PASSAT汽车空调性能台架设计

第一章 绪论PASSAT汽车空调性能台架设计摘要随着汽车工业的快速发展，人们对汽车舒适性提出了更高的要求，汽车空调是反映汽车舒适性重要指标之一，为了更好的掌握汽车空调系统的组成、工作原理、性能测试、故障模拟等方面的知识，这就需要研制汽车空调性能实验台，该试验台可以满足教学工作的需要，并能完成汽车空调相关性能测试。本文主要围绕汽车空调系统匹配设计、实验台主体设计、性能试验、故障模拟等几个方面进行。首先，借鉴相关文献整理出计算整车热负荷的计算方法，以及汽车空调匹配设计方法，然后所需研究的车型进行整车热负荷计算，确定汽车空调系统所需的制冷量，对汽车空调系统进行热力计算，完成汽车空调各部分的选配，并选定动力源。完成汽车空调系统的匹配设计。其次，对汽车空调系统在实验台上的布置要求、部件设计安装等进行研究分析，确定实验台主体结构，完成汽车空调系统各部分支撑横梁的设计，布置实验台显示面板。介绍实验台操作方法。最后对汽车空调系统进行整机性能试验设计，确定了四项整机性能试验：运转试验、制冷量试验、最大负荷制冷量试验、凝露工况试验。这几项试验可以直观的体现汽车空调制冷性能强弱。通过资料收集，对汽车空调系统常见的几种故障进行故障模拟，并提出解决办法。本论文对汽车空调性能实验台的研制、汽车空调系统的设计方法具有一定的参考意义。关键词：汽车空调、实验台、性能试验AbstractWith the rapid development of automobile industry, people put forward higher demands for car comfort, car air conditioning is one of the important indicators reflect the car comfort, in order to better master the car air conditioning system composition, working principle, performance test and fault simulation knowledge, this would require the development of automobile air conditioning performance test bench, the bench can meet the needs of teaching, and the automobile air conditioning to complete related performance tests. This paper mainly focuses on the matching design of automobile air conditioning system, the main design of the experimental bench, performance test, fault simulation and other aspects.First, draw lessons from the literature sorting out of the vehicle of the heat load calculation method, and the automobile air conditioning matching design method, and then the research models of vehicle thermal load calculation, determine the car air conditioning refrigerating capacity required by the system, the thermodynamic calculation for car air conditioning system, complete automotive air conditioning parts matching, and the selected power supply. Complete the matching design of automobile air conditioning system.Secondly, the layout requirements and component design and installation of automobile air conditioning system on the experimental bench were studied and analyzed to determine the main