变排量汽车空调压缩机机械动力学仿真和工作过程模拟论文.pdf

姓名： 上海交通大学 硕士学位论文 变排量汽车空调压缩机机械动力学仿真和工作过程模拟 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及自动化 指导教师：? 交接囊汽车空调压缩规舰械动力学仿真和王作过程模拟 摘要 交排量汽车空调压缩祝的市场应用越来越广泛，但对它的研究却搁对 滞君，存在不少问题。如压缩机的设计参数很大疆度上依赖与物理实验； 设计中知谈的倍患纯帮重用讫程度低，难以对产晶的功能和性能骰出准 确的分析和评价。本文利用虚拟样机技术和C A D 和仿真等技术，对上海 易初通用机器公司的7 S 1 6 变排爨聪缩机的机械运动学和动力学特性进行 了待爽分析，以及瓣压缩祝的工俸过程进行了模投计纂。通过饶真，较 全面媲得到了联缩机的机械秘热力特性，对压缩帆的设计和改进提缴了 建议，减少了物理实验次数，在产黯设计早期阶段就解决了较多的问题。 本文包攥下述主熏的工作： ( 1 ) 分爨了汽车空调压缩橇当懿黪谚究热点，攒滋了本文鹣磷究方您。 阕述了纛l 茎l 榉橇按术熬定义、技术蠹涵和关键技本。着耋叙述了 虚拟样机技术在压缩机磷究中的应用。 2 ) 从理论上黠变嚣 量斜盘殛缡视戆运动学秘动力学特悭遴行了分 辑，绘蠢一垫耀盛戆诗箨公式，特别燕禚罨盘了压缀梳的辩懿颧 蹩隧互佟状况变化熬毒 线性微分方程。 ( 3 ) 详绥撬遮了7 S 1 6 爰绩瓿豹仿粪廛拟样概建立过程。仿真分析了压 缩辊主要运动构件的运动特性，为稳俘豹结构设计撼供了帮勘； 详缁仿粪分树了不阎王作状况下鼷缩桃的动力学特饿，得蹬了许 多栽律饿的结论；针对压缩视的振动闷题，着蓬仿真计算了驻缩 杌不同转速及斜盘倾角下的动不平衡豢，获得了一系列重簧舰律。 ( 4 ) 利爝瑟缩祝的运动和力学傍真终采，对篮缩枫斜盘帮滑碰的磨损 进行了预测分析，并编写了相应功麓的工爨软佟。 ( 5 )以制冷工质为研究对象，对压缩机的工作过程进行了模拟。建立 了攒述工作过程的数学模型，利用M 矗飘A B s i m u l i n k 仿寞工具计 算了制冷气体在气缸内压力、温度、比容和质量鲶瞬态变化规律 和压缩机的擒示功率这宏观特性。并慰仿真模拟继果数据进行 了验证，证明数学模型是正确的。 本文黔磅究褥到了上海易铹通照橇器公嚣R D 部f l 的大力支持。 关键调：纛拟榉枧，变摊壁，压绩枧仿真，运动学，动力学，压缩枧工 作过程 l l S i m u l a t i o no fm e c h a n i c a ld y n a m i c sa n d w o r k i n g P r o c e s so fv a r i a b l ed i s p l a c e m e n tc o m p r e s s o rf o r A u t o m o b i l ea i r - c o n d i t i o n A 辩S T R A C T T h ea u t o m o b i l ea i r - c o n d i t i o nc o m p r e s s o ri sw i d e l yu s e d , b u ti ti s l e s sr e s e a r c h e d T h ed e v e l o p m e n t p r o c e s si sr a t h e rc o m p l i c a t e da n dh a s l o t so f 爨e p s ；D e s i g np a r a m e t e r so f c o m p r e s s o rd e p e n do ne x p e r i m e n t s i nl a r g em e a s u r e ；D e s i g no f k n o w l e d g ei sl e s sr e u s e di nd e s i g np r o c e s s a n dt h e d e s i g n a k e r n a t i v e sc a l l tb e e n a c c u r a t e l y e v a l u a t et o p e r f o r m a n c e sa n df u n c t i o n so fp r o d u c t 。I nt h i sd i s s e r t a t i o n , k i n e m a t i c s a n dd y n a m i c sp e r f o r m a n c e so fc o m p r e s s o ra n dw o r k i n gp r o c e s sa r e s i m u l a t e db ym e a n so fv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g ya n ds i m u l a t i o n t e c h n o l o g y B y t h e a i do fs i m u l a t i o n r e s u l t s ，s o m e m o d i f i e d s u g g e s t i o n sa r ep r o p o s e da n dm o s to fq u e s t i o n sa r es o l v e d 趣e a r l i e r p e r i o do fp r o d u 锻d e s i g n 。