JX02-107@平动转子式汽车空调压缩机设计
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JX02-107@平动转子式汽车空调压缩机设计,机械毕业设计全套
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I 摘 要 21世纪，随着全球经济的发展，汽车业 得到了蓬勃 发展。作为小型汽车使用的空调，由于 受到 空间尺寸 的苛刻限制 ， 以及 发动机功率 相对较 小， 因此非常 注意压缩机的效率 、 外形尺寸 以 及功耗 等的影响 。针对传统压缩机存在的 一些 不足， 本 设计 研究了 一种平动转子式压缩机，该压缩机的最大特点是转子采用平动转动的运转方式，因此 主要运动件之间的相对速度较小，故其摩擦损失很小。 本设计主要 完成以下方面 的工作： （ 1） 简单介绍了汽车空调制冷系统的构成和工作原理，阐述了汽车空调压缩机的发展历程，并对其特殊要求进行了说明，进而重点介 绍了现有的滑片式和涡旋式这两种两种类型压缩机的结构形式与特点。 （ 2） 重点详细介绍了平动转子式压缩机的设计思想，工作原理， 并进行总体设计 。 （ 3） 对平动转子式压缩机的几个重要零件 如 气缸 、 转子 、 转轴 、 平动滑片 、 转轴轴承座和后端盖 进行了 结构 设计 ， 并在 工艺和选材上进行了详细的分析。 （ 4） 对平动转子式压缩机的吸排气系统和润滑系统进行了系统的 设计和 分析。 （ 5） 对平动转子式压缩机进行了热力学方面的分析与计算， 并推导了 平动转子和滑片的运动 学和动力学公式 ，同时 还对 转子进行了动平衡方面的分析。 与传统滑片式压缩机 相比，本设计中的压缩机的主要运动副如转子与气缸、转子与端盖、滑片与缸孔之间的相对运动速度要小很多，因此它具有较少的摩擦和磨损。同时他还与 涡旋压缩机的平动机构有机融合在一起，取其之长， 因此等效制冷能力比现存的压缩机高。而且结构紧凑、外形尺寸小、重量轻，特别适宜小型汽车使用。 在设计过程中运用了 AutoCAD， Pro/E 及 Word，不但把所学的专业知识联系起来，而且还提高了计算机应用能力，拓宽了知识面 。 关键 词 汽车空调；压缩机； 平动转子； 结构设计 nts II Abstract The 21st century, along with global economic development, the automobile industry gained vigorous development. Air conditioning which uses in the compact car, due to receive harsh limit from the spatial size, as well as the engine power is relatively small and therefore pays attention to influence from the efficiency of the compressor, the external dimensions as well as the power loss and so on. In view of traditional compressor exist some insufficiencies, this design has studied a fixed-rotor compressor, and the ultimate characteristic of this compressor is the rotor adopts a fixed-rotation mode of operation, the relative speed between the main movements is smaller, and therefore its friction loss is very small following the completion of the design of the main areas of work. （ 1） A brief introduction of the automotive air conditioning refrigeration systems constitution and the principle of work, elaborated the development process of automotive air conditioning compressor, and has carried on the explanation to its special request, then focus on introducing structure and characteristics of the existing gleitbretter type and the vortex type compressors. （ 2） Focus more on the introduction of a fixed-rotor compressors design concept, the principle of work, and overall design. （ 3） To the fixed-rotor compressors several important components like air cylinder, the rotor, the rotation shaft, the fixed-vane, the rotation