structure of the experimental bench, complete the design of supporting beams for each part of the automobile air conditioning system, and arrange the display panel of the experimental bench. The operating method of the experimental bench is introduced.Finally, the performance test design of the automobile air conditioning system is carried out, and four performance tests are determined: operation test, cooling capacity test, maximum load cooling capacity test and condensation condition test. These tests can directly reflect the performance of automotive air conditioning. Through data collection, several common faults of automobile air conditioning system are simulated, and the solutions are put forward.This thesis has certain reference significance to the research and development of automobile air conditioning performance test bench and the design method of automobile air conditioning system.Key words: automobile air conditioning, test bench, performance test目录第一章 绪论- 4 -1.1课题研究的目的及意义- 4 -1.2课题研究内容- 4 -1.3 汽车空调的研究现状- 4 -1.4 汽车空调的发展趋势- 5 -1.5 本文主要研究流程- 5 -1.5.1 课题设计的目的- 5 -1.5.2 课题设计的内容- 6 -1.6 本章小结- 6 -第二章 汽车空调制冷性能实验台设计及参数匹配- 6 -2.1 汽车空调制冷系统概述- 6 -2.1.1 汽车空调制冷系统的作用- 6 -2.1.2 汽车空调制冷系统的工作原理- 6 -2.2 空调性能实验台的功能设计- 7 -2.2.1 实验台功能- 7 -2.2.2 实验台控制系统- 8 -2.3 汽车空调各部分参数匹配- 8 -2.3.1 压缩机参数- 9 -2.3.2 换热器参数- 9 -2.4 电动机的选型- 9 -2.4.1 电动机功率计算- 9 -2.4.2 电动机总传动比计算- 9 -2.4.3- 9 -2.5 性能实验设计- 9 -2.5.1 运转性能实验- 9 -2.5.2 制冷量实验设计- 9 -2.5.3 最大负荷制冷量实验设计- 10 -2.5.4 凝露工况实验设计- 10 -2.6 本章小结- 10 -第三章 实验台架的设计及装配- 11 -3.1 设计的目标- 11 -3.2 实验台架车型选择- 11 -3.3 实验台控制板面设计- 11 -3.4 实验台架设计- 11 -3.4.1 台架主框架设计- 12 -3.4.2 电动机与压缩机支撑横梁的设计- 12 -3.4.3 蒸发器台架的设计- 12 -3.4.4 空调压缩机架的设计- 13 -3.4.5 鼓风机架的设计- 13 -3.4.6 冷凝器架的设计- 13 -3.4.7 实验台架总体布局- 13 -3.5 实验台架各部分装配- 13 -3.6本章小结- 13 -第四章 实验数据采集及计算- 13 -4.1 制冷量实验数据采集分析计算- 13 -4.2 输入功率数据采集分析计算- 14 -根据- 14 -4.3 最大负荷制冷实验- 14 -4.4 凝露工况实验- 14 -4.5 本章小结- 14 -第五章 汽车空调系统实验台故障模拟及故障排除- 14 -5.1 压缩机故障模拟及故障排除- 14 -5.2 冷凝器故障模拟及故障排除- 14 -5.3 实验台故障模拟及故障排除- 14 -5.4 本章小结- 14 -结论- 14 -参考文献- 14 -致谢- 14 -第 1 章 绪论1.1 汽车空调性能台架研究的意义及目的随着科技的发展和人们生活水平的提高，汽车已经走进了千家万户，成为人们必要的交通工具。