T h ef o l l o w i n ga r et h em a i nw o r k si nt h e d i s s e r t a t i o n ： ( 1 ) C u r r e n tr e s e a r c h e sf o c u s e so n c o m p r e s s o r a r ei n t r o d u c e d 。 1 1 1 d e f i n i t i o no fv i r t u a l p r o t o t y p e a n dc o n n o t a t i o n sa n di t s k e y t e c h n o l o g i e sa r ea l s og i v e n 。A p p l i c a t i o no ft e c h n o l o g i e so fv i r t u a l p r o t o t y p e t od e s i g no f c o m p r e s s o ri se m p h a t i c a l l yp r e s e n t e d 。 ( 2 ) P e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fv a r i a b l ed i s p l a c e m e n tc o m p r e s s o r i nm e c h a n i c a lk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa r ea n a l y z e di nt h e o r i e s S o m ef o r m u l a sf o rk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa r eg i v e n e s p e c i a l l y n o n l i n e a rd i f f e r e n t i a le q u a t i o no f l a wo f s l a n ta n g l eo f s w a s h p l a t e 。 ( 3 )M o d e l i n gp r o c e s so fv i r t u a lp r o t o t y p eo f7 S 1 6c o m p r e s s o ri s d e s c r i b e di nd e t a i l K i n e m a t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fm a i nc o m p o n e n t so f c o m p r e s s o ra r es i m u l a t e dm a ds o m es u g g e s t i o n so fi m p r o v e m e n to n s t r u c t u r e + D y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p r e s s o ri nav a r i e t yo f w o r k i n gc o n d i t i o n s a r ea l s o a n a l y z e di n d e t a i la n d A i m i n ga t v i b r a t i o no fc o m p r e s s o r , d y n a m i ci m b a l a n c eo fc o m p r e s s o ri n d i f f e r e n ts l a n ta n g l e so fs w a s hp l a t ea n dd i f f e r e n tr o t a t i o nv e l o c i t i e s a r es i m u l a t e dm a dc a l c u l a t e da n ds o m es i g n i f i c a n tl a w sa r eo b t a i n e d ， ( 4 ) A b r a s i o no fs w a s hp l a t ea n ds h o e so fc o m p r e s s o ri sq u a l i t a t i v e l y a n a l y z e du s i n g s i m u l a t i o n d a t a , a n d i t sr e l e v a n ts o f t w a r ei s p r o g r a m m e d ( 9F o c u s i n go nr e f r i g e r a t i o ng a si nc y l i n d e r , w o r k i n gp r o c e s so f c o m p r e s s o r i ss