压缩机进行对比不难发现，尽管旋叶式压缩机结构紧凑，性能平衡，运动平稳，但不可避免的是它的消耗非常大，图2-1为旋叶式压缩机消耗饼图。而斜盘式压缩机尽管存在消耗，但是由于其配合方式单一，结构简单，因此其损耗远远不及旋叶式压缩机。 图1-6 旋叶式压缩机消耗饼图1.5 本设计主要研究内容 作为第二代压缩机，双向活塞斜盘式压缩机尚且未被市场所淘汰，反而占据了大量的市场，这不得不说它的结构特性在目前汽车行业仍是具有巨大潜力的，因此极具研究意义。现在我们对双向活塞斜盘式汽车空调压缩机进行设计。首先我们需要了解该类压缩机的基本工作原理，对其进行总体结构设计。从工作原理中发现压缩机关键的运动零部件及其之间的配合方式，从而推导出主要零部件的运动过程及其趋势，根据设定的参数计算相关数据，可得出相关尺寸。对运动零部件的相关受力情况加以分析计算。在计算完运动以及受力之后，则进行热力学相关的计算，其中包括制冷量、排量、压力比、电机功率等，从而为本方案的设计合理性提供有力依据。最后对压缩机相关辅助系统（吸气、排气系统和润滑系统）以及制冷剂、润滑油、附件进行分析选择。2. 双向活塞斜盘式压缩机总体设计2.1 双向活塞斜盘式压缩机的总体结构设计双向活塞斜盘式压缩机由电磁离合器、气缸、双头活塞、斜盘、转轴、前后阀板、前后端盖等零部件组成，与一般的活塞式压缩机类似，它采用活塞与气缸配合的压缩方式，其主要配合结构在转轴与斜盘、活塞与斜盘之间。图2-2给出了双向活塞斜盘式压缩机的主视半剖图，其中斜盘固定于转轴特定位置，并且与转轴呈一定角度（大于0，小于90）。双头活塞与斜盘之间通过滚珠导轨配合，因此在斜盘进行回转运动过程中活塞可进行前后往复运动，在气缸中压缩冷媒蒸汽。本双向活塞斜盘式压缩机的最大特点是利用斜盘与双头活塞直接进行配合，抛去了曲轴连杆装置，因此运动性能更加平稳，摩擦损耗减少，同时双向进行压缩过程，大大增加效率。 图2-1 双向活塞斜盘式压缩机主要结构示意图1.离合器线圈 2. 前端盖3. 阀板4. 双头活塞5. 斜盘6. 滚珠导轨 7. 转轴2.2 双向活塞斜盘式压缩机的工作原理曲柄连杆机构的压缩机中其活塞的运动往往是沿着与转轴中心线垂直的方向进行，然而在斜盘式压缩机中，其活塞的运动方向与驱动轴中心线呈平行状态。双向活塞斜盘式压缩机在圆周方向设置若干个气缸，故而结构较为紧凑，平衡性能较好，可以支持较高转速。当电机启动后，主轴进行旋转运动，斜盘因为与主轴固定在一起，因此斜盘随主轴作回转运动，斜盘的边缘与双头活塞中部的槽相契合（通过滚珠轴承），建立几何关系我们可以发现，斜盘的运动促使活塞进行轴向的往复运动，当斜盘转动一周，活塞的左右两边各完成压缩排气吸气的循环，也就是两次压缩过程，起到了双气缸的作用，图2-3就是双向活塞斜盘式压缩机的工作原理简图。 图2-2双向活塞斜盘式压缩机的工作原理图2.3 双向活塞斜盘式压缩机结构设计及分析本压缩机的主要零部件为：气缸、双头活塞、转轴、斜盘等，我们先就这些主要零部件的结构、材料以及工艺特点进行阐述分析：2.3.1 气缸气缸毫无疑问是压缩机中的核心部件，它关系到冷媒蒸汽在压缩过程当中的能耗、泄露以及效率，所以气缸所要求的尺寸精度非常高。其剖视结构如图2-3所示，立体结构如图2-4所示。 图2-3 气缸剖视图图2-4 气缸立体图从结构图可以看出，我们所设计的气缸圆周上均匀分布三个缸孔，称之为三缸体，由于我们所设计的是双向活塞斜盘式压缩机，左右各放置一个气缸，因此我们称之为六缸压缩机。端盖、阀板、气缸通过长螺栓连接固定在一起，确保气缸不会因为压缩机的剧烈振动而发生移位现象。