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嵌固叶片式汽车空调压缩机的研究 摘要 旋转压缩机具有效率高，零部件少，重量轻，体积小、压力脉动 小等优点，目前广泛应用汽车空调系统中。但是滑片类压缩机存在明 显的弱点，主要表现在：摩擦损失大，内部泄漏损失多以及加工精度 和装配精度要求高。为降低摩擦耗功，一些新的结构被不断开发出来。 本文提出一种新结构的旋转压缩机，阐述了这种压缩机的结构特 点和工作原理。这种新结构压缩机包含有旋转缸筒、随动压板和嵌固 隔离叶片，从而降低了摩擦与磨损。 这种压缩机减摩结构与其它结构相比优点在于：该压缩机从根本 上解决了隔离叶片外端与缸孔内壁面之间、以及隔离叶片侧端与密封 端盖之间的摩擦和泄漏的问题，因而它比传统的叶片式汽车空调压缩 机具有更低的摩擦损耗和更少的泄漏损失，另外它还具有简单的加工 工艺和便捷的装配工艺。 本文运用p r o e 软件设计了这种新结构旋转压缩机，从热力学、 运动学与动力学方面做了计算，结论表明，这种新结构旋转压缩机在 降低摩擦与磨损方面效果明显，有广阔的应用前景。 关键词：汽车空调压缩机嵌固叶片摩擦泄漏 r e s e a r c ho nt h ee m b e d d e d - v a n et y p e a u t o m o b i l ea i r c o n d i t i o n i n g c o m p r e s s o r a b s t r a c t r o t a r yc o m p r e s s o rh a st h ea d v a n t a g e so ff e w e re l e m e n t s ，l i g h t e r w e i g h t , s m a l l e rv o l u m ea n d l i t t l e rp r e s s u r ef l u c t u a t i o n , w a su s e d b r o a d l y a tp r e s e n t b u ta tt h es a n l et i m ev a n et y p er o t a r yc o m p r e s s o rh a so b v i o u s f r a i l t y ：g r e a t e rf r i c t i o n a ll o s s e s ，m o r el e a k a g el o s sa n dh i g h e r - s t a n d a r d w o r k i n ga c c u r a c ya n da s s e m b l i n gp r e c i s i o n f o rr e d u c i n gt h ef r i c t i o n w a s t e dw o r k , an u m b e ro f n e wm e c h a n i s m sh a v eb e i n g d e v e l o p e d t h i sp a p e rp u tf o r w a r dan e wt y p em e c h a n i s mv a n et y p er o t a r y c o m p r e s s o ra n de x p a t i a t e di t sd e s i g nf e a t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e t h i s n e wt y p em e c h a n i s mh a sar o t a t i n gs l e e v e a ne r i i b e d d e d - - - - v a i 】ea n d t w of o l l o w e r 锄d - c o v e r sr o t a t i n gw i t ht h es l e e v e ，s oi td e c r e a s e dt h e f r i c t i o na n df r a y t h i sn e wt y p em e c h a n i s m s u r p a s s e do t h e rm e c h a n i s m si n f o l l o w i n g a s p e c t s ：t h ec o m p r e s s o rc o m p l e t e l ys o l v e st h ep r o b l e m so ff r i c t i o na n d l e a k a g eb e t w e e nt h ev a n eo u t s i d e - - e n da n dt h ec y l i n d e rb o r ew a l la n d b e t w e e nt h ev a r l es i d e _ 即da n dt h ee n ds e a l i n gc o v e r s t h e r e f o r ei th a s