shaft bearing seat and the back-end cover has carried out the structural design, and has carried on the detailed analysis in the craft and the selection. （ 4） we have carried systemic design and analysis on suction exhaust system and lubrication system of the fixed-rotor compressor. （ 5） We have carried on thermodynamic analysis and the calculation to the fixed-rotor compressor, and have inferred the fixed-rotor and vanes kinematic and dynamic formula, meanwhile have carried on the transient equilibrium analysis to the rotor. Compares with the traditional vane compressor, this design compressor has much smaller relative velocity between the main movements such as the rotor and the cylinder, the rotor and the end cover, the vane and the cylinder hole, therefore it has the few friction and the attrition. Simultaneously, it also integration of vortex compressors translation machine together, takes its long, the equivalent cooling capacity higher than the existing compressor. Moreover the structure is compact, the external dimensions are small, the weight is light, and so it is especially for small vehicles. In the design process using AutoCAD, Pro / E and the Word, not only to learn the expertise, but also improve the ability of computer applications and broaden the knowledge. Key words Automobile air-conditioning compressor translation rotor structural design nts III 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪 论 1 1.1 汽车空调的历程、意义和特点 . 1 1.1.1 汽车空调历程 . 1 1.1.2 汽车空调的意义 . 1 1.1.3 汽车空调的特点 . 2 1.2 汽车空调制冷系统的构成及其原理 . 2 1.3 汽车空调压缩机的发展历程 . 3 1.4 汽车空调压缩机的特殊要求 . 5 1.5 滑片压缩机的结构形式与特点 . 5 1.6 涡旋压缩机的结构形式与特点 . 6 1.7 本章小结 . 7 第 2 章 平动转子式压缩机 7 2.1 设计方案的提出 . 7 2.2 研究的意义 . 8 2.3 平动转子式压缩机的工作原理 . 8 2.4 平动转子式压缩机的基本结构 . 10 2.5 平动转子式压缩机的总体特点 . 10 2.6 平动转子式压缩机重要部件的设计 . 11 2.6.1 缸体 . 11 2.6.2 转子 . 12 2.6.3 转轴 . 13 2.6.4 平动滑片 . 14 2.6.5 转轴轴承座和后端盖 . 14 2.7 本章小结 . 16 第 3 章 平动转子式压缩机系统分析 16 3.1 吸气与排气系统分析 . 17 3.2 润滑系统分析 . 18 3.3 本章小结 . 18 第 4 章 分析与计算 18 4.1 热力学分析与计算 . 18 4.1.1 热力学析 . 18 4.1.2 热力计算 . 23 4.2 运动分析与计算 . 26 4.2.1 平动转子运动分析与计算 . 26 4.2.2 滑片运动分析与计算 . 27 4.3 动力学模型 . 28 4.3.1 滑片受力分析 . 28 4.3.2 转子受力分析 . 30 nts IV 4.4 转子的动平衡计算 . 31 4.5 本章小结 . 32 第 5 章 制冷剂、润滑油及附件 32 5.1 制冷剂 . 32 5.1.1 选 用制冷剂时应满足的基本条件 . 32 5.1.2 改用 R134a 时采用的措施 . 33 5.2 润滑油的选择 . 34 5.2.1 选择润滑 油需满足 的要求 . 错误 !未定义书签。 5.2.2 选用 R134a 对润滑油的意义 . 35 5.3 附件 . 35 5.3.1 电磁离合器 . 35 5.3.2 轴封及密封 . 37 5.4 本章小结 . 