气缸的作用是作为活塞压缩气体时构成一个密闭的环境，需要保证的是活塞在气缸缸孔内作往复运动时，活塞头的直径需要与缸孔直径产生间隙配合，间隙太小容易产生大量摩擦损耗，间隙太大又容易造成能耗增加，从而降低效率，因此气缸内表面的粗糙度精度要求非常高，我们希望达到的粗糙度为Ra0.8m。缸体的外表面与阀板、端盖紧密配合，为防止产生间隙导致零件损坏，我们要求两端的表面粗糙度为Ra0.2m。从图中还可以看出的是，缸体圆周上分布的螺栓孔有特殊要求，其夹角需按照阀板端盖上的配合孔进行设置。对于气缸中的吸排气系统进行设计时，我们将会采用轴向的吸气排气方式。综上所述，我们可以意识到随着活塞在气缸中往复运动，两者之间的摩擦非常大，因此无论是活塞，还是缸体均需要采取耐磨性较高的材料。考虑到轻量化以及经济性，我们将选择硼合金铸铁为气缸材料。（1）气缸壁厚；式中P气缸工作压力，； D气缸内缸径，；小型压缩机气缸内径，首先我们先设定气缸内径。如上所述，我们的气缸材料为高强度的铸铁材料，我们在这里取；是壁厚附加值，此处为方便计算，因此将忽略为0；我们取平均压强。可得则我们取外壁厚，通常外壁厚略大于内壁厚，因此我们可以取内壁厚为。（2）法兰壁厚，我们取。则法兰长度。（3）气缸缸孔中心线的方向即为活塞左右移动时的方向，我们把转轴中心线与缸孔中心线的距离叫做有效回转半径。根据小型压缩机手册，设定本设计中。（4） 与滚珠轴承相接处的气缸孔径。滚珠轴承取标准件，厚度为，得出与轴相邻的气缸孔径。（5） 气缸外径。2.3.2 双头活塞双头活塞结构如图2-5所示图2-5 双头活塞结构图本设计中与普通斜盘式压缩机的最大区别即为活塞。现在市场上许多斜盘式压缩机都为单向活塞，而我们所设计的活塞为双向设计。活塞中部设置一槽，用于与斜盘边缘进行配合（通过滚珠轴承），因为活塞在气缸中进行运动，因此它的外表面粗糙度要求较高，我们将其设置为Ra0.4m，与缸体内表面粗糙度一致。双头活塞的选材：（1） 耐磨性要好。因为活塞外表面与气缸内表面在运动中不断接触，因此该活塞轴径必须耐磨。（2） 工艺简单。因为大多压缩机生产厂家中的活塞需经大量生产，且其检查大多人为，故而为减少不良率，需对活塞的加工工艺流程严格把关，尽量简化其加工工艺，以此减少不良品。（3） 强度要好。作为不断运动的零件，需要具备高强度，防止其发生断裂、弯曲。由于活塞顶端直径与气缸内径一致（存在一定空隙，为计算简便忽略），所以活塞顶端直径，活塞长度，取。活塞在运动过程中受力复杂，在这里我们不做有限应力方面的分析。根据压缩机手册，可确定标准双头活塞中部尺寸。 2.3.3 转轴其结构如图2-6所示 图2-6 转轴从图中可以看出，我们对于该转轴的设计并不复杂。我们都知道压缩机转速是衡量压缩机工作效率的一个重要参数，高转速往往意味着较为复杂的受力状况，所产生的力矩也就非常大，这样就容易导致转轴在高速运转中出现断裂等状况。因此，设计一个结构简单的转轴可以减少不必要的转矩、弯矩以及位于转轴之上的运动件的重力。转轴与电磁离合器相连接，并与其采取带有外螺纹的配合方式，这样的设计可以支持更高的转速并提高其运动稳定性。作为压缩机中的核心零部件之一，它的选材要求也较为严格。首先该种材料需对应力不敏感，强度要高，因此我准备选用稀土镁球墨铸铁。转轴需对其进行相关热处理，并加以氮化，以此提高其抗疲劳强度，增加转轴的使用寿命。与转轴进行连接的轴承选取非常重要，旨在减少振动发声，并降低噪音产生。转轴的表面粗糙度我们设置为Ra1.2m，轴肩的跳动量应不大于0.02；转轴的中心线必须与所配置气缸的端面垂直。