汽车工业的快速发展，使得汽车的功能越来越完善。人们在重视汽车的动力性、安全可靠性的同时，对汽车舒适性也提出了更高的要求。汽车空调的性能是对车体内舒适性最直接的体现。所以汽车空调行业得到了飞速的发展，汽车空调也正在向着轻量化、高效化的方向发展。提升工作效率的同时降低汽车空调的功耗，也是如今主要的技术研究方向之一。汽车空调性能实验台可以对汽车空调的性能进行检测，并根据检测的结果对空调性能进行评价。本课题的选定对汽车空调的理论研究方面和实践具有重大意义。在理论方面，我们可以针对空调性能的检测结果进行分析，找出空调性能不足之处，并针对其不足进行深入研究，攻克这一技术难题，使得空调的发展起到助力的作用。在实践方面，当实验台用于汽车空调的维修方面时可以准确的找出故障加以维修，在教学方面，解决理论知识和实际情况不对称的难题，强化学生自身的能力。汽车空调性能实验台研究的目的是：通过设计的汽车空调性能实验台，对汽车空调系统整机进行试验，试验内容为制冷量试验、最大负荷制冷工况和凝露工况进行实验。同时将教学形式由老师的理论传授转变为由学生直接动手操作实验台，解决了理论知识和实际操作脱节的问题，使教学工作更加顺利的开展。能激发学生的学习兴趣和热情；有助于发展学生的观察能力、形象思维能力，促进学生对汽车空调系统的工作原理、作用及故障诊断方法等知识的吸收消化，更好的完成汽车空调制制冷性能的相关实验。能够将理论和实践相结合，提高教学效果。1.2 本文主要研究流程1.2.1 课程研究内容因为汽车空调的功率较小，可以利用电机作为空调系统的动力源。空调实验台可以更加灵活的对汽车空调系统进行相关性能、原理、故障等试验，还可以为教学工作提供服务。所以本文对汽车空调系统进行研究，并完成汽车空调系统的匹配设计，对实验台架进行设计，完成汽车空调系统在实验台上的布置。制定并完成空调性能的相关试验，对PASSAT汽车全自动空调进行相关电路故障模拟。1.2.2 课程设计的步骤以设计汽车空调系统性能实验台架为基础目标，对汽车空调系统整机进行试验，以 PASSAT B5 汽车空调系统作为测试对象分为以下六个步骤：（1）根据相关文献资料了解汽车空调的研究现状和发展趋势。（2）对汽车空调系统进行研究，明确汽车空调制冷系统和控制系统的工作原理。（3）根据PASSAT汽车空调基本参数，对汽车空调换热系统进行参数匹配计算，根据计算结果选定动力源。完成汽车空调换热系统的设计。（4）根据空调系统完成实验装置设计，绘制实验装置图、各部分台架零件图、实验台总布置图，并完成装配。（5）根据汽车空调的相关标准，制定空调性能的相关试验，采集相关实验数据并进行整理计算，对不同工况下汽车空调系统性能进行研究分析。（6）对汽车全自动空调常见的电器故障进行模拟并提出解决办法。1.3 汽车空调的研究现状汽车空调作为如今现代汽车的标准配置，是对汽车舒适性能评定的重要指标之一。随着现代科技的进步，新的空调技术在汽车上慢慢的得到了尝试和应用。传统汽车空调的空间已经逐步缩小，需要进行技术革新来解决目前的难题。当前，国内汽车空调系统大多采用HFC-134a作为制冷剂，同时利用发动机的余热来对车厢进行加热与除霜。但是汽车的发展使得汽油、柴油的利用率也变高，所产生的多余的热量也变少。新能源汽车都在以牺牲汽车的里程和动力性能为代价来维持空调系统的运行。目前汽车空调技术的发展主要是围绕着保护环境、提高效率、节能节材、减轻重量缩、小体积、降低震动与噪声、操作维修简便、安全可靠等几个方面展开，并且总是与汽车开发同步进行3。电子技术与材料技术的发展，传感器与自动控制系统在汽车空调方面得到了大量应用。自动控制系统可通过传感器获得的参数进行分析，再通过执行元件完成对温度的调节。1.4 汽车空调的发展趋势随着新能源汽车技术的完善，汽车的发展方向正在向着电动、混动的方向发展。传统的利用燃油余热工作的汽车空调系统逐渐被淘汰，所以可以满足新能源汽车的空调系统将是未来的发展趋势。压缩机正在向着体积、噪音小、降低功耗和提高工作效率的方向上发展。换热器主要是向着提高换热比、降低热阻以及减少体积和重量等方向发展。全自动控制系统向着智能化、网络化的方向发展。1.5 本章小结对汽车空调性能实验台的研究目的进行阐述，解释对实验台研究的必要性，同时说明本课题的研究对于汽车空调实验台有怎样的研究意义。对实验台的研制的主要内容进行介绍。然后对空调系统的研究现状和发展趋势进行总结，为汽车空调系统设计提供了理论的基础。第二章 汽车空调系统组成及工作原理2.1 汽车空调系统的组成及作用现代汽车空调系统由四个系统组成，分别是制冷系统、供暖系统、通风系统、控制系统组成。汽车空调系统的作用有以下四种：1、 汽车空调能控制车厢内的气温,既能加热空气,也能冷却空气,以便把车厢内温度控制到舒适的水平。