i m u l a t e da n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fd e s c r i b i n g w o r k i n gp r o c e s si sb u i l t R e f r i g e r a t i o np o w e ra n dd y n a m i cc h a n g e l a w so ft h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r so fg a si n c l u d i n gt e m p e r a t u r e ， I V p r e s s u r e ，s p e c i f i cv o l u m ea n dm a s s ，a r es i m u l a t e db ym e a n so f S I M U L I N Km o d u l eo fM 群n A B S i m u l a t i o nr e s u l td a t aa r ev e r i f i e d a n dm a t h e m a t i c a lm o d e l p r o v et ob ec o r r e c t 。 T h i sd i s s e r t a t i o nh a sb e e n s u p p o r t e db yS h a n g h a iE KC h o r G e n e r a lM a c h i n e r yC o ，L t d K E YW O R D S ：V i r t u a lp r o t o t y p e ，C o m p r e s s o rs i m u l a t i o n , K i n e m a t i c s ， D y n a m i c s ，W o r k i n gp r o c e s s ，V a r i a b l ed i s p l a c e m e n t V 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文锋者完垒了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留辩简闰家褥美部门或机构送交论文的复印评和电予版， 允诲论文被套阅釉借阕。本入授权上海交通大学可以将本学位论文的 全郝箴部分内容编入有荚数攒库进行检索，可以采用影印、缩印或搦 攒等复制莩羧保存器汇缡本掌位论文。 保密d 衣王掣鳃密蒙邋臻本授权豢。 零学位论文满于 不保密圈。 ( 请在以上方框肉打“0 ”) 学位黻储豁乱钞 援警教瓣躲霜群 日期：碑；月1 匿 隧期：矿年，胃阳 上海交通大学 学位论文原剖性声明 本人郑燕声鞠：所鐾交的攀位论文，是本入在爵拜躺指导下， 独纛进行研究工俸所取褥的成果。除文中已经注明号l 用的随容辨，零 论文不包含镊何其他个人或集体已经发表或撰弼过的作品成鬃。对本 文的研究擞擞重要贡献的个人觏嶷体，均基在文孛| | 麸舞确方式搽鹗。 本入完全意识爨本声鹗麓法律缮桑由零入承趟。 学位论文俸者签名；缸冱 器黧：支谢筝；霆 上海交通太学顼士学位论文 第嚣绪论 第一章绪论 薹1 汽率空满藤缭爨撬逮 近年来隧赣汽车空调器韵迅遵酱及和发展，汽车空调压缩机的研究褥猁了很大的 发展。迄今为蛾，世界上己经出现了许多不同戴格韵浅攀空调压缩机。汽翠意调不同 于一般的建筑用舒适性空调，汽举空调是在动态环境中篡作的，受汽率的歼停，增减 速度，道路平趣与嚣等影睫，备耪受蒋熬波动帮缀大。 嚣冷嚣缭枫是汽车空调器的关键设备。由予要求象鹃俸积菇、重萋轻、离效慧能、 苟靠瞧翻殛甏疑好，掰懿在这方稀煞疆究力垂缀夫。至今汽车空灞压缩巍纛缀发震嚣 了第三代产品。 6 0 年代以翁的第一代产品魁曲桷滚籽式往复活塞燕缩机。但该种毯嫡机肖外形尺 寸不紧凑，耋爨嚣馁瞧力丈，爱缀瓣波动大，容积效率撬等缺点，褒巍滁了瘸子大型 客车熬猿立式空壤嚣等少数场会努，露逐滚镀冀宅类激艇续撬取戎。 7 0 年代的麓二我产品是活塞斜纛蕊压缩梳，是由荑豳和日本先螽磺露8 成功，它具 有体积小、重爨轻、性能可靠等特煮。斜盘式篷缩机的发展方向是多缸他，气缸体铝 制化，取消浠爨环，改进润滑方式，避一步减轻重量辍减小外形尺寸。强8 0 年代后 期出现了可交撑蹙籀盘式压缩桃，这座是本文簧讨论的娠缩机。 鞠年鼗磺镧窭了第三伐产熬溺转残裁冷压臻爨。窕惫揍螺祥式、裁嚣戏、转予、 涡夔式等。热积毙第二代瓣蠢戴体积嚣小，结构麓攀繁潦，精发商，载爨少，运转稳 定，离散节能，安全可靠。 目前，上述三代产品在世界上都肖生产。活塞连杆溅压缩机也仍有定的市场， 特别是爝于大裂客车静独立式窝调魏臻冷压缩枫。第三代隧转式压缩桃辫然徽好，但 嚣其糟度嵩，赡予翻逢，获戳产爨爨不大，不怒蛮场豹奎滚声晶。瓣舞袋愿缨瓤是瑗 在汽攀奎谖麓烹葵撬壁，嚣箕疑我鬻，该登毯缭辍经过誉颧熬技寒改逡，纛怒交蒜量 斜盘式方向发鼹。 变排量活爨式压缩机出现黼，阐定排量汽苹空调驻辅枧一墼结构定下泉，箕每循 环的工作容量溅圈定了，郎它的工佟封 爨总是不变的，压缩机的工作靠离含嚣的吸合 或残开来控铡，戳姥去控寿l 割冷爨鞫调节车厢内豹漫发。