为提高其整体疲劳强度，还可以随其进行喷丸处理。从气缸中我们得出了与转轴相邻的气缸径为，由于存在一定空隙，则我们设。2.3.4 斜盘斜盘的结构如图2-7所示 图2-7 斜盘首先我们需要对斜盘的内外径尺寸进行分析。斜盘固定于转轴之上，为防止大量工作之后斜盘与转轴之间发生脱落或者产生间隙，从而导致振动以及机器损坏，因此斜盘内径与转轴外径需要一定尺寸的过盈配合方式，必要时在不损坏转轴外表面的情况下需要对斜盘进行强压入。我们可想象的是，在斜盘作回转运动时，其偏心力的大小很大程度上取决于斜盘与转轴之间的角度。因此选取一个合适的角度无疑是该压缩机的重要参数。在这里我根据参考文献确定其角度为，该角度可以确保斜盘的偏心力矩以及弯矩相对较小，从而提高斜盘的使用寿命。确定斜盘外径，使其边缘中心线与气缸中心线重合，同时需要根据其几何模型，以气缸缸孔深度以及活塞头长度为根据确定斜盘的最大驱动距离。因为转轴与斜盘固定在一起，且斜盘的刚度以及强度要求与转轴相似，因此我选取的斜盘材料为稀土镁球墨铸铁，如有必要，对其进行喷丸处理，加强其抗疲劳强度。斜盘的轮与轴上的键相互配合，固定在一起，因此轴与斜盘必定成过渡配合，先不考虑上下公差，则。气缸的有效回转半径，滚珠支承与双头活塞连接，滚珠支承推动斜盘，假设活塞处于止点时（即活塞达到最大压缩行程），。滚珠支承为标准件，支承底座长度为6mm，则理论上，。为避免不必要的损失，支承尽量不超过斜盘边缘，取,则，允许上下浮动。2.4 双向活塞斜盘式压缩机主要结构运动计算与分析本节将谈及该压缩机中主要零部件的运动分析，为了能够便于理解，我将逐一对运动部件进行分析，描述其运动过程，构建为平面几何关系，并推导其运动函数方程式，争取能够直观地表现出它的运动形式。首先需要说的是我们设计的是左右两气缸型压缩机，每个气缸配置三个活塞，因此为六缸斜盘式压缩机。其主要运动过程为转轴旋转带动斜盘回转带动活塞往复运动，由于转轴和斜盘固定在一起，因此我们从主要零部件斜盘先进行运动分析。图2-8 运动简图 我们将斜盘与转轴之间的夹角设为（ 090）。从简图2-8我们不难发现，当斜盘作回转运动的过程中，它针对于活塞的运动方向是在气缸的中心线上，也就是说，当我们把斜盘上位于这个气缸中心线的各个点连在一起可以发现它是一个椭圆，我们称这些连线为“旋转向径”，气缸中心到转轴中心线的距离为“有效回转半径” 。该椭圆的短半轴即为，长半轴即为。因此该方程为： （2-1）令，为转轴旋转角，为旋转向径。代入化简得： （2-2）图2-8中，此时活塞处于止点。此时的旋转向径与转轴中心线的夹角为，且在转轴上的投影为OB=R/tan=OC。而OB+OC=2R/tan正好是活塞的行程，我们机制为S。当主轴转动角后，投影变成，如图所示。此时得 （2-3）这时候可以很容易看到活塞顶面距离下止点的位移即为。 （2-4）式2-4就是活塞位移的基本方程。因为一个斜盘边缘均匀放置三个活塞，由此我们可以得出其余两个活塞的位移方程为 （2-5） （2-6）对式2-4求导，即可得出活塞的速度公式： （2-7）将上式对时间求导，得活塞加速度公式： （2-8）从上面的运动分析我们不难发现，在斜盘与转轴的倾斜角一定的情况下，随着斜盘的运动，活塞的速度也不一致，因此进行运动设计分析对于设计斜盘倾斜角、斜盘高度、气缸直径、活塞直径等尺寸非常有必要。综上，列出所得结构参数： 斜盘倾斜角；有效回转半径； 压缩机转速； 气缸数；（双缸） 气缸外径； 活塞顶端直径。