38 结 论 39 参考文献 40 致 谢 41 附录 1 41 nts 1 第 1 章 绪 论 1.1 汽车空调的 历程 、 意义 和特点 1.1.1 汽车空调 历 程 汽车问世已有一百多年的历史。随着生活水平的逐步提高，汽车已成为人们生活中的必需品，成为房间生活的延伸部分。对房间环境的要求同样延伸到汽车上，空调便是其中一个重要内容。 汽车上安装空调装置的主要目的在于营造一个舒适的环境条件 1。 汽车空调是从暖气开始的，最初是用煤炭脚炉取暖及把排气管从车室内通过。第一台完整的汽车空调装置出现在 1927 年，它包括一个加热器、一套通风系统及一个空气过滤器。从 1936年起，美国开始着手研制汽车冷气机，到了 1940年 ， 美国 Packard公司首次在汽车上采用制冷装置，其后到 50年 代中在美国生产的 Nash牌轿车上安装了冷暖兼容的整体式空调装置， 60年代空调装置才开始在汽车上普及并获得迅速发展。根据粗略统计，截至 80年代末，全世界车用空调装置年产量已超过 3500万辆。发达国家中汽车空调的普及率达到 80% 90%，二十世纪末全世界汽车空调器市场的年需求量达到 7000万套。 10年功夫就翻一番，可见其发展速度之快。 我国从 1971年开始在长春一汽的红旗牌轿车上装上了空调器，上海也于 80年代初在上海牌轿车上装上了国产空调器。我国从 1994 年开始在桑塔纳轿车（新车型）上试装了国产 R134a空调器 。 我国车用空调装置虽起步较晚，但发展速度不慢。据统计， 1992年我国空调汽车的产量为 16 万辆，总保有量为 76万辆。到了 2000年空调车产量可达 88万辆，总保有量约 485万辆。不到 10年时间，增加 了 4 5倍。 1.1.2 汽车空调的 意义 汽车空调由五个要素组成，即温度、湿度、气流、洁净度和辐射。由于空调一定要有空气流动，一般由风机完成。风机的噪音及空气通过风道而产生的噪音使人感到不舒服，因而减少风机噪音及气流噪音也成了空调的任务 2。 调节温度是空调的主要任务。汽车空调首先是有暖气设备，其结构比较简单，轿车 和中小型汽车一般以发动机冷却水作为暖风的热源；而大型客车或严寒地区的车辆则常采用独立式加热器，夏季的降温则由制冷装置完成。 普通车辆一般没有调节湿度的功能； 高级车辆采用了冷暖合一的再加热式空调器，可以适量地对车内空气进行去湿处理，即靠制冷设备（蒸发器的冷却、去湿）去除空气中的绝对含湿量，再靠采暖设备（暖风芯子升温）降低空气的相对湿度。 汽车的空气调节装置主要用来实现对车内空气的换气、加热、冷却和除湿 。 同时 ,空调装置还起到净化空气的作用。汽车安装了空调装置 ,可以给驾驶员创造良好的工作环境。冬季使用暖风装置 ,可 使车室内空气温度适中 ,驾驶员不必穿着笨重的衣物 ,也不会因手脚过冷而影响驾驶 。 同时还可有效去除汽车门窗玻璃上的霜、雾 ,使驾驶员具有良好的视野 ,有利行车安全 。 夏季气温较高 ,驾驶员长时同行车容易疲劳、困倦 ,使用冷风装置可使车内温度、湿度适宜 ,改善司机的工作条件 。 安装空调装置已成为衡量汽车功能是否完备和豪nts 2 华的重要标志。 1.1.3 汽车空调的特点 汽车的室内工作条件比房间要恶劣得多，如汽车直接暴露在太阳下或风雪下，隔热措施困难；汽车在行驶时有大量风沙、废气从各种缝隙钻入车厢，造成车厢内的空气污染并增加热负荷；汽车的 行驶速度变化无常，难以保证稳定的空调工况等等。 汽车空调与家用空调的不同工作条件，可归纳成下表 1-1所示 3： 表 1-1 汽车空调与家用空调的不同工作条件 汽车空调 家用空调 工作环境温度 -30 100 -30 50 太阳辐射 大 可遮挡 换气频率 大 极少 振动 大 几乎没有 电源 12V/24V 110V/220V 直流 交流 制冷剂 R12 R134a R22 制冷能力 （ 2.15 5.8） kw（中、小型车） （ 1.9 4.1） kw 压缩机型式 开放式 封闭式 压缩 机转速变化 大 小 动力来源 汽车发动机 电动机 连接管道 软管 硬管 概括起来，汽车空调有下列特点： （ 1）要求制冷量大、降温迅速。 （ 2）不便于用电力作为动力源，必须要用汽车发动机（简称主机）或辅助发动机（简称辅机）来带动压缩机，因而在动力源的处理上比房间空调困难得多。 （ 3）系统中冷媒（制冷剂）流量变化幅度大，设计困难。 （ 4）冷凝温度高。 （ 5）制冷剂容易泄漏。 （ 6）由于汽车结构紧凑，制冷装置的安装位置也很紧凑，各种车型必需有专门的车内冷气设备，蒸发箱总成通用化很困难。 （ 7）由于车厢高度低 ，风量分配不易均匀，因而车内温度分布不易均匀。 1.2 汽车空调制冷系统的 构成 及其 原理 汽车空调制冷系统包括制冷压缩机、 冷凝器、贮 液干燥器、膨胀阀、 蒸发器和鼓风机等组成，各部件之间采用铜管（或铝管）和高压橡胶连接成一个密闭系统 3。 nts 3 图 1-1 轿车冷气系统外观 图 1-1是汽车制冷系统外观图，所有汽车的冷气系统都是由 4个主要部件所组成。 它们是： 压缩机、膨胀阀、蒸发器和冷凝器 2。 压缩机 (空调系统的心脏，用来压缩和输 送制冷剂 )； 膨胀阀 (一种节流装置，使制冷剂经过此装置流入蒸发器，在蒸发器里产生压力降 )； 蒸发器 (一种热交换器，液态制冷剂在低压下蒸发，使车厢里的空气得到冷却 )； 冷凝器 (一种热交换器，用来排除在蒸发器中被制冷剂所吸收的热量和压缩机在压缩制冷剂时所产生的热量 )。 制冷剂离开压缩机的排气口，经过冷凝器，使制冷剂冷却到液化点变成液态，此时热量被排到车厢外的大气中。然后制冷剂到膨胀阀，之后离开膨胀阀进入蒸发器。当制冷剂流过膨胀阀时，其压力下降，因而蒸发成气体状态，需要吸收热量。在此时，车厢内热而湿的空气通过蒸发器时， 碰到冰冷的金属管芯和传热片，空气骤冷下来，空气中的水汽被凝结附在金属壁而往下流，冷而干的空气经风机被送入车内。