这张工雩# 方式势必在制冷系 统弓 超额繁熬滋发渡秘，绘汽攀发渤税熬乎戆遥霉亍、躁密秘霉耨漫度、瀵覆繁寒于挠， 产生不藏熬影嗡。变黪鲎压缭概浆窭撬缀好懿鼷决了这些滔瑟。 所谓交排徽鹾缡杌是指，滕缩机的工作容嚣可以依据制冷环境的需骚，崮劝地进 上海交通夫学硕士学位论文第一鬻绪论 行变化，以络搦规定壤大容璧为上鼹，母默光级变动寮积为最小戆撩爨。交撵爨压缀 机的离合器始终处于暇合工 聱，但压缩机可娃依据车黼的温度需要，通过压缩机内的 控割阍调节籀螽( 或援盘) 的鬻部气体压力，自动地敬交接气爨，无嚣遵过菇会器的 蔽合绒脱开，变纯压缩枫豹蒂冷羹，W 饺压翁祝始终保持在乎稳连续的运行状态，不 会由于吸合孝口脱开恧产生颤动，使乘客有不静鼹的感觉。 瓣蓠，霹燹藉耋汽车空灞疆缩枫志要有秘大类，类建以荚国邂角汽擎公萄韵 I - L A R R I S I O N 分部为代表的V 一5 型变瓣量压缀机；一炎是日本S A N D E N 公司爱产的 V 一7 篷歪缡撬。翦者梵5 懿，爱者麓7 赶，键结筠琢理基本籀阕，帮在蒙煮豹摇摆 斜盘式压缩机的基础上发展起来豹，掰者只是在具体的结构鞠设计上肖所不同。现在 这舞类嚣缍摭舔疯更多翁气爨数方两袭建。零交孛戆土海荔秘遴鼹公镯静7 S 1 6 交撵 量斜擞式汽车定调压缩机就燕引进日本S A N D E N 公蠲的7 缸产晶。 l 。2 汽车空溺压缩撬的研究熟点 熬一：压缭机的绻掏最优化设计。主要是指空调题维极熊缭构最仪纯设诗。剃愿 C A D 建模技术、虚攒释税技拳、仿真技术和趱羧现实( V R ) 技术，谯设计阶段基予 压缩机的虚拟榉枫，农不弱的工况下，仿真压缫枫的机构运动学，动力学和热力学特 洼。分褥傍冀缕采数瓣，对嚣缀祝豹缭梅进稃潋进傥能，穆改不商静结构参数焉再待 真，霹方便地比较参数修改前艨压缩机各方霹性能的变化。邋进以上技术途衽，不仅 霹爨安凌垂上露- F 懿簇络辊产赫谈诗颥痒，瑟鬣还爵宾凌塞下丽上静遂离竣毒于避程， 极大谶代替了蒸于物壤样机的嶷验，节省了试验成本，缩短了设计厨期。 蔡二；露粪模蘩篷戆撬弱终过骥。溉霹缮莲缭稳整要热凳学参数( P 、T 、r f l 、如 随时阐变化的瞬态特槛，又可褥压缩帆的宏观特性，诸如功率朔容积流量。这方面的 磅突变要裂廷诗雾瓿谚褰技零，藏嚣鬟要攘当藐实熬热动力学，数学秘诗算撬缡程鹣 知识。弱前，诲多研究愿缩机制冷热动力学特憔的模型仍用传统的“静态、集中参数” 方法，萋零上没窍定爨缝考察努掇压缀掇孛各热力参数润约宠爨鼹合影响。鬣怒实际 的空调系统中，却是“动态、分布参数”，参数间是定爨地耦会影响着的。故强建立 压缩貔王作邈程数学摸型鞋，藏兖分考虑汽擎黪特殊垮蟪，考虑汽车遴行霹的辩热铡 约条彳警不定常的速度变纯，以及搬汽车空调压缩机运行转遵范围广、气腔内压力 脉动交铯大，气体与气赧壁的热交换、漕循环爨对压缩桃的影响等考虑在内。露剩愿 数值分褥法( 铡翔龙格一痒塔法、尤挝法) 进行离散他处理，邋过计算机软件的仿真 计算褥如结果，势与囊验结栗避行比较分辑。 箕三：压缩梳的蘑骥磺究。由于汽落空调撩缩捷静工作环境复杂，特掰是荤午多零 部件均处在高温、高脬下。在气缸壁和活塞环之间、传动睾且构( 例如斜盘) 帮滑履之 2 上海交通大学硕士学能论文第一牵绪论 阃、辍承套辆主输之阐都会鞠为各静原鞠产龟鼷损，导数振动加剧，寿命缩短。最常 见的磨损是压缩机的斜擞和滑履间以及活塞和气缸间的磨损。当前的研究一疑对磨损 鞠形戒税理逐彳予深入的研究，箕中涉及刘对材料往质和纯学研究。另外对于鼷缁视的 具体机构的磨损特点还建立数学模型，W 以定性嗣定量的对蹭攒进行分析。融子磨损 懿形成本身楚一个十分复杂翡过程，影髓静麓素多，敌这方嚣静研究仍不够宪饕。 其麓：蘑缩辊敌簿诊断分祈。具体为对蕊缩车凡进行突时的盆控，采集各种振动信 号，苁蠢进行敢障分孝厅耪诊断。盎予惩缭疑故瓣嚣产生的大鐾挣毒、摩擦，受蘅的交 纯，往擞裁激翩较多，努致嚣平稳翁振动蓿鸯产生。既矫困疆缩辊编构豹复杂憔，导 致振动傣号绣毯含不同零鄞佟弱赦跨特缝频攀分毒农不阉懿频率范壤舞。魏? 撬离揍 曝魄鞠援取铵号熬有效特摄像惑，豢聚耀滤渡按零、辩域平均、港分耩法等。倦是， 对压缩枫的实测振动信号，爨为无法准确确定信号黪滤波频率，信号频谱分窍较塞， 傻上述镶号处理技本憋使用不荔获缛满爨敷效暮。为她一些大袋爆先进瓣女波分掇法 来对非乎稳俗号进行局部分析，该法可对指定的频带宽和时域内的信号成分避行分 零慝，舆考比频谱分据楚强的特援提取功熊。露结会频避分辑，以怼零部 譬麴教障骰 出准确的诊断。 其纛：汽车空调控制系统的研究。巍于汽车空谓( 彀括鼷绩机) 系统煦复袭性、 非线性、丈滞后、无精确数学模型，采用传统的控制已经不能满足要求。而基于模糊 理论的控制技术，具肖不需要知道控制嗣标和对象的精确数学模型的特点。特别适用 于大滞詹和非线性控制系统。未来将采用智能化的模糊控制技术，以实现对空调系统 执行机构( 主要是压缩税) 躺控稍。 本文的研究点主瑟涉及班上的第一和第二两个方面，同时也涉及剐剿用朦缩机的 灞态仿粪结栗来定往蟪分橱帮颥溺压缩梳斜豢和淆袋闽靛蘑损状况。 1 3 康拟样机技术综述及其在压缩机研究中的应用 1 3 1 虚拟样机技术内涵 近零来，制造业间的竞争嚣趋激熬，巍争的核心是以知识为綦础蛇掰产品的竞争。 企业应猩最短的时间内，研究开发出商质量、低成本的产品。传统的物理原型方法己 不能满怒现代工程产品开发需婺。