即可得出活塞行程：（此时活塞位于止点） 因为活塞顶端与气缸必定存在空隙，我们可以假定活塞行程则左右的最大行径为，则气缸的深度可假定为，存在余隙容积，则取=20mm。活塞的平均速度： 气缸工作容积： 注：式中为活塞顶端面积，余隙容积为方便计算忽略不计。最小行程直径比：根据压缩机活塞运动系数范围，此最小行程直径比在0.20.5之间，符合标准。 压缩机理论排量： 达到六缸压缩机的排量要求。2.5 双向活塞斜盘式压缩机主要结构受力计算与分析在对压缩机进行运动分析之后，我们将对其运动部件进行受力分析，在这里我将主要选取活塞以及斜盘进行受力分析。以双向活塞斜盘式压缩机的双头活塞为例，由于双头活塞中部台阶处需要与斜盘进行配合，因此该位置的厚度远远低于其他位置，那么在工作过程中极为容易发生断裂，因此研究在斜盘位于不用角度状态下，对于活塞最大的受力情况进行分析非常重要。图2-9 活塞以及斜盘受力分析我们与上文的运动分析区分开，以便于能够简单明了的观察其受力状况，我们单独将受力进行额外的分析。首先，根据双向活塞斜盘式压缩机中双头活塞的运动规律，我们假设，在活塞位于外止点的时候作为转轴开始运动的起点，即此时的转角为0。如图2-9所示。且规定到内止点的运动方向为正方向，则活塞的位移方程为: （2-9）式中 活塞位移，m气缸的有效回转半径，m斜盘与转轴之间的倾斜角，rad转轴转角，rad求导可得加速度： （2-10）然后我们开始进行分析受力，作用在活塞上的力包括了：活塞组的往复惯性力，活塞外表面与气缸内壁之间的摩擦力以及作用在活塞上的气体力。对于活塞组的重力我们忽略不计。则我们可以得出 （2-11） 式中的为双头活塞组的质量,kg 。假设左右气缸的气体压力为以及，则可以得出 （2-12）式中的为活塞顶的端面面积，。对于往复摩擦力，在考虑到润滑状况良好的情况下，我们忽略不计。同理我们可以得到斜盘上的受力。如图2-9所示，我们将活塞力在活塞与斜盘的接触点位置进行分解，分解为垂直于斜盘表面的力，由于它的方向我们称之为斜 盘的法向力； 作为工作阻力，。3. 热力学分析与计算3.1 热力学分析首先我们将对本压缩机进行热力学分析。在压缩机的工作过程当中，由于涉及到了气体的泄露以及热交换，同时随着气缸内气体压力与体积大小的不断变化，该气体的泄漏状况也不尽相同。而气体的热交换过程则更是复杂，简单概括一下可分为：外部气体与压缩机内部壁面的热交换；压缩过程与膨胀过程当中气缸内气体与外界的热交换；泄露而导致的气体热交换；位于余隙容积中的高温气体与来自蒸发器的低温气体的热交换。工作容积的变化可以导致传热面积以及传热温差都随之改变，而冷却方式的多种多样则让热交换过程非常不稳定，我们也难以预测。（1）能量方程根据文献资料，我们列出气体在压缩与膨胀时的热力学能量守恒方程为： （3-1）式中 Q气缸内气体与外界的换热量，J P气缸内气体压力，Pa V气缸内气体体积，m T气缸内气体温度，K M气缸内气体质量，kg R气体常数，J/(kg.K）定容比热，J/(kg.K）压缩机的工作过程实际上也就是一个变质量的过程，那利用，我们可以得出质量系统状态方程： （3-2）（2）气缸工作容积方程 根据活塞的位移方程，可得气缸工作容积方程： （3-3）式中 余隙容积（3）气体泄漏方程活塞与气缸壁面、阀板之间必定存在间隙，这就容易导致气体的泄露，为此我们列出气体的总泄漏量方程，对其中的一些重要参数进行计算。 （3-4）其中=D/(24h), =式中 活塞的直径，m 活塞环高度，m 活塞环厚度，m泄露气体质量，kg 流量系数 外泄露面积， 泄露前气体压力，Pa 泄露前气体压力，Pa 活塞环外圆与气缸内壁之间的间隙，m 润滑油动力粘度，Pa.S其中外泄漏面积为 （3-5）式中 活塞有效端面处的轴颈直径（m）；活塞与气缸两端面的总间隙（m）。则可得出泄漏流量为 （3-6）式中 泄漏系数，一般可取； 吸气压力（低压），Pa ，（排气吸气）平均压力，Pa 气体常数kj/(kgK)； 流量函数； 工质的等熵指数；（4）功率与效率 指示功率 绝热指示功率为 （3-7）式中m为多变指数，本设计中取m=1.05绝热效率 （3-8）式中为压缩机轴功率（kW）；绝热效率，本设计中取=0.60.7 （3-9）式中机械效率。排气温度 （3-10）3.2 热力学计算（1）设计参数表3-1 设计参数气缸直径D=65mm活塞直径d=18mm气缸缸孔直径e=18mm转轴有效直径H=12mm气缸数i=6相对余隙c=1.5%压缩机转速n=3600r/min（正常工作）等熵指数k=1.1膨胀指数m=k=1.1压缩指数n=0.95k=1.045（2）冷媒工质 R134a（后文有对R134a工质的详细描述） （3）计算工况计算工况按有关标准的名义工况（亦即空调工况），有1. 蒸发温度 t0=7.32. 冷凝温度 tk=52.43. 过冷温度 t4=474. 吸气温度 ts=35计算各个工况下状态参数：表3-2 状态参数工质的压力（蒸发温度）ps=0.360MPa工质的压力（冷凝温度）pk=1.468MPa工质的焓值（进口状态）h1=430kJ/kg工质的焓值（压缩终了）h2=465kJ/kg工质的焓值（冷凝温度）h4=265.5kJ/kg压缩机在进口处的比容v1=0.063m3/kg（4）热力计算单位质量制冷量 （3-11）. 单位质量理论功 （3-12）. 容积系数 （3-13） 式中回流系数lb=0.03. 压力系数 . 温度系数 （3-14） 式中 . 泄漏系数 . 容积效率 （3-15）. 实际容积流量 （3-16） . 实际质量流量 （3-17）. 制冷量 （3-18）. 等熵功率 （3-19）. 名义压力比 （3-20）. 实际压力比 （3-21）式中，进气压力损失，排气压力损失. 指示效率 （3-22）. 指示功率 （3-23）. 机械效率. 轴功率 （3-24）. 电机效率 . 电机功率 （3-25）. 制冷系数 （3-26） 通过一系列热力学计算，将所计算各个参数与标准六缸式压缩机参数对比，皆在其标准范围之内：制冷量=6.06kw，5制冷量10kw；制冷系数COP=3.401，2.200COP4.300；电机功率=2.4768kw，符合普通电机功率标准。4. 压缩机辅助系统分析及其制冷剂、润滑油选择本压缩机系统设计的总体布局如图4-1所示 图4-1 压缩机的吸排气系统与润滑系统4.1 吸气、排气系统分析 本设计具体涉及到压缩、排气、膨胀、吸气四个过程，借这四个过程我们对其进气、排气系统作进一步阐述分析。（1）压缩过程：当活塞运动到最大距离（我们称之为下止点），这时候气缸内部充满了来自于蒸发器的低温低压冷媒蒸汽（即吸气结束），当斜盘开始回转并带动活塞左右往复运动时，吸气阀关闭，气缸内的工作容积相对减少。低温低压气体慢慢升温升压，当该压力达到一定的压力点，即高于排气腔中的压力时，排气阀自动打开，这时候该冷媒气体已经完全转化为高温高压气体。（2）排气过程：活塞继续运动，上述的气体压力无法得到提高，则经过排气阀进入排气腔，直到活塞达到上止点，意味着排气过程结束。