从蒸发器岁来的制冷剂，经过回气管，从压缩机的吸气口进入压缩机，就这样周而复始地进行循环。 1.3 汽车空调压缩机的发展历程 汽车业作为我国的支柱性产业，其发展是非常迅猛的。 2002年以来，我国 汽车 产量年均增长 45.8%， 07年有望达到 850万辆。 2006年底，汽车工业总产值占 GDP 的比重为 3.7%，与汽车相关产业的就业人数占 社会 就业总人数的 1/61 。 在汽车工业的带动下，随着人们对驾驶、乘坐舒适性要求的 普遍提高，汽车空调已逐步成为汽车中的重要配件，不仅在轿车、各种大、中型客车、旅游车上配备率极高，在重型矿用车、工程机械车和农用机车上也得到了配备。 1940 年美国白卡 (packard)公司第一次把机械制冷用于车用空调以来，汽车空调技术经过半个多世纪的迅猛发展己日臻完善。 nts 4 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 制冷压缩机也随之得到了迅猛发展。 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。自 1588 年拉迈尔利 (Rameli)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旋叶式压缩机。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、零部件少及工作寿命长等独特优点，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。 图 1-2 压缩机的布置 汽车空调压缩机与家用空调器的压缩机不同，它的负荷较大，运行工况相对恶劣，运行转速也经常变化。另外，由于压缩机靠皮带驱动，安装位置非常有限，车用空调压缩机对外形尺寸的要求也非常严格 。 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 4 5 。 曲轴连杆式： 属传统结构，工艺成熟，可靠性好。但震动较大，排气脉冲较大， 容易产生噪音。 斜板式 ：分回转斜盘式（双向活塞）和摇摆斜盘式（单向活塞）两种。现在应用最多的机型。 滚动活塞式 ：体积小，重量轻，效率高，但扭矩波动角度。 涡旋式 ： 结构紧凑，高效节能，微振低噪，可靠性高等特点 旋叶式 ：由于体积小，重量轻，启动力矩小，力矩平衡性能好等优势。 成为一种很有发nts 5 展希望的新机型。 1.4 汽车空调压缩机的特殊要求 制冷压缩机是汽车冷气系统的心脏，是推动制冷剂在冷气系统中不断循环的动力，起着输送制冷剂蒸气、保证制冷剂循环正常工作的作用 6 7。 由于这种压缩机是用在汽车空调上 ，在性能方面的要求就与一般用途的压缩机不同，因此，对汽车空调压缩机在性能和结构上提出了下列特殊要求： （ 1） 要求在低速行驶或怠速时具有效率高、制冷能力强的特点，而在高速行驶时要求输入功率低 ，这样不仅能节省油耗，而且能降低发动机用于空调方面的功率消耗，提高汽车动力性。 （ 2） 对于轿车等车型的汽车来说，压缩机必须在发动机和水箱风扇之间的有限空间内安装固定，因此要求压缩机的体积和质量都要小。 （ 3） 汽车在高温怠速情况下，发动机舱里的压缩机温度可达成 120 ；汽车行驶时颠簸振动也很大，要求压缩机在高温和颠振的情况下 能正常工作。 （ 4）对汽车的不利影响要小。 要求压缩机运转平稳、噪声低、 振动小，开、停压缩机时对发动机转速的影响不应太大，启动扭矩要小， 工作可靠。 （ 5）由于压缩机采用开式结构，要能经受恶劣的运行条件，对密封性能要求高。 1.5 滑片压缩机的结构形式与特点 滑片压缩机总体来说，主要有以下三种形式 4：单工作腔滑片压缩机，双工作腔滑片压缩机和贯穿滑片压缩机。单工作腔滑片压缩机的结构，是滑片压缩机的传统结构型式。图 1-3 为单工作腔滑片压缩机的横剖面图，它主要由机体（又称气缸）、转子及滑片等三部分组成。双工作腔滑 片压缩机是 70 年代才开发使用的新型旋转压缩机，图 1-4 为双工作腔 滑片压缩机的截面图。它由气缸、转子、滑片、两端盖、进排气孔口及排气阀等组成。贯穿滑片压缩机转子上的滑片是贯通的，整体滑片放在通槽中。 图 1-3 单工作腔滑片压缩机 图 1-4 双工作腔滑片压缩机 1.气缸 2. 转子 3.滑片 1.排气阀 2. 转子 3. 气缸 4. 滑片 5.吸气口 与其他压缩机相比，滑片压缩机具 有以下优点： （ 1） 结构简单、零部件少、加工与装配容易实现、维修方便。 （ 2） 运行平稳、噪声低、振动小。由于无偏心旋转的零部件，动力平衡性能好，尤其在高速运动时振动和噪声很小。 nts 6 （ 3） 起动冲击小。滑片起动时逐步伸出，惯性和静摩擦转矩小，因而起动转矩缓慢上升，减少了起动冲击。 （ 4） 效率高。由于没有吸气阀，余隙膨胀不直接影响吸气基元，因而使吸气损失减少，容积效率提高。 （ 5） 结构紧凑 、体积小、重量轻，便于狭窄空间安装，因而比较适合汽车空调使用。 （ 6） 压缩机中多个基元同时工作，因此容积流量比较大、流量均匀、脉动性小 、不需安装很大的贮气器。 （ 7） 滑片顶部与气缸内表面发生磨损时，滑片能自动伸长进行补偿，从而可延长使用寿命。 滑片压缩机的主要缺点是滑片与转子 、气缸之间的机械摩擦比较严重，产生较大的磨损和能量损失，因此使用寿命和效率较低。近年来围绕降低摩擦损失进行了不懈的努力，出现了许多新颖的结构。此外，虽然滑片寿命现在已能突破 8000h，但取决于材质、加工精度及运行条件，故它仍是影响滑片压缩机运转周期的一个因素。 1.6 涡旋压缩机的结构形式与特点 涡旋压缩机是一种新型的旋转 溶剂式压缩机。