n l e s sf r i c t i o nw a s t ea n dl e s sl e a k i n gl o s st h a nt h ec o n v e n t i o n a lv a n et y p e a u t o m o b i l ea i rc o n d i t i o n i n gc o m p r e s s o r ，b u ta l s oh a st h ea d v a n t a g e so f s i m p l em a d et e c h n i q u e sa n ds i m p l ea s s e m b l a g et e c h n i q u e s t h i sp a p e ru s i n gt h es o f t w a r ep r o ed e s i g n e dt h i sn e wt y p er o t a r y c o m p r e s s o r , a l s oc a l c u l a t e df r o ma s p e c t so ft h e r m o d y n a m i c s ，k i n e m a t i c s a n dd y n a m i c s 。a n dc a m et oac o n c l u s i o nt h a tt h i sn e wt y p em e c h a n i s m c a nr e d u c ef r i c t i o na n df r a ye f f e c t i v e l ya n dh a v et h ep r o m i s i n gf u t u r e k e yw o r d s - a u t o m o b i l ea i r c o n d i t i o n i n gc o m p r e s s o r ； e m b e d d e d - v a n e ；f r i c t i o n ；l e a k a g e l l i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除己注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢 论文作者签名： 刻眈绪 2 0 0 7 年6 月2 2 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务： 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：纠欧磙导师签名千可云屉0 0 7 年6 月2 2 日 广西，矗缸硕士掌位论文嵌同叶片式汽车空1 压缩机的研究 第一章绪论 1 1 汽车空调压缩机的发展历程 随着我国人民生活水平不断提高，近几年来，空调装置已经普及到户和进入车内， 成为重要的日常生活用品之一汽车空调装置己经经历了半个多世纪的发展。作为汽车 空调装置的核心部件一制冷压缩机也随之得到了迅猛发展 汽车空调使用的特殊性，决定了它在结构、材料、安装、布置、设计、技术要求等 方面与普通空调，如建筑物空调，有着较大的差别： ( 1 ) 在动力源的处理上，汽车空调比普通的房间空调要困难得多，至今为止，其 压缩机不是靠主发动机就是靠辅助发动机驱动，这就决定了车用空调压缩机只能采用开 启式的结构型式，带来了轴封要求高、制冷剂容易泄漏的问题。当空调压缩机由汽车主 发动机驱动时，其制冷能力随车速和负荷的变化较大，制冷剂流量的变化幅度也较大。 当汽车慢速行驶或处于怠速状态时，其制冷能力较小，难以维持稳定的空调工况，甚至 于无法正常工作。 ( 2 ) 作为空调的对象，汽车车室容积狭小，人员密集，流动性较大，车身热工性 骀和密封性能都较差，其热、湿负荷大，气流分布难以均匀，要求所配备的车用空调机 组制冷量要大，能降温迅速 ( 3 ) 当车用空调装置消耗汽车主发动机的动力时，必须考虑其对汽车动力与操纵 性能的影响，也必须考虑由于车速变化幅度大或变化频繁，给空调系统制冷莉流量控制、 制冷量控制、系统设计带来的影响。比如，考虑到汽车空调冷凝器面积受空间尺寸限制， 一般都偏小其所处环境的温度又比较高，尤其在低速行驶时，因而制冷剂与空气间的 传热温差也比较大，制冷剂的冷凝温度比相同外界气温时的普通空调要高。为使车室降 温迅速，冷气送风温度一般都比普通空调要低些，因而其制冷剂的蒸发温度又比普通空 调的低一些。这样，就使得车用空调机组配备的动力，应比相同容量普通空调机组的大， 至少要大一倍左右。特别是在重视环境保护的今天，任何适应环保的汽车动力的更新， 都会对汽车空调系统提出新的挑战新一代低排放的环保汽车，由于其本身动力远小于 传统的燃油汽车的动力，能够提供给空调系统的动力极为有限，这就对车用空调的节能 高效和性能可靠性提出了更高的要求这是普通空调无法比拟的。虽然汽车动力系统的 环保设计对市场的影响，要远远大于汽车空调系统效率对客户的影响，然而对于能源利 嵌嗣叫件式汽车室碉压捌i 机的研j 0 用效率最高的电动车、混合动力车、燃料电池车及低排放汽车，它们是否能被用户接受， 却往往依赖于是否拥有效率更高的采暖和空调系统。