2、 能够排出空气中的湿气，干燥空气吸收人体汗液,以营造更舒适的环境。3、 可吸入新风,具有通风功能。4、 可过滤空气,排除空气中的灰尘和花粉。2.3 汽车空调各系统的工作原理2.3.1 汽车空调制冷系统的组成及工作原理汽车空调制冷系统结构由压缩机、冷凝器、储液干燥器、膨胀阀、蒸发器和鼓风机等组成5。制冷系统的工作原理就是制冷剂在不同部件中不同形态转换的过程。制冷循环基本分为以下五个过程：（1） 压缩过程：压缩机将流经蒸发器的低温、低压的气态制冷剂吸入，将制冷剂压缩成高温、高压的气态的形式，然后将其输送到冷凝器之中6。（2） 冷凝过程：冷凝器将高温、高压的气态制冷剂进行降温，使其转变为中温高压的液态形式。而后进入到储液干燥器之中。（3） 干燥过程：储液干燥器对中温高压的液态制冷剂进行干燥过滤，除去制冷剂从冷凝过程中携带的杂质和水分，而后送入节流阀。并储存小部分的制冷剂7。（4） 膨胀过程：经过滤后的中温高压的液态制冷剂，经节流阀通过节流原理对当前状态制冷剂进行泄压，使其膨胀成低压雾状的气液混合物，并送入蒸发器。（5） 蒸发过程：低压雾状的气液混合状态下的制冷剂在蒸发器中，吸收周围的热量而气化。最后由鼓风机将周围冷却的空气吹入车厢内部。 工作原理图如图2-1所示：图2-1 汽车空调制冷工作原理图2.3.2 汽车空调供暖系统的组成及工作原理小型汽车的空调供暖系统通常采用余热式水暖系统，该系统由由加热器芯、水阀、鼓风机、控制面板等组成。余热式水暖系统就是利用发动机冷却循环水的余热作为热源，将高温的冷却水引入带有加热器的蒸发器中使之升温。汽车空调供暖系统温度调节的方式有两种，一种是水流调节型、一种是空气混合型8。水流调节型是通过水阀控制进入加热器芯的水量，进而调节供暖系统的加热量，可通过控制面板的调节旋钮进行控制9。如图2-2所示：图2-2水流调节型空气混合型是在暖风的气道中安装空气混合调节风门，该风门可以控制通过加热器芯的空气和不通过加热器芯的空气的比例，从而实现温度调节10。如图2-3所示：图2-3 空气混合型2.3.3 汽车空调控制系统的组成及工作原理全自动空调控制系统主要由组成有空调控制面板电脑（内置面板温度传感器）、蒸发箱总成、鼓风机总成（内含转速放大器），冷凝器、散热风机，压缩机及电磁离合器皮带轮总成，执行器还有新鲜空气进风口伺服电机，可选择室内空气还是室外空气循环模式；温度风门伺服电机是控制打开或关闭通 往暖风水箱风道的风门开度，使混合后的输出空气温度达到设定温度。中央出风口伺服电机控制中央风口的风量和开度。脚部伺服电机控制输出空气吹向脚部还是前窗。 传感器主要有制冷管路压力传感器，内含两个压力阀开关，低压开关接通表示压力正常，若低压开关不通，压缩机和散热风机不工作。压力开关的高压阀接通强制散热风机高速转动。新鲜空气温度传感器检测室外进风口空气温度，环境温度传感器检测车辆头部空气温度，当发动机运转而车速低于18KM/H，取新鲜空气温度传感器信号作为环境温度，因为此时环境温度传感器会受冷凝器温度影响，大于 18 公里两个传感器检测的温度不同时，电脑以温度低的作为环境温度，脚部温度传感器检测仪表台下方温度，中央出风口传感器检测出风温度，光照传感器检测阳光的强度，空调电脑根据传感器信号控制空调的出风量和出风温度。2.3.4 汽车空调通风系统的组成及工作原理通风系统主要由主要由鼓风机风扇、进出口风门、空气混合门及通风管路等组成11。汽车空调的通风方式有三种自然通风、强制通风、综合通风。自然通风也就是空调系统中所指的外循环，是利用汽车行驶过程中车身内外表面产生的风压差，在恰当的地方开设通风口，进气口通常设置在副驾驶的前方，空气经过空气室盖板后通过车身上的通风口后进入室内，排气口也称泄压口设置在左右侧围钣金上，室内空气从这里流出室外，最终实现在密闭状态下的车内空气的通风换气。最自然的通风方式就是开风窗或天窗。强制通风是指当汽车车速低或者停车时，车身内外表面气压差不足，仅仅依靠自然通风不能足以保证车内空气的新鲜度，所以需要进行强制通风。强制通风的主要部件是鼓风机，鼓风机工作时，将车外新鲜空气强制送入车厢内，最终实现通风换气。综合通风就是同时采用上述两种通风方式。2.4 本章小结本章节主要对汽车空调系统的作用和组成进行了概括，明确了所要设计的空调系统应该具有的功能。又分别对空调写制冷系统、供暖系统、控制系统、通风系统的工作原理进行了说明。为将要进行的汽车空调系统的设计提供了更深的理论依据。第三章 汽车空调系统参数计算和选配3.1 汽车整车热负荷计算汽车整车热负荷计算可采用的计算方法有稳态分析和动态分析两种计算方法。考虑到所要设计的空调系统将搭建在实验台架上，空调的工作环境并不复杂，所以选择稳态法对空调系统进行计算12。