涡旋压缩机主要由固定涡旋体（定 片，又称警涡旋盘）、动涡旋体（动片，又称动涡旋盘）、止推机构（由刚球、推力环和止推垫圈组成）、偏心回转机构（由传动轴、偏心套、销子组成）、密封装置及排气阀组件等组成，参见图 1-58。 图 1-5 涡旋压缩机 1.前板； 2.皮带轮； 3.线圈； 4.加液服务阀； 5.机体； 6.排气口； 7.吸气口； 8.过热安全阀； 9.连接螺钉；10.平衡重； 11.轴承； 12.推力轴承； 13.平衡块； 14.密封条； 15.固定涡旋体； 16.动涡旋体 nts 7 图 1-6 涡旋式压缩机 涡旋压缩机的主要优点： （ 1） 密封性好，容积效率高，一般可达 90以上，低速时也可达 80，而一般往复式压缩机的容积效率只有（ 55 77）。涡旋压缩机的轴向密封是靠接触（刀片状密封装置），密封性好，低压进气腔与高压进气腔不直接相邻，中间还形成有中间压力的腔室，因此相邻腔室的压力差小，气体内部泄漏量少。压缩过程接近于绝热压缩，绝热效率比往复式高 10左右。两个涡旋片之间的接触也是线接触，不需要吸气滑片。这些原因造成容积效率高，因此单位制冷量所消耗的功 率可减少（ 10 30）。 （ 2）体积小，重量轻，有高速旋转可能。因为可动体的运动半径只有（ 4 5） mm，两个涡旋体之间的相对摩擦速度非常低，（是多刮片式的 1/10，通常只有 3m/s），可动体的惯性力小，容量平衡，可以实现高速运行。轴承载荷均匀，机械磨损小，从而起动扭矩和工作扭矩非常小，可采用小直径离合器，而且工作寿命长，运行可靠。最高连续转速可达 10000r/min。 （ 3） 动作平稳，噪音低。完成一个压缩过程要转动 2.5 圈，吸、压、排三个过程同时连续进行，扭矩变动小，振动小。 （ 4）排气温度低，可使用普通 冷冻机油。 （ 5）结构简单，零件数少。主要零件仅为往复式的 1/10。 涡旋式压缩机采用转子平动转动的工作方式，其机械效率和容积效率固然很高，但它的涡盘结构对制造、装配和检测等环节要求极严，因而制造成本十分高昂。 1.7 本章小结 本章从汽车空调着手，主要介绍了汽车空调的发展简史、作用和特点。接着介绍了汽车空调制冷系统的组成和原理。进而引深到汽车空调压缩机的发展、要求和其两种结构 滑片压缩机和涡旋压缩机的结构形式、特点及其优缺点 。 第 2 章 平动转子式压缩机 2.1 设计方案的提出 滑片式压缩机因具有体积 小、重量轻和结构简单等优点而被广泛应用于制冷与空调领域，尤其是它的结构非常紧凑，因此十分适合用作汽车空调压缩机。但是，该类压缩机存nts 8 在有一个明显的缺陷，这就是它的摩擦损失比较大，大约占到了压缩机全部耗功的 29%。究其原因，主要是该类压缩机的运动副如滑片与缸孔、滑片与转子、转子与端盖之间存在有很大的相对运动速度，因此导致了比较大的摩擦与磨损。显然，降低上述关键运动副的相对运动速度是提高滑片式压缩机机械效率和工作寿命的有效手段之一。 当前，通过降低运动副的相对运动速度来实现减少摩擦的技术方案有好几种，主要有 同步 回转式压缩机结构、旋转缸套式压缩机结构 45以及平动转子式压缩机结构，上述措施各有千秋，其中平动转子式压缩机的基本思路是将涡旋压缩机的平动机构移植到滑片式压缩机，亦即让转子采用平动转动的工作运转方式，一方面充分利用平动转动回转半径小的特点来降低压缩机各主要运动副之间的相对运动速度，另一方面保留了传统滑片式压缩机结构简单和制造方便的优点，因此该类压缩机从原理和结构上均反映有涡旋压缩机和滑片式压缩机的一些特征，是一种值得探讨的新型旋转式压缩机。 2.2 研究的意义 斜盘式压缩机是 现在汽车空调压缩机中采用 的主要机型。由于旋叶式压缩机体积小、重量轻、启动力矩小、力矩平衡性能好以及涡旋压缩机的结构紧凑、高效节能、微振低噪、工作可靠性高等特点，是汽车空调压缩机今后的发展趋势，但旋叶式压缩机存在着摩擦损耗较大的问题。斜盘式压缩机是现在汽车空调压缩机中采用的主要机型。由于旋叶式压缩机体积小、重量轻、启动力矩小、力矩平衡性能好以及涡旋压缩机的结构紧凑、高效节能、微振低噪、工作可靠性高等特点，是汽车空 调压缩机今后的发展趋势，但旋叶式压缩机存在着摩擦损耗较大的问题 .,如图 2-1 所示 图 2-1 旋叶式压缩机消耗图 2.3 平动转子式压缩机的工作原理 平动转子式压缩机由气缸、平动转子、滑片、端盖和进排气阀等零部件组成，另外还有引导转子作平动转动的机构，与涡旋式压缩机相似，平动转子式压缩机的平动机构可以采用十字滑环机构、球形联轴器机构、钢球 /环槽组合机构和柱销 /孔组合机构等等。 nts 9 图 2-2 平动转子式压缩机结构示意图 1.电磁离合器 2.进气口 3.平衡块 4.左端盖 5. 偏心轴颈 6.右端盖 7.滑片 8.平动转子 9.缸体 10.柱销 11.弹簧 12.簧片阀 图 2-2 给出的是基于柱销 /孔平动机构的平动转子式汽车空调压缩机的结构示意图，其中转子偏置在气缸内，转子的外圆表面与缸孔保持接触配合，滑片在背压、离心惯性力以及弹簧的共同作用下保持与缸孔壁面接触密封。转子受转轴上的偏心轴颈驱动，并在平动机构的约束下做平动转动，图 2-3 给出了该压缩机运转时平动转子处在四个极限位置时的状态，容易看出，转子确实是在做平动转动，这是平动转子式压缩机与传统滑片式压缩机的最大不同之处。 图 2-3 平动转子工作状态示意图 平动转子压缩机的工作原理是：由转子的外表面、缸孔的内圆面以及两侧端盖构成一个封闭的月牙形空间，该空间被滑片分隔成为若干个排气腔和吸气腔。当转子转动时，吸气腔的容积逐渐增大，气态的工质经吸气口被吸入其内；与此同时，排气腔的容积逐渐减少，被封闭在其内的工质受到压缩，压力逐渐上升，当压缩压力达到足够高时工质就会推开簧片单向阀而排出排气腔。