例如，单用电力制冷和采暖，可使 电动车和燃料电池车的可行驶里程减少5 0 以上，以至连典型城市公共交通都难于适应。 对于日益开拓的家用轿车市场，微型车用于空调的能量少于普通车辆，但这部分能量， 在小功率发动机的输出功中所占的比例却不小，普通空调不会碰到这种问题。 ( 4 ) 汽车本身结构非常紧凑，可供安装空调设备的空间极为有限，不仅对车用空 调装置的外形、体积和质量要求较高，而且对其性能和选型也会带来影响。例如，由于 冷凝器安装位置有限，会导致冷凝温度较高又如，蒸发器总成受安装空问的限制，其 布置方式会五花) l i i ，各种车型都有专门的车内蒸发器总成设计，要实现通用化就比较 困难。 ( 5 ) 汽车是运动中的物体，要能适应道路颠簸等各种路况，对包括汽车空调系统 各组成部件在内的汽车零部件振动、噪声、安全、可靠等方面的技术要求更严格。为保 证空调系统工作的可靠性，减少制冷剂的泄漏，对压缩机的密封、制冷剂管路的连接和 冷凝器防腐蚀与防击伤等措施，都有比普通空调更高的要求为保证汽车安全运行，汽 车空调系统的控制，也应考虑能保证司机从空调系统运行的繁琐操作中解放出来。 ( 6 ) 车用空调装置的结构、外观设计和布置，除必须与车身内饰和外观协调、统 一，保持整车的完美以外。还必须考虑其对汽车底盘、车身等结构件及汽车行驶稳定性、 安全性的影响，这是普通空调设计不会碰到的 以上这些特点，都对车用空调系统各组成部件的结构、材料、工艺提出更高的要求。 汽车空调技术的发展目标，都是围绕如何满足这些要求而展开的。 经过几十年的发展，汽车空调压缩机的结构形式主要经历了以下几种结构类型： ( 1 ) 往复压缩机是最早应用于制冷系统的，采用曲柄连杆机构的往复活塞式压缩机 是汽车空调用压缩机中采用较早的一种机型，以美国g m 公司生产的y o r k 立式双缸压缩机 为代表，具有适应压力范围广和适应性强等优点，同时往复压缩机也存在有结构复杂、 易损件多、体积和重量大等缺点。现在世界各国正在利用现代化技术( 例如c a d ，c a m 等) 进一步挖掘往复压缩机的潜力，降低成本，目前对往复压缩机的研究仍在工作过程模拟 与测试，结构优化设计，对新制冷剂的适应性以及变频调速技术等方面进行深入研究 ( 2 ) 斜盘压缩机活塞的往复运动是由一固结在主轴上的斜盘来驱动与往复压缩机 不同之处在于，往复压缩机活塞的运动是沿着与驱动轴中心线垂直方向进行，而斜盘压 缩机的活塞往复运动与驱动轴中心线平行斜盘压缩机特点是没有曲柄连杆机构，在圆 2 f - 西，翻嘲士尊啦论文嵌嗣叶片式费0 车空调医缩机的研究 周方向上可以同时配置若干个气缸，故结构比较紧凑，机器的平衡性能较好，可取较高 的转速。但是，受结构形式及强度的限制，斜盘压缩机的排气量一般较小，其结构复杂、 体积及重量大，工作效率低，且起动性能差其结构主要有回转斜盘式( 双向活塞) 和摇 摆斜盘式( 单向活塞) 两种，是汽车空调中使用最广泛的机型，如桑塔纳、富康、切诺基 等车型均采用斜盘式压缩机。通过多缸化、全铝化、改迸润滑方式、简化结构等措施， 斜盘式压缩机越来越小型化、轻量化但其零件数较多，零件互换性较差，工艺要求较 高。国外生产斜盘式压缩机的厂家很多，如美国的德尔福、福特、日本的电装、三电、 杰克赛尔、尤尼克拉等。目前，斜盘压缩机主要应用于轿车空调，我国最大的轿车空调 压缩机生产商上海易初通用机器有限公司生产的就是斜盘压缩机。 ( 3 ) 旋叶压缩机属于第三代汽车空调压缩机，相对涡旋压缩机，其结构简单、制造 容易，操作和维修保养方便。它几乎完全平衡，无振动。此外在旋转一周中有多个基元 容积与吸、排气管相通，因此吸排气气流脉动较小，不需要安装很大的贮气罐。旋叶压 缩机的的主要缺点是滑片与转子、气缸之间有很大的机械摩擦，产生较大的能量损失， 约占压缩机功耗的1 3 ，因此效率较低转予直径大时，滑片线速度过大，造成滑片磨损 严重，因此旋叶压缩机的排气量不能太大此外，旋叶压缩机工作原理是靠传动轴高速 旋转的离心力将叶片甩出与气缸内壁接触，因此低速制冷性能不好旋叶压缩机另一较 大缺陷，即因叶片与气缸内表面、叶片与转子长时间过大的摩擦所造成的金属粉尘容易 堵塞制冷系统的管道而直接影响整个制冷系统的正常工作。据对重庆市奥拓出租车所作 的调查显示，旋叶压缩机连续运行半年左右大部分使汽车空调系统管道出现堵塞，当前， 除了对滑片周围润滑特性的数学模拟进行研究外，对汽车空调装置，则有吸气口形状经 过改进的制冷量自调式压缩机的系列研究和液体压缩特性研究。旋叶压缩机主要以日本 松下株式会社和日本精工精机株式会社为主。日本电装公司和杰克赛尔公司也都生产旋 转叶片式压缩机。涡旋压缩机主要以日本三电公司，三菱重工公司和电装公司为主要生 产厂国内也有企业开始涉足回转式汽车空调压缩机 ( 4 ) 涡旋压缩机主要特点有：无吸、排气阀，吸气压力损失小，压缩室压差小，无 余隙容积，容积效率高，可靠性高，功耗小，c o p 值大；涡旋回旋运动能形成几对压缩 腔，因此力矩变化小，振动小，噪声低：零部件少，尤其易损件少，休积小，重量轻； 对液击不敏感：转速高，有利于实现变频控制的方式来调节制冷量；采用一种背压自动 调节的可控推力机构，这样可保持轴向密封，减少机械损失，防止异常高压，确保压缩 机安全；便于采用气体注入循环，减少压缩机开停频率，从而可提高节能效果。