2 0 落纪8 0 年代发馒起来豹虚羧样机技术( V P ： V i r t u a lP r o t o t y p i n g ) 律为2 l 世纪先进制造和设计关键使能技术正成为各豳研究的新热 点。 褥前对予虚拟祥视的概念还没有种通溺精确的定义，针对不同的研究领域，有 不同艇定义方法。 上海交通大学硕士学位论文第一掌绪论 从计算机图形学的角度出发，F a nD a i 等人将虚拟样机定义为一种快速评价不同 的物理产品设计的方法。通过将虚拟现实技术( v R ) 、计算机仿真技术和C A D 技术 相结合，建立起一个物理造型的数字原型。产品设计人员可以通过具有高度沉浸感的 虚拟现实用户接口灵活的操纵、控制和修改该原型，并支持设计数据的重用和仿真分 析【”。 从机械工程研究领域的角度出发，E dR A n d e r t 等人认为虚拟样机是一种针对测试 的对象和物理原型进行的一个虚拟制造和仿真过程，基于虚拟样机技术建立的工程化 制造开发模型可以使设计人员访问一个实际物理模型的所有关于机械，物理，外观和 功能特性的有关信息。M i t c h e l lMT s e n g 等人将虚拟样机定义为取代实际产品模型的 一种数学模型，通过它可以对实际的物理产品进行几何、功能等方面的建模和分析。 B l o o r 等人则认为虚拟样机是将目前C A D 、C A E 等C a x 技术结合在一起的一种集成 技术，虚拟样机技术贯穿于产品生命周期的全过程。他认为虚拟样机模型包含了分布 式的产品数据信息，由于虚拟样机模型强调集成性，因此必须提供一个标准的信息建 模和数据交换方法p t l 。 建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公 室( D M S O ) 的定义。D M s O 将虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的 系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替 物理样机，对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。美国国防 部采办委员会将虚拟样机定义为一个系统，该系统在仿真进行过程中可以和其它虚拟 环境间进行交互例。 从汽车空调压缩机的全寿命周期建模和仿真的需求出发，本文对虚拟样机的定义 如下： 虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法，它是一种基于产品的计算机仿真模型 的数字化设计方法。它将不同领域的开发模型结合在一起，从外观、功能和行为上模 拟真实产品，支持并行工程方法学。虚拟样机技术涉及多体系统动力学与动力学建模 理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、仿真技术、信息管理技术、交互式用户 界面技术的综合应用技术。 虚拟样机的本质是与实际产品具有外观、功能和行为相似性的数字化原型在虚拟 环境中的映射，其特征在于它是面向开发过程的不同阶段，面向开发过程中的不同用 户和面向开发过程的不同领域。它的趋势是将计算机的辅助活动提升为人机一体积极 参与的主动活动。 利用虚拟样机可替代物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，缩短开发周期， 降低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。 4 上海交运大学硕士学垃论文 第一露绪论 1 3 。2 莲熬样棍趣体系结构 虚拟样极舞发过程实质上是一静基于模型静不断提炼与完善的过程。一个复杂的 系统 铡翔窆调压缩撬) 通常盘规壤、控割、电子或软掌 及控露l 等予系统组藏。 体系结构由系统级、规械分系统、控捌分系统、电予分系统和软件分系统、v P 荨| 擎、V R 窝产品模垄淳等组成。兹五个系统痊产品静设诗开发帮产菇豹努蕊、行为 和功能建模仿真两部分组成。其中，系统级负责产品在系统层次土的设计开发与样机 豹终褒、功戆、蠢戈豹建摸，翔压缭穰静运动学、动力学建模谤真等。V P 孳| 擎委| l 对 虚拟样辊进行模拟仿真，并将生成的仿真数据送入可视亿环境，经过V R 的渲染后从 癸鼹、臻爱帮行为上震示撵规。 图卜1康拟祥杌的体系结构 F i g u r e l 一1S y s t e ma r c h i t e e t u r eo fv i r t u a lp r o t o t y p e 1 3 3 虚荔l 样机懿关键技术和技术基础 攫数撵枫豹开发秘实施涉及许多关键技零鹈耀关的领域，主要包捂： 系统总体技术 建摸谤真技术 盛攘现实( V R ) 技术 上海交通大学硕士学位论文第一颦绪论 产鑫建模技零 模型w A ( 校验、验证和确认) 技术 支撑平台框絮技零对 廉拟样机技术的核心是工程设计技术、建模Z 舆技术和虚拟现燕v r 技术。 纛姒撑枧灼技术基礁，主要包括纛个方霹：鄹几艇建模、多物理场仿真、系统动 力学仿真、控制系统仿真和样机测试。 农几何建模中，模型主要怒二维图形、兰维线框和三维实体造型。几何建模技术 还包括模型转化技术，是指不间格式的几何模挺间的觅损变换；几何模型的渲染技术， 主要商表面纹理修饰和光照技术：几何模型的操纵技术，涉及模型的救体显示、消隐、 透瞬等。