（3）膨胀过程：从系统图我们可以看出，尽管活塞到达上止点，活塞顶部与阀板之间仍旧有一定的空间，这个间隙我们称之为余隙容积。顾名思义，当排气结束后，余隙容积用于存储相当数量的高温高压气体。当活塞继续运动，排气阀关闭。此时蒸发器中的低压蒸汽并没有立刻进入气缸，而是位于余隙的高压气体首先由于容积增大而导致膨胀，因此压力重新下降直至内外压力又处于平衡状态。（4）吸气过程：当活塞继续运动，进气阀自动打开，又有源源不断的低温低压冷媒气体从蒸发器中输送而来。4.2 润滑系统分析对于压缩机这类具备高速旋转部件的器械来说，润滑系统非常重要，从一定程度上它大大影响了整体的使用寿命。润滑油从外壳的进气口处进入，其中的一部分通过空隙处来到转轴处，大部分润滑油将会随着冷媒介质到达压缩机后端的排气室。润滑油在压力差的作用下对相关零部件包括轴承等进行润滑，转轴旋转将润滑油带入配合空隙。其中有许多润滑油会被导入气缸中，用以润滑缸体内壁以及活塞外壁。使用过的润滑油仍旧可以经过压缩分离之后再次使用。 4.3 制冷剂 在制冷剂的选择上，我们必须考虑多方面的因素。首先从制冷剂的基本性质分析，它必须拥有较低的汽化温度，冷凝压力不能太高(即方便凝结),这有利于压缩机效率的提高；单位体积制冷剂的制冷量要大，比容小；由于压缩机存在压缩气体的过程，因此制冷剂必须稳定，无法燃烧，无法爆炸；目前全世界都提倡环保，因此在选择制冷剂的时候，极为重要的一个条件就是制冷剂对于地球环境不能有破坏，尤其是地球的臭氧层，类似氟利昂的制冷剂应该坚决抵制，环保且绿色的制冷剂不仅为环境带来贡献，更容易获得社会认可。作为制冷剂，我认为需要从以下几个方面进行分析：1、热力学性质方面 (1) 当工作时，其压力以及压力比需适应该温度范围。 (2) 单位容积制冷量要大。(3) 比功w和单位容积压缩功越小，循环效率越高。 2、物理化学性质方面 (1) 环保、无法燃烧、不会爆炸、无毒。 (2) 稳定性好。 (3) 对臭氧层无破坏。3、迁移性质方面 (1) 动力粘度、密度尽量小。 (2) 导热系数大，可提高传热系数，减少传热面积。 4、其它价格实惠、来源充足、无刺激性气味。 4.4 润滑油的选择4.4.1选择润滑油需满足的要求在汽车空调用压缩机当中的润滑油，我们也称之为冷冻机油。润滑油的作用毋庸置疑，它对于压缩机中运动零部件起到了润滑作用，旨在让运动更加平稳，大大消除摩擦力的影响，提高工作效率，降低能耗，同时也让运动部件的寿命得到了提升，所以润滑油规格以及数量的选择至关重要。不同的润滑油性能不同，这是为了满足不同机型、不同制冷剂的需求。作为本设计压缩机中润滑油，其性能必须满足以下要求：（1）润滑油粘度必须合适。粘度是润滑油的主要性能参数之一，它决定了油膜的承载能力以及密封能力。粘度不能过大，也不能过小。当润滑油的粘度很大时，其油膜承载能力变强，这时需要保持润滑的运动部件反而因为液体太多太粘稠导致流动阻力增大，反而对运动部件造成了非常大的摩擦损耗，并不利于提高效率；当粘度太小时，则无法形成有效的油膜进行润滑，同样会导致摩擦损耗增加，不利于零部件的运动，而且粘度过低不容易形成密封面，导致间隙的增大，造成无谓的损耗。两者都会导致摩擦增大，从而导致机械内部温度逐渐上升，而对于一个制冷系统来说，内部的温度过高容易影响整体系统的制冷效果及能力。类似于本设计中的斜盘式压缩机，其转速较高，排量较小，因此适合粘度较低的润滑油。（2）与制冷剂混合在一起时需要具有良好的化学稳定性。大部分润滑油会随着制冷剂一起进入蒸发器中，因此两者必须互溶且不能有化学反应发生。如果两者不能相容，则在冷凝器中润滑油就会分离出来，造成部件之间的润滑油堵塞，对于压缩机的运动十分不利。