对比试 3 广菌，“蝴士掌位论丈 嵌嗣叶片式汽车空调压翔 机剜，研究 验表明，涡旋压缩枫较传统的往复压缩机来说，体积d , 4 0 ，重量轻1 5 5 ，噪声低5 d b ( a ) 。 总体来说，其综合性能是日前各类汽车空调压缩机中最好的但涡旋压缩机也存在轴向 力不能稳定平衡，防自转结构不灵活，径向密封不易保证，以及涡形盘加工制造工艺要 求高，成本较高的缺点。 ( 5 ) 滚动活塞式压缩机具有结构简单、零部件少、体积小、重量轻、往复运动部件 少、振动和噪声较小等特点。滚动转子压缩机比相同制冷量的往复压缩机零件少5 0 9 6 ， 体积减少6 0 ，重量轻3 5 5 c o p 值高出1 5 5 。在结构上，可把余骤容积做的很小，基本 上没有膨胀气体的干扰此外无吸气阀，使流动阻力小，导致容积效率高、能效比高。 滚动转子压缩机的这些特点使其在汽车空调系统中得到了广泛应用。美国在2 0 世纪初 开始用做冰箱压缩机，受当时机械加工水平限制，与往复活塞相比没明显的竞争力，6 0 年代以后，随着精密加工技术的迅速发展，滚动活塞压缩机技术日臻完善。7 0 年代以后， 滚动活塞压缩机在小型全封闭制冷压缩机中所占比例越来越大，并广泛用于房间空调。 冰箱及小型商用制冷设备中。1 9 8 1 年由日本三菱公司开发为汽车空调用压缩机，体积小、 重量轻、效率较高，但扭矩的波动较大 目前应用较多是汽车空调压缩机主要是斜盘式，滚动活塞式压缩机零件少、效率高， 是汽车空调压缩机一个重要的发展方向 斜盘式压缩机是依靠图1 - 1 所示的斜盘机构，把装在主轴上的斜盘的回转运动转变 为活塞沿轴向的往复运动。当转轴1 旋转时，斜盘便随着旋转，斜盘旋转后通过钢球4 而推动活塞3 作往复运动。活塞的一次往复运动就完成了压缩机吸气一压缩一拌气过程。 图2 2 所示为斜盘式压缩机结构剖面图斜盘式压缩机主要由缸体、前后缸盖、前后阀 板、活塞，斜盘( 与主轴连成一体) 、钢球、零件组成。驱动轴上固定斜盘6 ，斜盘卡 装在活塞2 中，斜盘回转牵连活塞作往复运动，作匀速旋转运动的转子安装在圆柱型的 气缸中，再配置若干个作往复运动的滑片( 板) ，就能形成容积周期性变化的工作腔，旋 转压缩机正是利用这种运动机构进行工作的。 4 n 籍盟式艋端机的一 l ；跟晨 卜一嗣转辘卜彝蠢3 一蓊誊4 一饵垮 洒翟与斜盛酶臻秘 l 一缸2 绣囊j ，球一擂鹱 6 - - 瓣摩环7 一赣6 - 嚣盘 图1 - 1 斜盘机柏 f i gl - is w a s hp l a t e 6 9 m 妇 自1 5 8 8 年拉迈尔利( 1 7 a m e l i ) 首次提出了多基元滑片装置的概念以来，人们设计和 研制出的旋转压缩机有数十种之多，而真正得到广泛应用的只有滚动活塞压缩机和滑片 式压缩机。近三十年来，随着精密加工技术的不断提高，旋转压缩机的发展非常迅速。 研究异常活跃，国内外的许多学者和工程技术人员在旋转压缩机的理论研究和工程实践 方面作了大量的工作，取得了巨大的成就，使旋转压缩机技术日臻完善。旋转压缩机具 有性能优良、结构紧凑、零部件少等独特优点，目前已经在房间空调、制冷器具，汽车 空调及压缩气体装置中得到广泛的应用旧 t 卜驱动轴2 一活塞3 嘲球4 一支承盘( 滑靴) 5 一机壳( 缸体) 6 蝌盘7 一轴封8 - 前盖 9 一推力滚针轴承1 0 _ 油池1 1 - - 网扳1 2 一后盖1 3 泵齿轮 图卜2 斜盘式压缩机结构剖面图 f i g1 - 2s w a s hp l a b ：c o m p r e s s o rc o n f i g u r a t i o n 5 拶戡 ， l 事事 嵌固叫 式舅埠空蕾i 压捌i 机的磷完 滚动活塞式也称为滚动转子式，见图卜3 ，其运动形式是在气缸的吸气孔与排气孔 之间开有个纵向槽，槽中装有一个可以滑动的挡片即滑片，滑片把缸的工作腔分为吸 气腔和排气腔。它与滚动转子用铰接连接在一起，因而排气腔的高压气体不会泄露到吸 气腔。当转子沿气缸壁滚动时。滑片通过转子的带动下，在槽中作上下往复运动，同时 吸气腔与捧气腔容积都在周而复始的变化，将吸入气缸中的气体的压力提高，然后排出 压缩机这种结构有两个突出的缺点：l 、密封不安全，气体容易从压缩腔泄露到吸气 腔；2 、是转子与气缸之间是滑动摩擦，摩擦大。 但其结构简单，体积小，重量轻，同往复压缩机比较，体积可减少4 0 一5 0 ；零 部件少，特别是易损件少，同时相对运动部件之间的摩擦损失少，可靠性较高，振动少， 运转平稳效率高，流动阻力小，指示效率高，一般比往复式高2 0 - 4 0 ；此外，由于 直接吸气，因此吸气有害过热小，余容隙也小，故压缩机输气系数高于往复式压缩机； 便于大量生产。滚动转子式压缩机大部分零件的几何形状为圆柱形，便于加工和生产， 可做到产量大，成本低现多用于家用冰箱压缩机，因此，目前国内生产厂家也较多。 