3.1.1 汽车整车热负荷分析在夏季整车车身的热负荷主要是因为车外环境温度高于车内温度，以及夏季太阳对车身的辐射，这会导致大量热量通过车壁以及各车窗的玻璃进入到车内。由于车厢内部并非完全密闭的环境，热空气会通过车身的缝隙进入到车内，当车窗打开时会向车内通入新的热空气（即：新风热负荷）。车内人员也会向车厢内部辐射热量，这将导致车内温度提高，发动机室（汽车前侧）也会向车内传入一部分热量，空调器风机在工作的过程中也会产生热负荷。这些热量的总和就构成整车的热负荷。汽车车内与外界环境进行热交换的方式主要有三种：对流、导热、辐射。由上述汽车整车热负荷分析，可明确所要设计的空调系统所需的制冷量。从而得出汽车空调热负荷方程式13。如公式（3-1）所示： (3-1)上式中：QW 空调系统所需达到热负荷（W） QE 发动机侧所传入车内的热负荷（W） QD 从车底板传导进入车内的热负荷（W） QM 空调风机工作造成的热负荷（W） QP 车内驾驶员及乘客身体产生的热负荷（W） QV 进入车内热空气的热负荷（W） QC通过车顶和车侧壁传导进入到车内的热负荷（W） QDL通过各玻璃表面以空气对流换热方式进入车内的热负荷（W） QF通过各玻璃表面以辐射方式进入车内的热负荷（W）3.1.2 PASSAT汽车空调参数选择根据国家对轿车车内空调设计要求，结合夏季通常气候情况，对车内空调设计参数进行选择14：车外温度tw=35，相对湿度60%；车内空气流速0.3m/s；换气量12m3/（h人）；车内温度tn=27，相对湿度55%；漏风量18m3/h，车速40km/h。选用PASSAT汽车4门5座乘用车驾乘人员5人，该款车型局部细节参数见表3-1所示：表3-1 相关车身参数面积m2隔热系数备注前挡玻璃1.000.84后档玻璃0.980.84前门玻璃0.510.84后门玻璃0.500.84车门（含所有）4.05不含玻璃车顶1.52含天窗地板3.10仪表盘横梁到后座椅靠背前围1.02发动机仓传热面积3.1.3 车身壁面热负荷的计算153.1.3.2 发动机侧所传入车内热负荷QEPASSAT汽车的发动机在车身前围，且因为发动机仓的温度高于环境温度（40）。又因为从发动机侧传入车厢内的热负荷QE与发动机仓和车厢内的温度之差是成正比，所以QE的数值可通过下公式进行计算： （3-3）上式中：tF 发动机仓的温度（），取75； tn 车厢内部温度（）； K前 前围传热系数（W/m2），取K前=3.65W/(m2K) F前 前围传热面积（m2）由公式（3-3）为理论依据计算发动机侧所传入车内的热负荷，代入数值得：3.1.3.1车顶和车侧壁部分的热负荷QC通过对整车热负荷的分析可以得到，车顶和车侧壁（包括后围）部分吸收了太阳的辐射使得自身的温度升高，热量以热传导的方式通过车顶和车侧壁进入了车内。且车身的壁面结构为均匀金属面或隔热材料构成，因此它的传热计算可按照多层均匀壁面传热计算。所以对于车顶和车侧壁部分热负荷可用如公式（3-2）进行计算： （3-2）上式中：Qi分别表示车顶和车侧壁的传热量； Ki分别表示车顶和车侧壁的传热系数；这里取K顶=5.92W/(m2K)，K侧=6.45W/(m2K)； Fi分别表示车顶和车侧壁的传热面积； tw表示车外温度，在计算时，考虑到太阳辐射作用，所以采用车外综合温度tz代替tw，取tc顶=57.5，tc侧=39 tn表示车厢内温度；取27由公式（3-2）为理论依据分别计算车顶和车侧壁的传热量，代入数值可得：3.1.3.3从车底板传导进入车内的热负荷QD与发动机侧传入车内的热负荷计算方式相同QD可以用下式进行计算： （3-4）上式中：tc地 地板处温度（），取tc地=37.5 KD 传热系数（W/m2）,取KD=6.74W/(m2K) FD 地板传热面积（m2）由公式（3-4）为理论依据计算地板传入车内的热负荷，代入数值得：3.1.4 通过玻璃的热负荷QB15在考虑太阳辐射的前提下，通过玻璃的热负荷QB有两部分组成： （3-5）通过各玻璃表面以空气对流传热方式进入车内的热负荷QDL可用公式表示： （3-6）由公式（3-6）为理论依据计算玻璃以空气对流传热进入车内的热负荷QDL，代入数值得：通过各玻璃表面以辐射方式进入车内的热负荷QF可用公式表示： （3-7） （3-8）上式（3-7）、（3-8）中： 太阳辐射通过玻璃的透入系数，前档=0.84 玻璃对太阳辐射热吸收系数，=0.08 S 遮阳修正系数，取S=0.77 I 玻璃外表面的太阳垂直辐射强度，取I=1160W/(m2h） U 太阳垂直辐射量 F玻 水平车窗面积，F玻=2.102m2 F玻 垂直车窗面积，F玻=1.865m2 K玻 玻璃的传热系数，取K玻=6.39W/(m2h）w 外表面放热系数，取w40.50W/(m2h）n 内表面放热系数，在空调状态下，取n16.65W/(m2h）由公式（3-7）、（3-8）为理论依据，计算以太阳辐射形式通过玻璃进入车内的热负荷QB，代入数值得：3.1.5 其他部分形成的热负荷3.1.5.1 车内驾驶员及乘客身体产生的热负荷驾驶员产生的热量QP1约为220W，车内每位乘客的热量QP2约为104W，车内存在一位驾驶员和n为乘客，由此可得公式： （3-9）根据上述参数代入数值得：3.1.5.2 用电设备造成的热负荷用电设备造成的热负荷主要考虑空调风机和音响等用电设备，产生的热量QM通过资料查找取经验值100W。