多物疆场仿囊主要是对虚拟样机迸幸亍多种耪瑗场的有鞭元分析，包括漱度场、 流场、电磁场、多场耦合、结构应力分析等。系统动力学仿真主要是对多学科( 诸如 梳攘、熬能) 劲力学伤真。控稍系统傍真主要楚对复杂物理系统进行数学建模和仿冀 模拟。至于高质量的产品开发仍然不能完全离开物理样机的实验，虚拟样机减少了实 验豹藏本帮次数，毽仍嚣要瀚疆实验翡验证。 1 3 4 虚拟样机技术在压缩机分析中的应用 零文谈为惩缡提戆虚苏撵疆痤该鬣菇多个方瑟，谗螽筑被系统绩粪、熬动力学傍 真、虚拟压缩机装配仿真和压缩机控制阀控制仿真等，如图i - 2 所示。 压缩规虚扭 辑机技术 一曩鞣 磨损和i 臀l 产品外 观及几 何参数 模型 瓣勘工 程分析 羽瓣哩 j 宏现特挂 的控制 气体瞬惑 特_ l 生 P T ，v ，# 窭I - 2菇缩氟虚耘祥辎吏拳的纽成锯系 6 机构运l 动学| 翮 力带I 结构有限 元分辑 上海交通大学鹾士攀蕴论文 第一牵绻论 F i g u r e1 - 2 s t r u c t u r eo fV i f l n a lp r o t o t y p eo fc o m p r c s $ o f 零文秘弼虚羧样枧按零对鹾缭辊进雩亍仿真分亭厅过程中，童蘩涉及翻1 - 2 中豹飙撼 系统镑寞( 不篷括鸯激茏嵇囊) 、热露力学费囊( 工终逶疆攘熬) 鞫莲缭辊溪损初步蘸溺 分橱。蒸它部分没有涉及，将是来来对匿缩襁邂一步鞭究钓差餮内容。 辊藏系统动态蕊囊技零怒滚诗冀魏技术静发震嚣迅速发震起寒麓一璜诗冀魏辘 勘王程( e 缝) 技术。在计算机上建立压缩枫豹凡谤摸爱，赋予质量参数、运动攀参数 静动力学参数，黠纛熬群掇横鎏送行套释动态豹毪麓镑粪分辑，然嚣致逶群撬黪浚诗 方寨，餍数字化形式代替抟缓的压缩规实物实验。 在这罄分傣龚串，纛羧弹辍技零筑疆究瓣蘩是瓿辕系统，爨镱甄搿馘筏必国多令 穗互逶接、铰j 毙能够糖蹲运动魏构释盼缝合。具体来说，本文匿缩枫静辊械动恣仿冀 包藜3 耱不鼹瞧覆瀚爨囊分辑： ( i ) 枫藏系统韵运动学傍真主要涉及嚣缀梳孛一个或多个构传的位置或襁霜霞 霍与慰耀熬关系，鞠黪熬位移、速震秘女g 速凄与薅瓣豹芙系，透过袋解转线蠖瓣方纛 组采蜜现。 ( 2 ) 魏城祭统熬劫力学彷冀主委涉及摄缡极在癸力 巷l 冷气体热力) 髂震摹亨| 怒 豹系统运动分褥。分褥在不礴静蓬缭辍工况( 遴赘 气嚣力、斜熬趁蠹愿力帮遵气溢度 下嚣麴搏豹终耀力和反终用力。力关系是迢避连接系统橡磐熬运动裂穗掇的。 ( 3 视壤系统豹动态乎褥傣囊塞要是分撰在没鸯多 力稼穗下，嚣缭辊运淤起寒， 在不疑妁主轴转速狃斜鑫倾角下，整个系统驹动不擎褥羹。 1 i t1 - 3压缩瓤瓴壤系统动态仿奠过程 7 上海交通大攀颈士学位论文攥一章缝论 F i g u r eI - 3c o m p r e s s o rm e c h a n i c a ls y s t e md y n a m i es i m u l 8 t i O 如b l o c kd i a g r a m 阐际上已经有些基予虚獭样机技术的商业软件，其中最优秀的是荚国 M D I ( M e c h a n i c a lD y n a m i c si n c 开发静A D A M S ( A u t o m a t i cD y n a m i cA n a l y s i so f M e c h a n i c a lS y s t e m ) 软件。舀前，A D A M S 穗经被世界备行妲许多燕耍制造商采用，占 攒了祝城系缀动态谤囊软5 l 豹零场份禳。A 鸯A 潲一方箍楚纛藩样税分耩静瘦翔较 佟，愆户露戳缀方便辘辩露寝熬稀祝德行静力学、运渤学和渤力学分斩。勇一方瑟， 又是纛掇榉极鼹分辗拜发曩曩，箕嚣效经熬程缪缝褐黢多转接譬，蜀戳戒舞特殊纷篷 髑户避镣特豫虚攘榉辊分辑熬= 次秀发羔矮警台。 A D A M S 使髑交要式躅形环境秘郝l 牛瘁、约寨露窝力露，用攫敬本式鹣穷法建悫三 绥枧摄蓉绫参数健摸嚣黪逶邋j c 重葵运韵馊毙懿揍嶷势褥寒碜 究纛熬释撬赫霹供选择 黝设计方察。它将多体动力学的建模方法岛大健移、S 线性分毫睡浓鳃功能结合，势提 供与獒它C A E 敬传，露浆嚣分享蓐骏律的集成模块扩震没诗手段。 本文中压缩帆的基予康拟样机的机械系统动态仿舆也是农A D A M S 牧俅上完成的。 愿缝祝的互作过稷模缀主鼹涉及以压缩枕鹣逡个实炼锤聩：避簇为掰究对象，练含 考虑影响因素，建立物理数学模型，程计算机上求解。它不仅能得出聪缩机的宏观特 饿( 功率鞭容积瀛蓬) ，也能褥蹬壤缩枫热力参数 压力、瀑度、眈容) 麴麟态特经。 对压缩机宏观特性和微观特性的研究经历了几个过程。最早臌缩机研究重复建立 在试验鏊雅上瀚。诧赣出现了以热力擎为基础豹联缩枫骧瑗，通道这个毽论霹戳颈悫 得到机器豹宏观特性一排气藻和功率，j 琏：时的联缩机研究特点遐积累压缩机宏观特 缝灏试验数蕹及番种嗣索对它们豹影响，孺篱荦豹熬力关系热激解释，极大地简豫了 z 作道程，值仍然不熊分桁压缩枫微躐燕力参数韵瞬盼特性。计弊机技术的发餍为压 缭撬豹磷究提供了强鸯力憝王爨，不仅蛩以研究溪缭瓿静东蕊特淫，遥胃激揭示擎猿 j 窭程稳琥象的物溪本麓( 翻翔遴撵气过程豹动力特毪、气体褒气缸中的热交换特经 等) 。遴避访雾凝镑囊援熬霹懿囊爨定遴翟模型黔磷究变戈动力学瓣象瓣磁究。 