图卜3 滚动转子式压缩机示意图 f i g1 - 3 r o l l i n gp i s t o nt y p er o t a r yc 唧s 鲥 1 2 滚动活塞汽车空调压缩机研究现状 滚动活塞压缩机的发展至今有大约7 0 年的历史它首先是从美国2 0 世纪3 0 年代开始 发展起来的，当时美国v i l t e r 公司生产的该种压缩机理论排气量为2 5 4 5m 3 m i n 。 其次瑞士e s c h e r - w y s s 公司也开始生产这种压缩机，捧气量范围是0 8 1 6m 3 m i n ，轴 6 算大掌硬士学位论文 堂固叶牛式汽车空调压缩机的崭究 功率7 5 1 4 6k w 。此后，陆续有众多厂家为把滚动活塞压缩机用于小型制冷装置而进 行了不懈地努力。 滚动活塞压缩机作为制冷装置的主机，于2 0 世纪5 0 年代在全球风行一时，但所采用 的复杂结构与系统难以与当时堀起的螺杆压缩机相竞争。与传统的活塞压缩机也无法抗 衡。7 0 年代以后由于对节能和舒适性的要求越来越高，滚动活塞压缩机开始在小型空调、 热泵、家用冰箱中得到越来越广泛的应用，在小容量范围( 0 3 5 k w ) 有替代往复压缩机 的趋势。这主要是因为它具有如下特点：体积小、结构简单、运转平稳、嗓声低，尤其 是能适应较大的工况变化( 压力变化) 。一般情况下，与具有相同制冷量的往复压缩机相 比，其零件少1 3 ，体积、重量均仅为往复的1 2 左右，耗电量少1 0 ，而效率提高l o 以上。在众多厂家及研究人员的不懈努力下，目前滚动活塞压缩机用于小型冷藏与空 调方面己日趋成熟，日本、美国、丹麦、瑞士等国均已成批生产滚动活塞压缩机。但这 种压缩机也有不利之处：( 1 ) 转子和气缸的间隙应严格保证，否则会明显降低压缩机的 可靠性和效率，因此，制造精度要求高；( 2 ) 由于在有相对运动的部位必须有油润滑，而 这种压缩机仍有气阀，因此，该机型既不易设计成无油型，也不易采用其它无气阀回转 式压缩机所采用的喷油系统；( 3 ) 用于热泵运转时制热量小。 当前，世界各国对滚动活塞压缩机的研究已相当深入，主要包括以下几个方面：( 1 ) 模拟及数学模型：( 2 ) 性能改进；( 3 ) 摩擦磨损学；( 4 ) 振动及噪声的改善前几年，几 乎所有的研究与发展都集中在第一、二方面。研究人员建立并不断完善滚动活塞压缩机 的数学模型，利用数学模型对压缩机的性能进行模拟，从中找出改进性能的各种措旄。 其中日、美等国在滚动活塞压缩机的性能模拟和改进以及摩擦损耗分析、减振降噪等方 面做了大量工作，以适应压缩机的节能要求。有些科研工作者进行了下列方向的研究： 径向和端面泄漏以及这些泄漏对运转性能的影响，滚动活塞动力学和摩擦损失、吸气加 热损失、容积效率的影响因素及压缩机的振动等。经过努力，滚动活塞压缩机的热物理 过程日趋完善，已获得良好的热力性能指标 为了满足日益增加的舒适性要求，制冷空调业将不断向前发展，而高效节能、保护 环境、无级调速、低噪声和全智能化控制是未来家用空调压缩机的发展方向，也是滚动 活塞压缩机的发展关键。可以预见，随着滚动活塞压缩机研究的不断深入和加工精度的 提高，今后在小型家用空调中的应用会越来越广泛。 7 1 3 本课题的研究背景与来源 压缩机是气体压缩设备、制冷设备和空调器的“心脏”，其技术水平的高低直接关 系到相关产品的市场竞争力。理论分析和实际试验均表明，摩擦损失与泄漏损失是影响 压缩机性能指标的两个关键因素。本课题以应用于汽车空调器的旋转压缩机为研究对 象，探索具有滑片结构特征的旋转压缩机的减摩与密封的新技术和新结构。本课题从机 构学、运动学、热工学和密封理论等角度切入，通过建立压缩机的数学模型，寻求突破 滑片类旋转压缩机传统采用的减摩技术与密封结构，获取具有具有低摩擦低泄漏概念的 创新结构压缩机。 1 4 本文所做的工作 本文提出了一种新结构的嵌固叶片式汽车空调压缩机，对工作原理做了阐述，运用 p r o e 软件对这种新结构滑片压缩机的结构进行详细设计，并进行了热力计算，动力计算 等。 这种设计表明，这种新结构滑片压缩机在降低摩擦与磨损方面效果明显，有广阔的 应用前景。 8 第二章新型嵌固叶片式汽车空调压缩机的原理及结构 2 1 滑片式旋转压缩机减摩技术研究热点及发展 自从1 5 8 8 年拉迈尔利( r a m e l l i ) 首次提出滑片式变容积装置的原理以来，其结构就 成为了被沿用至今的滑片式旋转压缩机的基本型式经过数百年的发展，滑片式压缩机 的技术已日臻完善。与往复式压缩机相比，滑片式旋转压缩机具有许多优势，如体积小 4 0 n 5 0 、质量约轻5 0 、零件少3 0 3 9 ，特别是它不存在难以平衡的往 复惯性力，故运转平稳噪声低，因此被广泛应用于制冷与空调领域。但是，研究表明， 滑片式压缩机也存在有明显的缺陷，主要表现在：( 1 ) 摩攘损失大，在消耗功中机械摩 擦损失占2 9 1 ；( 2 ) 内部泄漏损失多在消耗功中泄漏损失占1 2 8 ；( 3 ) 加工精 度及装配精度要求高，主要零件的加工精度约为3 1 m , ，配合间隙为4 朋1 5 啪, 左右 随着新型制冷剂的采用，压缩机内的压差愈来愈大，密封愈来愈困难，润滑条件愈来愈 苛刻，致使上述缺陷愈发凸显。因此，减少摩擦损失与泄漏损失、降低零部件的加工难 度，是提高滑片式压缩机性能指标、延长使用寿命和降低生产成本的主要途径。 