在图 2-2 所示的实施例中，采用了两滑片结构，为此设置了两组排气组件，平动转子每旋转一周共发生两次排气，高压排气 经油气分离器后从排气口排出压缩机外，润滑油则被分离出来流回油池后再通过压差输送到各运动副。 nts 10 2.4 平动转子式压缩机的基本结构 平动转子式压缩机由机架、转轴、平动机构、平动转子、气缸、 滑片 等零部件组成，图 2-4给出了该压缩机的横剖视图，其中平动转子偏置在气缸孔内，平动转子的外表面与缸孔接触配合，转轴的轴线与平动转子的轴线平行设置，两者的偏心距即为平动转子的平动转动半径，转轴的一端与电磁离合器相连并受其驱动，转轴的另一端伸出一个偏心轴颈插入平动转子的轴孔内并驱动其转动。本平动转子式压缩机的最大特点是采用 柱销与 孔组合连轴器防自转 机构来引导转子作平动转动，区别于涡旋压缩机，平动转子式压缩机摒弃了涡盘结构而将转子做成圆环状，这样不仅制造简单而且容易保证装配精度；另外区别于旋叶式压缩机，平动转子式压缩机的叶片不再贴着缸孔壁面高速滑行，因而它的摩擦损失与磨损有望减少，机械效率和工作寿命有望提高。 图 2-4 平动转子式压缩机结构示意图 1.柱销 2. 排气口 3. 平动转子 4.缸体 5. 转轴偏心轴颈 6.进气口 7.滑片 2.5 平动转子式压缩机的总体特点 平动机构是目前涡旋压缩机 的一个重要组成部件，其形式主要有十字滑环机构、球形联轴器机构、柱销 /孔组合机构、钢球 /环槽组合机构等等， 考虑到制造方便，平动转子式压缩机采用十字滑环机构，如图 2-5 所示，十字滑环是一个封闭圆环，两侧各有一对相位相差 90并对称布置的矩形凸键，其中一对矩形凸键与转子背面的一对键槽相配合，另外一对矩形凸键则与机架上设置的一对键槽相配合 9 10。在十字滑环的限制下，当转子受到转轴的驱动而转动时，其运动只能是平动转动。 十字滑环的优点是具有自动调心功能，可以消除轴心偏移，另外十字滑环机构的结构十分简单，制造 及装配非常简单。十字滑环的主要缺陷是滑块凸键与滑槽之间存在滑动摩擦，容易造成滑块磨损，因此必须对该运动副加强润滑并注意控制滑块与滑槽的配合间隙。 nts 11 图 2-5 十字环及其运动规律 为了分析十字滑环的运动规律，设 x 方向为机架上的滑槽方向， y 方向为转子背面上滑槽的方向，注意机架滑槽是静止的，而转子滑槽是运动的，由于凸键依滑环直径方向布置，所以十字滑环的中心落在 x 的轴线上并做往复运动 6。不难看出，十字滑环上任意点在 x 轴上的投影运动是一个简谐运动，因此十字滑环中心在 x 轴上的位移为 )sin(ex （ 2-1） 式中， e 为转子中心相对与转轴中心的偏心距，为转轴的回转角速度。 对（ 2-1）式求导，得十字滑环的运动速度为 )c o s ( eddxv （ 2-2） 十字滑环的运动加速度为 xed xda 2222 )s in ( （ 2-3） 由上面的式子可以看见，十字滑环在机架上滑槽中的两极端位置时加速度最大，在中间位置时加速度为零，其加速度的数值大小与偏心距 e、角速度的平方成正比。由于这个加速度的存在，使得十字滑环存在惯性力并引起振动，所以应尽量减少十字滑环的质量以降低惯性力。另外，根据涡旋式压缩机的使用经验，凸键 /动滑槽上的受力比凸键 /静滑槽上的受力要大，且受力变化急剧，因此十字滑环上与转子滑槽配合的凸键更加容易出现摩擦和磨损，此时可采取一些工艺措施如 对其进行适当的表面处理，比如氮化处理或者磷化处理等。 2.6 平动转子式压缩机重要部件的设计 本压缩 机的关键零部件主要有缸体、转子、平动滑片、转轴 、后端盖和转轴轴承座等等。先就他们的结构、选材和工艺特点进行分述 ： 2.6.1 缸体 缸 体是压缩机进行气体压缩的关键部位，它关系到整个压缩机的摩擦、泄露和效率，直接影响到压缩机的性能。所以，无论气缸在设计还是制造过程中都要求非常高。 其结构如图 2-6 所示 。 nts 12 图 2-6 缸体 从结构可知，该结构采用 4 个定位套和 6 个定位孔，通过采用长螺栓将轴承座、缸体和后端盖连接 固定在一起，从而固定转子不会左右晃动。而为了保持轴承座、缸体及后端盖三者能紧固一起转动，故要求螺栓与其的连接采用紧固螺栓连接，并采用过盈配合。缸体的外部与壳体相配，而其内孔会与转子相碰撞（转子运动时），故其内表面的粗糙度精度要求相对会高些，希望达到 Ra0.8 m。缸体的两端分别与轴承座和后端盖相紧密配合，故要求其两端的表面粗糙度能达到 Ra0.2 m。同时其 配合精度尤其是形位公差要求却很高，是本压缩机必须重点控制的零部件之一。 其 六个螺栓孔 8 的分布有特殊要求， 中间螺栓两孔的中心线与竖直中心线相重合 。两边 螺栓孔 的夹角分别为 060 0和 45 。在两个螺栓孔的两头对称地加工 10 深 10 安装定位孔，用于安装时插入厚为 1.5mm 的套筒，保证安装时缸体、转子轴承座、后端盖三者在同一直线上 。缸体两侧切出一个平台，用于安装 簧片 阀 ，便于加工排气孔。 而对于其在此结构中的吸排气设计来说，我们 采用 轴 向吸气， 径向排气。 对吸气口来说，只须保证其位置度，且其位置度要求也不高，而其吸气口尺寸公差可为自由公差， 加工较为简单和方便，其粗糙度要求不高，比曲轴连杆式少了吸气阀 。 排气口 的 尺寸要求也不高，同样只须保证位置度要求 转子高速地在型腔内转动，缸体承受的摩擦非常大，因而缸体要选择耐磨的材料。又为了减轻压缩机的总体质量和经济性及材料来源的方便性等综合考虑 确定选用 硼合金铸铁 为 气缸 材料 。 2.6.2 转子 其结构如图 2-7 所示 nts 13 图 2-7 转子 从结构可知，该结构采用 3 个平动柱销与后端盖相连（ 3 个柱销用复位弹簧相连在一起，从而带动实现转子做平动）而转子与转轴之间采用滚针轴承相连。