3.1.5.3 进入车内空气的热负荷对进入车厢内的空气热负荷进行分析，车外空气进入车厢内的方式有两种。一种是通过空调系统进入的新风量（换气量），一种是空气通过车身的缝隙和上下车开门所进入的漏风量。为改善车厢内的空气质量，新空气通过空调系统进入车内。确定每人新风量为12m3/h，由此可得出进入车内的总共的新风量为V新为nv1，其中n为汽车内人数，v1为人均新风量，取值12m3/h。总新风量热负荷QV1可由下式进行计算： （3-10）上式中： tw=35时，空气密度，取1.146kg/m3 hw 车外大气空气焓值（KJ/kg） hn 车内大气空气焓值（KJ/kg）当tw=35，相对湿度为60%时，hw=90.23KJ/kg当tn=27，相对湿度为55%时，hn=58.49KJ/kg由公式（3-10）为理论依据计算新风量热负荷QV1，代入数值得：新空气也会通过车身的缝隙和上下车开门进入，确定整车漏风量V漏为15m3/h，漏风量热负荷QV2的计算方法参照得出： （3-11）由公式（3-11）为理论依据计算漏风量热负荷QV2，代入数值得：由式计算出进入车内空气的热负荷为：3.1.6 整车热负荷将以上计算结果代入公式（3-1）代入数值得：取整车热负荷为4200W。3.2 汽车空调制冷系统的匹配设计将PASSAT汽车的整车热负荷，作为汽车空调制冷系统设计的理论依据。并根据热负荷计算空调制冷系统所需的制冷量，完成空调制冷系统的匹配设计。3.2.1 压缩机的选配PASSAT汽车空调的压缩机由发动机驱动，压缩机的转速与发动机的转速具有一定的比例关系，制冷量也与发动机的转速成正比关系，本实验台采用电机转速来模拟发动机转速，所以压缩机的选配需满足实验台的要求。实验台汽车空调系统对压缩机选配的要求：（1） 具有良好的降温性能，在怠速和低速时具有良好的降温性能。（2） 降温速率快，设定好目标温度后可快速的实现降温。（3） 因为PASSAT汽车空调可以全自动控制，所以选择变排量压缩机。汽车空调制冷系统的制冷量计算是作为压缩机选配的主要依据，压缩机的选配主要考虑因素就是排量、制冷量需要与汽车空调制冷系统所需的制冷量相匹配16。通过计算压缩机相关性能参数，以计算结果为理论依据，从而选配压缩机。3.2.1.1 汽车空调制冷系统额定工况的确定冷凝温度tk=60，蒸发温度t0=0，R134a制冷剂在冷凝温度为60时的饱和压力Pk为1.6803MPa，在蒸发温度为0时饱和压力P0约为0.2930MPa。蒸发器出口过热度为tSh=5，压缩机吸气温度t1=15，膨胀阀前制冷剂气体过冷度tSC=7，室内温度ti=27，室外温度t0=35，轿车正常行驶速度ve=40km/h，压缩机额定转速1800r/min，压缩机吸气管路的压降Ps=67.26KPa,压缩机排气管路压降Pd=81KPa，车厢内热负荷Qk=4200W16。汽车空调系统选择的制冷剂类型为R134a。图（3-1）为额定工况制冷循环压焓图17：图3-1 制冷循环压焓图3.2.1.2 额定工况制冷系统所需制冷量18（1）根据上述额定工况条件，可计算膨胀阀前制冷剂液体温度t3为：（2） 蒸发器出口制冷剂气体温度t1为：（3） 按t3查R134a饱和液体的热力性质表得h3=276.706KJ/kg，按t1查R134a饱和气体的热力性质表得h1=398.503KJ/kg。（4） 根据图3-1计算额定工况下，蒸发器的单位制冷量为q蒸为：（5） 当空调系统处于稳态工况时，车厢内部热负荷应与制冷系统所需的热负荷处于平衡的状态。在进行设计计算时，应留有一部分余量。通过资料的查找，设该余量为10%，所以制冷系统在额定工况所需要的制冷量Q额为：3.2.1.3 额定工况压缩机所需制冷量（1）额定工况下制冷系统所需制冷剂的单位质量流量qm为：（2） 按t1查得h1=411.626KJ/kg，计算额定工况下压缩机的单位质量制冷量q压为：（3） 额定工况下，压缩机的单位体积制冷量qv为：（4） 在空调系统处于稳态工况时制冷系统各部分的制冷剂流量应当保持一致，所以在额定工况下压缩机的制冷剂单位质量流量为：（5） 所以额定工况下压缩机所需要的制冷量Q压为：3.2.1.4 压缩机初选 当Q压=5095W，q压m=0.03777kg/s，初步选取压缩机型号是SE5V13。