滑片类压缩机的摩擦与泄漏很大部分发生在与叶片相关的5 个运动配合副之间，即 叶片外端与缸孔( 对旋叶压缩机而言) 、叶片内端与滚动活塞外表面( 对滚动活塞式压缩 机言) 、叶片两个侧端与端盖、叶片两个滑面与扁平槽，此外还有转子与缸孔的径向配 合处、转子与端盏的轴向配合处。因此控制这些部位的摩擦与泄漏是提高压缩机性能和 寿命的关键，可以说，当今在该领域的研究几乎都是围绕以上环节展开的： ( i ) 一种新型摆动转子压缩机( 见图2 一1 ) ，其改进之处是在传统滚动活塞式压缩机的 活塞上开设圆弧导向槽，叶片内端做成圆弧状与之相配特点是将原来叶片在该处的线 接触变成面接触，可减少该处的泄漏量，同时摩擦损耗也减少( 因为接触压力和相对速 度均下降) ，机械效率可提高大约l ，但其它处的摩擦和泄漏没有改变，而且工艺上 多一条圆弧槽。 9 广西大掌习仕擘啦论文嵌固叶片式科津空调压缩机的研究 图2 - 2 铰接叶片转子压缩机 f i 9 2 - 2 h i n g e v a n e p i s t o n t y p e r o t a r y g 咖平s s ( 3 ) 李辛沫提出过一种单叶片的铰接叶片旋转缸压缩机( 如图2 - 3 所示) ，潘树林等 将其改进后推广适用于汽车空调的多叶片形式。铰接叶片转缸压缩机的特点是叶片外端 铰接在缸套上，其中缸套和转子均作定轴转动，解决了叶片外端处的摩擦与泄漏。同时 转子和缸套作同向运动，它们之间的相对速度较小，有利于减少摩擦损耗不足之处是叶 片外端为圆弧头，需用专门拉刀来加工，工艺性不好 1 0 广西大掌碛士掌位崔! 文嵌回叶片式井埠空倜压蠲r 机的习f 究 图2 - 3 饺接叶片转缸压缩机 f i g2 - 3h i n g ev a n em t a t i n gs l e e v et y p er o 诅r yc o m p r e s 鲥 ( 4 ) 屈宗长提出同步回转式压缩机的理论和结构( 见图2 - 4 ) ，其原理和结构与文献介 绍的新型摆动转予压缩机有异曲同工之妙。特点是在旋转缸套内壁开一条槽，滑片外端 与之“柔性”接触配合，可大大降低该处的相对运动速度，而且是弧面接触，故可减少 摩擦损失和泄漏损失。另外采用同步回转方式，转子与缸套接触处的相对速度很小，对 该处的减摩十分有利。此外还可以选择径向进气或轴向进气方式，因此气道布置比较灵 活。另外，采用随动端盖结构大大降低了叶片侧端与两端盖处的相对运动速度，减少了 该处的摩擦。 图2 - 4 同步回转式压缩机 f i g2 - 4s y n c h r o n i z e dr o t a t i o nt y p ec o f 珥m 镕s o r ( 5 ) 为解决叶片外端部的摩擦问题，美国科技工作者开发出滚道式卸载结构，即在 靠近叶片两侧根部设置芯轴，安装一对小滚动轴承，轴承在预先设计好的轨道型面上滚 动，由轨道型面确保叶片外端与缸孔型面保持一定的间隙，这样就将原来叶片外端部的 滑动摩擦变成滚动轴承的滚动摩擦，其典产品为r o v a c - 2 2 7 型汽车空调压缩机，不足之 处是轨道型面加工困难。 l l ( 6 ) 马国远等在对旋叶式压缩机的研究中发现：叶片外端部的摩擦损失最大，约占 摩擦总损失的8 7 1 ，其次是叶片侧面摩擦损失，约占总损失的1 2 6 ，于是探索出 双层滑片压缩机( 如图2 5 所示) ，它不仅降低了叶片外端与缸孔的接触力，而且利用两 滑片和缸孔型线之间形成的三角槽储藏润滑油，有效改善了叶片外端部的摩擦和密封状 况。马国远还研究了最佳叶片倾斜角配置，以改善叶片的摩擦受力状况。 簇淞 鹱多； 图2 - 5 双层滑片旋转压缩机 f i g2 - 5d o u b l e - d e c k e dv a n ep o t a r y c o , , v r e s s o r ( 7 ) 日本马自达等公司通过增加一个可以自由旋转的缸套( 如图2 6 所示) 。使得叶 片外端部的相对运动速度大为下降，以此减少摩擦损耗，但随之带来了旋转缸套外柱面 的减摩问题，因为它的旋转半径太大导致了较大的秸滞阻力矩。另一方面，这种机型的 进气通道不易布置，而且叶片与端盖的密封没有解决。 图2 6 自由旋转缸套式压缩机 f i g2 - 6f r e e l yr o t a t i n gs l e e v et y p ec o m p r e s s o r ( 8 ) 陈观生等提出种无偏心椭圆转子压缩机( 见图2 7 ) ，其结构特点是将转子做 成椭圆状且中心布置，利用增加密封线弧长的办法改善转子与缸孔之间径向间隙处的泄 漏，同时实现了完全动静平衡，但叶片与两侧端盖处的摩擦和泄漏状况没有得到改善。 1 2 图2 7 椭圆转子压缩机 f i g2 - 7e l l i p s er o t o rt y p er o t a r yc o m p r e s s o r ( 9 ) 李连生等通过改进缸孔型线，改善了旋叶压缩机转子与缸孔之问的径向间隙泄 漏问题，其特点是缸孔型线由4 段圆滑曲线构成，在与转子配合处采用圆弧设计，保证 一定的密封线( 面) 长度，大大减少了该处的内部泄漏，提高了压缩机的性能，其成果已 经成功应用于汽车空调压缩机新产品上。 ( 1 0 ) 英国空气压缩机有限公司为改善叶片与滑槽的摩擦状态，在叶片的2 个配合侧 面开设润滑油槽，利用这些油槽贮存润滑油以减少叶片侧面处的摩擦损失，为得到更好 的减摩效果，他们还对油槽的不同形状和位置进行了优化研究。 ( 1 x ) 日本电装公司开发了一种t v 型贯穿叶片式旋转压缩机，采用2 片相互垂直的贯 穿转子的隔离叶片。叶片质心较传统滑片式的叶片质心更加靠近回转中心，可以减少叶 片外端与气缸之间的摩擦，但缸孔型线较难加工 ( 1 2 ) 李辛沫提出过一种嵌固叶片式旋转压缩机，叶片的外端和2 个侧端分别与旋转 缸套和随动端盖紧固配合，消除了这些部位的摩擦和泄漏现象，不足之处是转子采用悬 臂结构致使结构不够紧凑，且高低压腔还存在一个轴向动态密封结构。 ( 1 3 ) 为减少滚动活塞压缩机的径向间隙泄漏，有企业采用“偏心装配”技术，使得 当转子转至压缩压力较大处时处于较小的径向问隙( 4 8 岫) ，其它位置时则选择较大的 径向间隙( 1 2 2 0 ) ，以平衡加工精度和泄漏损失但这种方法对装配及检测要求很高 此外，韩国三星电子公司、重庆大学等，从摩擦学的角度研究了材料的成分、滑片表面 镀层、摩擦副不同材料配对等对压缩机主要零部件摩擦与磨损的影响。并设计了专门的 实验方案，多角度分析了摩擦特性，获得了有价值的数据。 需要指出的是。国内外科技工作者和一些著名公司，近年来陆续开发出许多新型高 效压缩枧，如美国泰康公司开发的十字滑块式压缩机、日本东芝公司开发的螺旋叶片压 缩机，另外还有转缸滚动活塞压缩机以及提出虽早但解决摩擦和密封问题后才得以应用 嵌嗣叶片式，睥空倜压缩机的研究 的汪克尔三角转子压缩机、余摆线转子压缩机，还有目前研究较多的涡旋压缩机等，虽 不属滑片结构压缩机的范畴，但所采用的一些独特的减摩技术和密封理念是可以借鉴 的。 综上所述，目前研究滑片类旋转压缩机减摩技术和密封结构的主要着眼点在：改进 叶片外端部的受力状况和润滑状况，降低运动副的相对运动速度，增加密封线( 面) ，改 进摩擦副的材质，从装配角度入手控制泄漏间隙。控制摩擦与控制泄漏往往是一对矛盾 的问题，间隙减小固然泄漏减少，但却易导致摩擦加剧，而两者兼顾的最好办法是从结 构上进行创新 2 2 新型嵌固叶片式汽车空调压缩机结构 针对旋转式压缩机在结构上尚存在有不足之处，主要表现在： 1 ) 滚动活塞和转子均以偏心运转的方式工作，故存在有很大的离心惯性力，这是 造成压缩机振动及噪声大的一个重要原因，为此须设置专门的平衡块，结果占据了压缩 机宝贵的内部空间资源并增加了检测成本； 2 ) 压缩机的各个运动副之间存在有比较高的相对运动速度，比如转子与滚动活塞 之间，滚动活塞与缸孔内壁面之间，隔离叶片与滚动活塞之间，以及转子，滚动活塞和 隔离叶片与两侧密封端盖之间等等，由此而必然会产生较大的摩擦与磨损； 3 ) 隔离叶片的内端与滚动活塞外表面之间采用的是线接触的密封结构方式，同时 隔离叶片的侧端与两侧端盖之间的密封主要依赖配合间隙来保证，因此很难避免冷媒从 高压的压缩腔窜逸至低压的吸气腔，从而导致了较大的内部泄漏损失； 4 ) 隔离叶片依靠背部弹簧的作用力紧贴在滚动活塞的外表面上，不仅会增加接触 处的摩擦与磨损，而且在高转速的背景下往往会因往复惯性力的缘故而使得隔离叶片的 跟随性变差，结果导致叶片与滚动活塞之问不时会出现。脱空”及“颤动”等现象； 5 ) 压缩机的主要零件如隔离叶片、滚动活塞和偏心转轴，她们或存在多个的高精 度配合面或存在工艺难度大的偏心轴颈等，结果使得压缩机的制造，检测以及装配的要 求极严，故生产成本相对偏高。 本设计针对传统滚动活塞式压缩机所存在的上述弊端，提出了一种新型的开启式嵌 固叶片式汽车空调器旋转压缩机。 本嵌固叶片式旋转压缩机主要由主动轴、从动轴( 转子) 、转柱、隔离叶片、旋转 1 4 广西，“# 习【一b 掌位论文嵌固叶片式汽车空1 一压缩机的研究 压板、左右端盖等零部件所组成，如图2 - 8 ，2 - 9 。其中，转子偏置在主动轴右端圆柱槽 内并绕自身的轴线作定轴转动，其外表面与主动轴端面圆柱槽的内孔面相切并转动配 合；沿转子的轴向方向开设有一条圆弧槽，槽内转动地配装有一个包含有扁平滑槽的转 柱；转子采用滑动轴承支撑结构的方式，并作为从动件：隔离叶片的外端嵌固在主动轴 的内孔壁面上，其上侧端嵌固在右压板上，其下侧端嵌固在主动轴的端面圆柱槽的内孔 面，而其内端则插入上述转柱的扁平滑槽内并与该滑槽滑动配合；主动轴为主动件，它 的一端通过传动装置由汽车发动机驱动，主动轴端面圆柱槽的内柱面上开设有轴向进气 口以及偏置的润滑油主油道；隔离叶片，旋转压板与主动轴紧固连接成一体并环绕主动 轴的轴线( 0 1 ) 作定轴转动。很显然，隔离叶片将主动轴、转子、转柱、右压板和右端 盖等所围成的封闭空间分割成为了两个容积可以周期性地发生变化的工作腔，其中一个 为吸气腔，另一个为压缩腔。 