转子两端分别与轴承 座和后端盖紧密相连，故要求转子的两端保持尖角。而且其外面的表面粗糙度要求也较高，尽可能达到 Ra0.4um。 本结构在选材上从以下几方面来考虑： （ 1） 从耐磨性来考虑：因为在安装叶片的轴径它 要经常和气缸的内圆摩擦，所以那段轴径就得要求耐磨。 （ 2） 从强度来考虑：因为安装叶片的槽的一侧材料的厚度的问题，在同一厚度的基础上，必须选择一种材料能达到一定的强度，以保证轴的寿命 。 （ 3） 从工艺的实现和简单化来考虑。 最后确定选用 QT600-3（ 稀土镁球墨铸铁 ） 为 转子 的材料 2.6.3 转轴 其结构如图 2-8 所示 图 2-8 转轴 从结构可知， 转轴的形状较为复杂，受力状况非常恶劣，其下端与电机转子过1 0.017453 0.017452 0.999848 0.999695 0.983105 0.991517 1.9907092 0.034907 0.034899 0.999391 0.998782 0.983121 0.991524 3.980783 0.05236 0.052336 0.99863 0.997261 0.983146 0.991537 5.9695764 0.069813 0.069756 0.997564 0.995134 0.983182 0.991555 7.956465 0.087266 0.087156 0.996195 0.992404 0.983228 0.991579 9.9407966 0.10472 0.104528 0.994522 0.989074 0.983285 0.991607 11.921957 0.122173 0.121869 0.992546 0.985148 0.983351 0.991641 13.899298 0.139626 0.139173 0.990268 0.980631 0.983427 0.991679 15.872189 0.15708 0.156434 0.987688 0.975528 0.983514 0.991723 17.8399910 0.174533 0.173648 0.984808 0.969846 0.98361 0.991771 19.802111 0.191986 0.190809 0.981627 0.963592 0.983715 0.991824 21.7578812 0.20944 0.207912 0.978148 0.956773 0.983831 0.991882 23.706713 0.226893 0.224951 0.97437 0.949397 0.983955 0.991945 25.6479614 0.244346 0.241922 0.970296 0.941474 0.984089 0.992013 27.5810215 0.261799 0.258819 0.965926 0.933013 0.984232 0.992085 29.5052916 0.279253 0.275637 0.961262 0.924024 0.984384 0.992161 31.4201417 0.296706 0.292372 0.956305 0.914519 0.984545 0.992242 33.3249918 0.314159 0.309017 0.951057 0.904508 0.984714 0.992327 35.2192219 0.331613 0.325568 0.945519 0.894005 0.984891 0.992417 37.1022420 0.349066 0.34202 0.939693 0.883022 0.985077 0.99251 38.9734621 0.366519 0.358368 0.93358 0.871572 0.98527 0.992608 40.832322 0.383972 0.374607 0.927184 0.85967 0.985472 0.992709 42.6781723 0.401426 0.390731 0.920505 0.847329 0.98568 0.992814 44.5104924 0.418879 0.406737 0.913545 0.834565 0.985896 0.992923 46.328725 0.436332 0.422618 0.906308 0.821394 0.986118 0.993035 48.1322426 0.453786 0.438371 0.898794 0.807831 0.986348 0.99315 49.9205527 0.471239 0.45399 0.891007 0.793893 0.986583 0.993269 51.6930628 0.488692 0.469472 0.882948 0.779596 0.986825 0.993391 53.4492529 0.506145 0.48481 0.87462 0.76496 0.987072 0.993515 55.1885730 0.523599 0.5 0.866025 0.75 0.987325 0.993642 56.9104931 0.541052 0.515038 0.857167 0.734736 0.987583 0.993772 58.6144832 0.558505 0.529919 0.848048 0.719186 0.987846 0.993904 60.3000333 0.575959 0.544639 0.838671 0.703368 0.988113 0.994039 