羔终j 窭程蠡孽摸撅主要溪裂连续系统避疆建模嵇囊技术。连续系统逡耩建嵇嶷耄要 涉及魁个避程，期根攥冀实物理系绫建竞传冀数学摸摄；姆邋续浆数学模型惑数化， 泓便予在诗算撬上零嬲；绫程序或剩熙数学诗簿z 具黎髂数学模登：分车嚣谬论貉冀结 暴，验诞模型的准确蚀。 1 4 课题戆寒滚秘研究意义 零课题静置于挈，来滚予上海汽车工泣集溺荔裙通爝税器公萄豹含髂磺嚣“燮摊霆 汽车空灞簇缩祝瞧麓铸真分李厅”，该论文Z 俸落为国家自然科学瑟金鬟点颂茵“虚拟 截造数理论与技术蓥秣”巾关予纛援产品辩发熬技寒爨袋了盛耀实铡。 嚣 上海交通大学碗士学位论文第一章绪论 一方面，由于人们对汽车乘坐舒适性的要求越来越高，变排量空调压缩枫逐渐取 代固定排量空调压缩机成为汽车空调的主流。变排量压缩机能够自动、平稳、连续地 改变行程容积，以满足空调负荷变化的要求。与固定排量的压缩机相比，变排量汽车 空调压缩机具有驱动能力强、能源消耗小、可靠性和耐久性较好的特点，尤其是具有 随车厢内的热负荷而改变制冷量以达到更舒适的车内环境温度的优点，这些使加大变 排量空调压缩机产品的研究力度成为厂方的迫切任务。 另一方面，生产厂家在变排量压缩机的产品开发中仍存在着许多问题，这些问题 不仅在压缩机生产，在其它制造业中也具有普遍性。产品开发过程复杂，环节多且相 互独立：产品设计方案和设计参数很大程度上依赖与物理实地实验，成本高周期长； 设计中缺乏知识的条理性和信息的形式化，难以对产品的功能和性能做出准确的分析 和评价：开发中各功能组织缺乏应有的交流和协调；产品全生命开发周期过程中。计 算机利用的程度不高，更多的是利用计算机进行C A D 设计，而产品其它方面尤其是性 能仿真和知识的信息化和重用化方面程度不高。本课题以与上海易初通用机器公司的 合作项目为基础，以变排量斜盘式汽车空调压缩机为研究对象对解决上述问题进行了 一定的探索。通过虚拟样机技术对压缩机的机械系统特性和工作过程进行仿真分析和 模拟，利用仿真的结果，反过来优化和改进压缩机在产品设计早期阶段就解决大部 分的设计和分析问题，减少物理实验次数，为空调压缩机的虚拟产品开发打下了坚实 的基础。 1 5 本文的章节安排和主要内容 针对变排量斜盘式汽车空调压缩机的机械系统动态性能仿真和压缩机工作过程 模拟仿真，以及相关的技术分析评述，本文的章节安排如下： 第一章阐述了汽车空调压缩机的发展历程、当前的研究热点和方向。重点分析 了虚拟样机技术的内涵和相关支持技术以及虚拟样机技术和仿真技术在变排量压缩 机研究中的应用。并评述了本论文的来源和意义。 第二章首先介绍了7 S 1 6 变排量压缩机的结构，功能和工作原理。从理论上分析 计算了7 S 1 6 压缩机主要运动职能构件的位移、速度、加速度等运动学关系，以及它 们的作用力和反作用力等动力学变化规律，特别是详细分析了变排量压缩机气缸四个 气体循环过程的规律，为后面运动学仿真打下基础。 第三章详细分析了在A D A h | S 仿真软件中，7 S 1 6 斜盘压缩机的虚拟样机模型的建 立过程。对压缩机的运动学、动力学、动平衡进行了仿真分析。 第四章利用运动学和动力学仿真分析结果，对压缩机最主要和最常见的斜盘和 滑履间的磨损进行了初步预测分析，同时介绍了滑动磨损机理和用到的计算评价准 上海交道大学硕士学位论文第一常 绪论 则，逐编写了攘关懿软传秀嚣。 第五章建立了7 S 1 6 压缩机的工作过程模拟数学方程组模型，再利用M A T L A B 数 学谤冀软件孛瓣S i m u l i n k 仿囊模块求鳐数学模型，缮爨几今铡冷工凌下豹艨缀枧主 要热力参数的瞬态特设，并对仿真结果进行了分析评价。 第六章对全文进行了简要驰总结，并提浅了进一步螅研究方向和嚏容。 1 6 小结 零搴溪述了汽车奎调压缩橇豹发羧历程、溺蔻懿戮究熬煮釉方淘。重点分辑了应 拟样机技术的内涵和相关支持技术，虚拟样机技术和仿真技术在变排量压缩机研究中 戆应趱。著撂斑了本谂交懿来深窝意义。 作为本课题的技术基础虚拟样机投术，是一种基予产品的计算机仿真模型的数值 德设计方法。它从钤鼹、玫能耧露舞上模数真实产品，为产品戆全生余震蘩设诗寒浮 价提供分布式集成化环境。 本论文中慰压缩枫的研究主要分魂今部分，一部分是基于A D A M S 搬械系绕傍奏软 件的压缩机机械系统动力学仿真分析；另一部分以压缩机的四个热力循环过程为研究 对象，模拟压缩枫的工作过程，键出滕绩机的宏观和微观特恢。 O 上海交道大学硕士学位论文第二章糍排量斜盘式汽车空调压缩机瑙论分析 第二章交排量斜盘式汽车空调压缩税理论分析 2 17 S 1 6 交捧量斜盘式压缩机概述 7 S 1 6 变排量斜盘式汽车空调压缩机是上海汽车工业集团易初通用机器公司引进 日本三电( S A N D E N ) 公司鲍七敷变摊量艇鑫压缨枧。 滑履 主轴 骂嚣动盘 活擞 驱动臂 斜盘 竭2 - 17 S 1 6 蕊缩执缮秘疆 F i g u r e2 - I 7 S 1 6c o m p r e s s o rs t f u c t u r e 7 S 1 6 篷终税圭要囊圭辘、驱动盘、涛动镪、驱动籍、籍蠢、潺覆、活塞帮气盔等 构件组成。插入斜盘的驱动臂可以在固定于主轴上的驱动盘滑稽内滑动，主轴和斜盘 瞧不怒固定憨在嚣考瓣装毒瀵璐辘套。当基络提豹啜接气嚣力交凭菇，压缭车足主独 立的掇制阀调节斜盘胺内的压力，从而改变斜盘的背部压力，使斜盘原来的力平衡被 打破，豁盘逶过改变 鬟热焉达到耘鲍影鬻位矍，遴瑟傻活塞黪嚣程交纯，蓬缤凝戆掺 气量也随着改变。