3.3.1 SE5V15压缩机校核SE5V15变排量压缩机的理论排量范围是10136cm3/r，校核计算取理论排量最大值151cm3/r，额定转速1800r/min，则有Vh=151180060/106=16.308m3/h。则实际排量查表得到在压缩机额定工况下，R134a制冷剂的比体积v1=0.06931m3/kg，空调系统各处比焓为h1=398.5kJ/kg，h2s=433.5kJ/kg，h3=287.9kJ/kg压缩机质量流量:实际循环制冷量:压缩机的功率: 注：其中i=0.82，m=0.923.2.2 压缩机选定根据对SE5V13变排量压缩机的校核计算，得到结果：理论排气量136cm3/r；制冷量可达Q0=5.20kW5.095kW，质量流量q压=0.03719kg/s0.03331kg/s；压缩机轴功率Ne=2.178kW1.482kW校核计算结果表明，所选的SE5V13变排量压缩机的制冷量、质量流量、轴功率均大于计算结果，完全符合汽车空调系统运行要求，可以完成PASSAT汽车空调系统的匹配。PASSAT汽车目前主要采用摆动斜盘式和双向斜盘式压缩机为主，排气量在120-150cm3/h。根据以上标准选用上海三电公司SE5V系列摇摆式变排量压缩机。3.3 换热器的选配3.3.1 蒸发器的选配16由热力计算结果可知制冷量Q0=4.2kW,蒸发温度t0=0，制冷剂流量为qm=0.003777kg/s。空调系统要达到的室内温度为27，也就是吹在蒸发器上的温度，所以蒸发器的冷负荷为Q0=4.2kW。蒸发器根据上述要求选配管带式蒸发器，满足实验台工作要求。3.3.2 冷凝器的选配根据空调系统的热负荷计算，确定了冷凝器的热负荷Qk=5.8559kW，计算过程见表3-1，PASSAT汽车空调通常采用平行流式冷凝器。对平行流式冷凝器工况进行设计，确定空气流量。假设室外温度t1=35，车外相对空气湿度=70%；冷凝器出口温度t2=43，在冷凝器中升温8，则空气流量可由下式决定：依据冷凝器出口温度t2=43，室外温度t1=35，可以得到，在此温度下查表可得湿空气的饱和蒸汽压力为PVS=69.75102Pa，计算空气含湿量：计算干空气的质量：计算水蒸气质量：已知：干空气的比热CPa=1.013kJ/kg；水蒸气的比热Cpv=1.864kJ/kg。则计算湿空气比热为：从而求得湿空气的气体常数R为：由气态方程： 湿空气的密度： 所以冷却空气流量V为：根据以上参数选定合适的冷凝器。3.4 风机的选配对蒸发器鼓风机进行选配，已知送风状态：温度t=14，相对湿度为=80%，送风量为qv=0.2580m3/h，风压56.49+40-10+40=146.49Pa，大气压力P=1.01325Pa,初步选取风机型号及叶轮直径。采用DF系列低噪音离心式风机，查取特性曲线图，qv=0.965、=1.38、e=2.0、fan=0.67。圆周速度：上式中：标准状态空气密度，=1.2kg/m3叶轮直径：3.5 动力源的选配本实验台需要通过电机驱动来模拟替代发动机驱动，所以需要满足空调系统压缩机可以正常的正常的进行工作，由章节的内容得到空调压缩机的额定功率为2.1kW，额定转速为1800r/min，电动机的功率应比压缩机的功率要大1.11.15倍左右。电动机与压缩机的连接方式采用带驱动。根据上述条件对电动机进行试选取，选用Y系列三相鼠笼式异步电动机。选定Y90L-2，其额定功率为2.2kw，满载转速2840r/min。3.5.1 电动机容量确定电动机与压缩机之间采用带传动查机械设计手册得带传动效率为0.94。已知压缩机额定功率为2.1kW,在额定工况工作时需要电动机发出的功率，故电动机所消耗的功率为：Y90L-2电动机的额定功率为2.2kW,故满足使用要求。3.5.2 总传动比计算电动机额定转速nd=2840r/min，压缩机额定转速nm=1800r/min。总传动比I为：选用创博机械Y90L-2三相异步电机，见图3-2图3-2 Y90L-2电动机3.6 本章小结本章主要对PASSAT汽车进行热负荷的计算，为汽车空调制冷系统的设计提供理论依据，确定了所设计的空调所需要的主要的性能参数，然后根据这些主要参数对空调制冷系统进行了匹配计算，主要包括压缩机的匹配计算和选型、冷凝器的匹配计算和选型、蒸发器的匹配计算和选型、鼓风机的选用，并根据压缩机的功率选定了动力源。最后完成了汽车空调制冷系统的匹配设计。第四章 实验台的总体设计4.1 实验台的设计原则及车型选择本科类院校大多理论知识教学为主，实践教学为辅。大多学生人文理论知识的学习过程枯燥无味，但是对实践操作等动手机会比较多的课程内容有着很高的热情。所以，为了使学生能更好更快的掌握空调系统的知识，空调试验台需按照原车部件的布局进行设计。