卜主动轴2 一转子3 - 进气口4 - 隔离叶片 5 一扁形槽 图2 - 8 嵌田叶片式汽车空调压缩机核心结构实体图 f i g2 - 8t h ek e yc o n f i g u r a t i o no f a t y p eo f a u t o m o b i l ea i r - - - - c o n d i t i o n i n gc o m p r e s s o rw h i c hh a sm e m b e d d e d - - v a n e 卜排气管接口2 一进气管接口3 - 主动轴 图2 - 9 嵌固叶片式汽车空调压缩机整体围 f i g2 - 9t h ew h o l ec o n f i g u r 址i o no f an wt y p eo f a u t o m o b i l ea i r - - c o n d i t i o n i n gc o m p r e s s o rw h i c hh a sa l l e m b e d d e d - - v a n e 2 。3 新型嵌固叶片式汽车空调压缩机工作原理 本新型嵌固叶片式压缩机的工作原理是：如图2 - 1 0 ，当主动轴在原动机的驱动下 绕自身旋转中心( 0 1 ) 转动时带动固定在其上的隔离叶片旋转( 隔离叶片的旋转中心也 为o i ) ，隔离叶片带动转子上的转柱旋转，隔离叶片也在转柱扁平滑槽内滑动，然后转 柱带动转子绕其自身的旋转中心( 0 2 ) 旋转，这里0 l 与0 2 的距离即为偏心距，随着转子 的转动，吸气腔的容积开始逐渐增大并形成负压，这时气态的工质在压差的作用下经进 气口、环形进气道和径向吸气孔进入到吸气腔内；与此同时，压缩腔的容积则逐渐减少， 被封闭在其内的工质受到压缩，压力开始逐渐增高，当压缩压力达到某一设定值时捧气 过程开始，此时工质经隔离叶片侧面上的排气槽道到达转柱扁平滑槽的底部，然后经转 子轴芯排气道、排气单向阀、油气分离器和排气口排出压缩机外 坫 图2 - 1 0 嵌固叶片式汽车空调压缩机核心结构示意图 f i g2 - 1 0t h ek e yc o n f i g u r a t i o no f an e wt y p eo f a u t o m o b i l ea i r - - c o n d i t i o n i n gc o m p r e s s o rw h i c hh a sa n 1 一右端盖2 一主动轴3 一转子4 一隔蔫叶片5 - t # 柱 图2 - 1 1 扭心结构剖面图 f i g2 - 1 1t h es e c t i o np l a n eo f t h ek e yc o n f i g u r a t i o n 本新型嵌固叶片式压缩机的优点是： l 、主动件( 主动轴、隔离叶片) 有自己的旋转中心o l ，从动件( 转柱、转子) 有 自己的旋转中心0 2 ，离心力在原理上不产生，运转平稳性大大提高，振动大大降低。 2 、隔离叶片固定于转轴及前后压板，只与转柱槽有小的相对滑动，摩擦磨损大大 减少，同时密封性大大提高 3 、采用环形进气道配合径向吸气孔的独特的进气方式，因此大大地增加了压缩机 1 7 的有效迸气角度，从而可实现更加充分的进气。 4 、隔离叶片将转子、转柱、旋转缸简和两侧随动端盖所围成的封闭空间，分隔成 了两个容积，并有周期性地变化的工作腔，其中一个为吸气腔，另一个为压缩腔。由于 隔离叶片的外端和下侧嵌固在主动轴圆柱槽的壁面上，上侧端嵌固在右压板上，而其内 端则插入转柱上的扁平滑槽内并与之滑配。与传统中主要依靠配合间隙来保证隔离叶片 侧端与两侧密封端盖之间的密封相比，本结构可以避免冷媒从高压的压缩腔窜逸至低压 的吸气腔，从而导致内部泄漏损失。 5 、吸气与排气同步进行，效能大大提高。 本新型嵌固叶片式压缩机的不足是： l 、重要零部件主动轴、转子和转柱的工艺难点过于集中，工艺要求较高。 i 暑 第三章新型嵌固叶片式汽车空调压缩机的结构设计 3 1 主要设计参数 3 1 1 技术参数 名义冷量：3 5 0 0 w 能效比：2 8 转速：3 0 0 0 r m i n 排气温度： 1 2 0 冷冻机油：p o e ( e s t e r ) l ，5 0 0 m l 最大油温： 9 5 制冷剂：r 1 3 4 a 重 量： 5 0 0 ) ，最大硬度偏差不超过6 个单位。 1 - 排气口 图3 - 8 转子端面图 2 一排气道 图3 - 9 转子图 f i 驴- 9 r o t o r 关于转拄：见图3 i o ，转柱的主要任务是承担密封作用，它受到隔离叶片和压缩机 转子的挤压压力，并在转柱上开有捧气通道。该零件虽小，但制造却不简单，其尺寸及 形位公差难点非常集中，特别是它存在有与隔离叶片滑配的滑槽，在机加工时很容易产 生变形，故工艺性很差，是本压缩机的“瓶颈”零件之一为了保证批量生产的质量。 该零件宜采用铁基粉末冶金制造，并进行渗碳淬火处理，同时用润滑油p o e 对其烧煮 浸渍。 l - 排气通道 图3 - 1 0 转柱 v i 9 3 q 0r o t a t - m gc o l u m n 图3 - 1 1 隔焉叶片 f i 9 3 - 1 1v a 鹏 关于隔离叶片：见图3 1 l 所示，隔离叶片中心开有与转柱排气口相对应的开1 ：3 扁 槽。隔离叶片主要承受交变的气体压力，它的外端和下侧嵌固在主动轴圆柱槽的