在这一系列变化过程中，驱幼臂在鞭动盘的滑槽内滑动，带幼斜盘 的倾建变化，阉时斜焱通过滑动轴套褒主轴上辘自移动。驱动罄在潺攒中处予不同熙 位置，即表示斜盘可处于相应的不同倾角，因此活塞就会处予定的行程位置，压缩 机就会获得不同的排壁。驱动擞上的漕槽形状茅拜位置经过预先鲍设计，可使驱动譬在 其中运动范围获得相成的最小年玎最大摊量要求，并能值定傈持活塞在上死点时的最小 余隙容积。整个这套机构间的活动联接，保证了活塞的军亍程与斜盘的角度存在定的 数学关系。 2 2 压缩机的运动学理论分析 2 。2 。l7 S 1 6 雾 擞式压缩壤戆几何关系 上海交通大学硕士学位论文 第二章 变排量斜擞式汽车空调压缩机理论分析 褒7 S 1 6 簇袁式莲臻提孛，圭辘终旋转运凌薅，备气疑熬辘线逶豢鼓圭聋囊凳孛心， 一定半径的圆柱形的条母线，将正戳此圆柱所得到的圆称为气缸分布圆。当斜盘处 于菜一平餐镁角时，耀当于鬟一平嚣籍截一黢柱，爨姥瓣盘必然或撼飘形。 当圆柱转幼时，随着斜盘沿主轴方向的周期性摆动，使得活塞产生沿主轴平行方 向的缝复运动，压缩枧便可宪戏整个忑作循环。 为了便于分析，我们将原本气缸静止不动而主轴带动斜擞的运动等价为主轴与斜 盘不动恧气越绕主轴旋转的运动。这梯便可得到如匿2 - 2 所零的几俺关系。圈中叻 为斜盘，设斜盘平面相对于机体横截丽的倾角为盘，气缸分布圆的半径为置。取坐标 系0 黔譬和级，其中坐标系o = , v z 黪0 弦平蕊为斜擞在主轴方向鲍投影平嚣，覆坐 标系O x 3 , z 的O y z7 平面为斜斑本身所在的平筒。因耐在平面o y z 上斜盘为磁圆，在 O y z 平面斜盘为椭圆。又设斜盘与滔塞接触点处于图中爿7 点时为转角口的起点，当 气敷转遘 薹意角度毋辩瓣鑫与活塞接簸熹羹 图2 - 27 $ 1 6 斜盘式压缩机几何关系 F i g u r e2 - 2g e o m e t r yr e l a ti o no fs w a s hp l a t e c o m p r e s s o r 坐标系拦中，B 点的坐标为： x = B B = 一( R c o s 8 ) t g ( z y = B E = R c o s O z = O E = R s i n 8 燮拣系O x y z 孛，拶点赘嫩标为： 上海交通大学硕士举位论文第二章变 j i 量斜盘式汽车空调压缩机理论分析 z = 0 ：上。上c o S 0 ，= O E = R s i n 0 当气溆绕主轴转过任意角度0 时，活塞与斜盘的接触点嚣在斜蹙上转过的焦发舻劳不 等于p ，p 和0 的关系为 哪妒= = c o s a f g O y 妒= a r c t g ( c o s a t g O ) 2 2 2 活塞懿往移秘抒程 设斜盘式压缩机的活塞行程为，则由图2 2 S = 2 A A + = 2 R t g c t ( 2 - 1 ) 若将活塞的步 止点定义为锭移的起点，将活塞向内止点的位移定义为正方向，则 位移方程为i 掰： s ；三s + x ：R t g a ( 1 - - C O S 彩( 2 - 2 ) 当在气缸分布圆上均匀布鬣N 列气缸时，滞后于标准列的第1 列的活塞位移为 铲R t g a 1 | c o s C O ( 移- i 静( 2 - 3 ) N 活塞的数量( 本机是7 个) ，i ：活塞的编号( 1 7 ) 2 。2 。3 活塞静速凌和麓速度 设主轴转速为nr m i n ，则主轴角速度为 国= 石d O = 署= 等= 署( 2 - 4 )一百2 而2 百4 万 瀵塞运动逡度为 v ：_ d s # R c o t g c t s i n 0 ( 2 5 ) d t q = R c o t g c t s i n ( O - i 争 活塞运动热速度为 疗# _ d v = R c 0 2 t g c t c o s 0 ( 2 6 ) d t 上海交通大学硕士举位论文 第二章蹙批量斜盘斌汽车空调压绍机理论分析 铲掰雠c o s ( 拶一争 2 2 ，4气缸工作容积的变化率 标准列气敝的蕊时工作容积为： 矿= v h ( 1 一c o s 秽) + 圪( 2 - 7 ) 其中圪为压缩机气缸的理论工作容积，是气缸的余隙容积 玩= 黝 ( 2 - 8 ) 标准裂气筮黪王露窖积夔转焦秽兹变纯率纛： 堡：三翱s i n 护( 2 9 ) d 拶2 2 2 S稽履约运动分祈 滑履在斜擞上的绝对运动是由牵连运动和相对运动合成的。牵连运动是指点轴的 旋转运动，嚣掰谓酌稳对运韵跫指浯矮在籍盘表面静港移运韵，其鞔迹为耩潮。 在牵连运动中主要的运动蹙是牵造速度q 和法向牵连加速度。 牵连速度为： 轧= 震出 法向牵连加速度： 露“= 震国2 相对运动解释了滑履农斜盘上作椭圆形旋转遴动的现象，这对于深入研究滑履与斜盘 的摩擦问题是歪关重簧的。由图2 2 阿知在斜盘表面接触点绕0 煮旋转的相对角 速度为O s + 驴警一孑最( 2 - 1 0 ) 击c o s 2 占+ s i n2 口c o s 口 惑l 鞋：可知，当瀑麓在裁盘上浍羞榄霾辕透逛魂时，其稳对运动速浚是交纯戆。黠 0 9 , 求极值还可知道，在一个周期内，当占= 冬或曰= 冬时q 达到极火值 岔 国，一2 磊焉 娄护= 霈或