只有还原实车的布置方式，学生们对这部分学习内容才能进行更直观的学习。本实验台以汽车空调整机性能试验为主，以汽车空调系统组成、工作原理、故障诊断等知识为辅，要求实验台能满足以下教学功能，如图4-1所示：图4-1 功能要求车型选择PASSAT B5做为试验对象。4.2 实验台组成及布置本次设计的汽车空调性能实验台主要由驱动电机、压缩机、冷凝器、储液干燥器、膨胀阀、蒸发器、鼓风机及显示控制面板等部分组成。本实验台主要用于教学工作，根据教学工具的特点即直观性、实践性、经济性，以实验台以该特点为设计中心，提出设计方案。考虑实验台主要用于室内教学演示，所以实验台整体结构在满足空调系统安装及方便学生观察学习的前提下，确定实验台主体尺寸（长宽高）为1200800900mm。实验台架采用钢架结构来组装汽车空调系统，采用45号方钢，这样既能减轻实验台总体重量，也能节约制造成本。4.3 实验台总体布局汽车空调实验台总体布局如图3-1所示：图3-1实验台总体布局图4.4 实验台架设计实验台架台架是支撑汽车空调系统全部部件和面板的基础，也是整个实验台的主体部分，因此它的设计过程比较复杂。所以本实验台的总体设计分为两个部分，分别是实验台架框架设计和空调显示控制面板的设计。汽车空调系统的布置方式尽量按照整车的布置形式在实验台架上呈现。整车上的布置方式如图3-2所示：图3-2 空调系统布置方式4.4.2 台架主框架设计台架的主框架是整个汽车空调系统的安装基体，所以汽车空调的整体布局尽量与整车的布局保持一致。可以加强学生对汽车空调系统的理解。主框架要满足以下三种要求：(1)合理的进行布局，以防各个部件在工作过程中产生不必要的影响，对故障排除造成干扰，或者使空调系统的无法正常工作。制冷器和蒸发器的工作状况不一样，一个是要在工作过程中释放热量，一个是要从外部吸收热量，假若它们在释放、吸收热量的过程无法得到充分地进行，势必会严重影响到制冷效果19。(2)在设计实验台的过程中，必须要考虑实验台的经济性，在具有好的经济性的前提下，保证实验台架的强度以及承载能力，对材料的选取有一定的要求。45号方钢可以作为台架钢架结构。台架的衔接部位采用螺栓固定或焊接的固定方式，强度不宜太低，需要能够对部分零件进行支持，并且能够支撑台架整体的重量。(3)实验台主要是为了服务教学工作而研制的，在教学的过程中可能需要涉及到室内或室外环境的变化的因素，所以实验台应具有良好的灵活性，方便进行移动。且在实验台在运行的时候要保证实验台的稳定，能将实验台固定在一个位置。所以选择为实验台架安装了四个橡胶滑轮，安装的橡胶滑轮具有移动和锁止的功能。 实验台的主框架是整个实验台的外型，整个实验台起到连接起空调系统各部件的作用。首先，根据PASSAT B5汽车空调系统的外型确定主框架尺寸。设定主框架外观尺寸，长1200mm、宽900mm、高800mm，实验台要具有灵活移动的功能，所以在框架后方设计一个扶手用来辅助实验台移动，扶手长800mm，高250mm，并且需要在台架的下放安装4个可转向的橡胶轮子。轮子需要有灵活移动，并且在实验时可以将轮子锁死的功能。以保证实验台可以稳定的进行实验。框架结构和橡胶轮如图3-3,3-4所示： 图3-3 框架结构 图3-4 锁止橡胶轮4.4.3 电动机与压缩机支撑横梁的设计电机与压缩机都布置在台架的底端，这样有利于皮带传动的稳定性。电机与压缩机之间采用的是带传动。所以压缩机的安装位置，设计成可以移动的，而电机的位置是固定的。这样有利于调节压缩机与电机之间皮带的松紧。电动机与压缩机支撑横梁是指在台架底面固定电动机和压缩机的横梁，选用一根长度800mm的方钢、两根长度400mm的方钢，焊接到主框架上，在长400mm的方钢上分别开4个螺纹孔。在支撑压缩机的横梁上再打2个延伸孔。4.4.4 蒸发器台架的设计蒸发器处于整个空调系统最中心的位置，而且距离空调系统其它部分较远，考虑到蒸发器形状并不规则，所以将其布置在台架的前端。蒸发器整体重量较轻，选择将它固定在台架的上端，考虑到鼓风机位于蒸发器后面，需预留鼓风机台架的位置。采用两根长度800mm、一根700mm的三角钢焊接成一个方形框架，在架子上端两侧开两个螺纹孔用来固定蒸发器，蒸发器台架具体设计如零件图所示。4.4.5 空调压缩机架的设计在整车上压缩机安置在发动机缸体侧面，本实验用电机替代发动机。需要设计空调压缩机的固定台架，空调压缩机的台架应与3.4.2的支撑横梁的滑道相匹配。具体设计如零件图所示。4.4.6 鼓风机架的设计鼓风机主要是将蒸发器内的空气吹入到车厢内部，且自身重量较轻，将其固定安装在蒸发器后侧，直接在蒸发器架上做两个螺纹孔，用来固定鼓风机。4.4.7 冷凝器架的设计根据冷凝器在整车的位置，将其安装在实验台架的后侧，将冷凝器固定在实验台主框架结构中。4.5 实验台显示及控制面板设计为了使汽车空调实验台可