61.9666234 0.593412 0.559193 0.829038 0.687303 0.988385 0.994175 63.6137635 0.610865 0.573576 0.819152 0.67101 0.98866 0.994314 65.2409436 0.628319 0.587785 0.809017 0.654508 0.988939 0.994454 66.8476837 0.645772 0.601815 0.798636 0.637819 0.989221 0.994596 68.433538 0.663225 0.615661 0.788011 0.620961 0.989506 0.994739 69.9979339 0.680678 0.62932 0.777146 0.603956 0.989793 0.994883 71.540540 0.698132 0.642788 0.766044 0.586824 0.990083 0.995029 73.0607541 0.715585 0.656059 0.75471 0.569587 0.990374 0.995175 74.5582542 0.733038 0.669131 0.743145 0.552264 0.990667 0.995322 76.0325443 0.750492 0.681998 0.731354 0.534878 0.990961 0.99547 77.4831944 0.767945 0.694658 0.71934 0.51745 0.991255 0.995618 78.909845 0.785398 0.707107 0.707107 0.5 0.99155 0.995766 80.3119346 0.802851 0.71934 0.694658 0.48255 0.991845 0.995914 81.6891947 0.820305 0.731354 0.681998 0.465122 0.992139 0.996062 83.04117nts48 0.837758 0.743145 0.669131 0.447736 0.992433 0.996209 84.367549 0.855211 0.75471 0.656059 0.430413 0.992726 0.996356 85.6677850 0.872665 0.766044 0.642788 0.413176 0.993017 0.996503 86.9416651 0.890118 0.777146 0.62932 0.396044 0.993307 0.996648 88.1887652 0.907571 0.788011 0.615661 0.379039 0.993594 0.996792 89.4087453 0.925025 0.798636 0.601815 0.362181 0.993879 0.996935 90.6012554 0.942478 0.809017 0.587785 0.345492 0.994161 0.997076 91.7659655 0.959931 0.819152 0.573576 0.32899 0.99444 0.997216 92.9025456 0.977384 0.829038 0.559193 0.312697 0.994715 0.997354 94.0106757 0.994838 0.838671 0.544639 0.296632 0.994987 0.99749 95.0900558 1.012291 0.848048 0.529919 0.280814 0.995254 0.997624 96.1403859 1.029744 0.857167 0.515038 0.265264 0.995517 0.997756 97.1613760 1.047198 0.866025 0.5 0.25 0.995775 0.997885 98.1527361 1.064651 0.87462 0.48481 0.23504 0.996028 0.998012 99.114262 1.082104 0.882948 0.469472 0.220404 0.996275 0.998136 100.045563 1.099557 0.891007 0.45399 0.206107 0.996517 0.998257 100.946464 1.117011 0.898794 0.438371 0.192169 0.996752 0.998375 101.816765 1.134464 0.906308 0.422618 0.178606 0.996982 0.99849 102.65666 1.151917 0.913545 0.406737 0.165435 0.997204 0.998601 103.464367 1.169371 0.920505 0.390731 0.152671 0.99742 0.998709 104.241268 1.186824 0.927184 0.374607 0.14033 0.997628 0.998814 104.986669 1.204277 0.93358 0.358368 0.128428 0.99783 0.998914 105.700270 1.22173 0.939693 0.34202 0.116978 0.998023 0.999011 106.381971 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