同样，若两者化学稳定性差，即发生了化学反应，轻则产生无谓的制冷剂损耗，重则损坏压缩机内部零件。（3）润滑油纯度要高，不含机械类杂质，不含水。含有杂质的润滑油极容易将杂质留在运动零部件之间，久而久之造成杂质堆积，从而影响零部件运动。润滑油吸水性要小，否则水分含量大的润滑油在膨胀阀处会因为低温而结成固态，起不到润滑的作用，还影响了制冷剂的流动。（4）绝缘性要好。一般润滑油都具有优良的绝缘性能，但是为了以防油中混入了水、灰尘等杂质，其绝缘性势必降低。4.4.2 选用R134a综合上述分析，我们决定采用R134a制冷剂，它是目前使用最广泛的中低温环保制冷剂，其综合性能出色，且可以适用于大多数制冷剂的使用领域。与之相对应的润滑油，我们则准备选取聚脂油POE（Poly Ester）。其排气压力适中，因此不会对压缩机的运动部件造成很大的磨损；含水量很低，与R134a可以互溶，并且不会产生化学反应；油价实惠，来源充足，间接降低维修成本。4.5 附件4.5.1 电磁离合器图5-1 电磁离合器的外观结构4.5.1.1 电磁离合器的工作原理当开启空调开关，电流经过离合器绕组，通过电生磁，磁场带动压缩机的转动盘与位于离合器中的皮带轮贴合在一起，因此压缩机主轴才可以进行旋转；关掉开关则电流消失，皮带轮与转动盘分离，压缩机便不再运行。4.5.1.2 电磁离合器的结构电磁离合器结构如图5-2所示，其组成为：前缸盖、皮带轮、滚珠轴承、离合器线圈、衔铁、前压板、弹簧、轴套等。图5-3 离合器零件分解图1-压板 2-带轮 3-滚珠轴承 4-电磁线圈 5-压缩机 6-弹簧片（3片） 7-衔铁图5-2 电磁离合器结构4.5.2 轴封及密封轴封材料需与制冷剂R134a具有良好的相容性，其目的是为了防止制冷剂泄露造成损耗。本设计中我们选择聚丁睛橡胶（HNBR）作为轴封材料以及O形密封圈材料，结构为唇片式轴封。如图5-3所示，改结构的轴封依靠唇口与轴的表面接触，以此密封润滑油以及制冷剂，液流方向会对唇口产生正向压力，始终保持唇口与轴表面接触，更大程度上保证了密封性。根据大量实验证明，此类密封结构可以做到零泄漏量。图5-4 双唇口径向轴封1-O形圈 2-外壳体 3-防尘唇 4-主密封唇5-推压板 6-主轴 7-压缩机体5. 双向活塞斜盘式压缩机三维建模我们利用Solidworks绘制了双向活塞斜盘式压缩机的三维建模，本章简要介绍相关主要零部件的建模过程以及最后配合体的生成。5.1 活塞图5-1 活塞活塞三维建模过程：设定前基准面，点击草图绘制。按照设定尺寸参数绘制活塞平面轮廓，选取短轴作为旋转轴，生成三维模型。拉伸凸台。拉伸切除。执行倒圆角。如图5-1所示。5.2 转轴斜盘总成 图5-2 转轴斜盘总成转轴斜盘总成的三维建模过程：点击草绘，拉伸圆，形成圆柱。新建基准面至适当位置，从而建立斜盘。最后，在最小直径圆柱面上绘制螺旋线，扫描，得出螺纹形状。如图5-2所示。5.3 气缸图5-3 气缸气缸的三维建模过程：首先确定前视图，草绘，拉伸得圆柱。拉伸切除得出气缸内孔。阵列法兰，切除小孔。如图5-3所示。5.4 电磁离合器5.4.1 电磁离合器端盖图5-4 离合器端盖电磁离合器端盖三维建模：定前视图，草图绘制。画圆，尺寸与端盖直径一致，拉伸。以上端面为基准面，拉伸切除，得到轴的配合孔。如图5-4所示。5.4.2 电磁离合器皮带轮图5-5 离合器皮带轮电磁离合器皮带轮三维建模过程：草图绘制。画平面圆形，拉伸，得到带螺纹部分的模型。草绘，拉伸，确定厚度。在最外