WJ091-汽车的活塞式空调压缩机的结构设计【原创设计】
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wj091
汽车
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结构设计
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外文出处： 附件 1：外文原文 in as is an of It be to in a of in of in s of a of to in of of NC it is in NC or to to of up is is a s to of is a an of is a of be be to of be to an in to in a in of in s in to to a of as as to s up in of to or of is to of to a or of In a In of is is of in it of a as as a 4 is to of of to in as to of a to be in a to a to as 1. do (of 2. is is of to 3. of is be 4. to is of 5. it to it in 1. As of in of in as of 2. As of be in to is to of do or a of be a on of is is of be In is is of of it to It be in to in of a of is as of by 1. by is to to to of be up A to be as 2. to be by 3. s is to to of a is up a be so to of to is It is an a It be to of to of It is is to do of It in of to a to to as in is of or to up in as is of of a . of in of a of In as of of a a of to of is as as it to of I do of of to (1) in is (2) In in it be to in t be to (3) be to to (4) be in as so (5) (6), as is a of of a to of of a of it be a or to of in or of of in 0th 40, of in a to 50 to to as an in of so on to by of of of of be of in of a or It in to of in to is in or as or of of in do a by as is to as by of is or to by of a of as as so of a of or to to of by is of a in of is a of In as of of a a of to of of of to in it be in NC At a in an of in a or a it to a of is to to to At s to is a of of of of a on of of is 附件 1：外文资料翻译译文 机械手 机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化的发展 , 出现了数控加工中心 ,它在减轻工人的劳动强度的同时 , 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序 , 通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费 工、效率低 ; 后者因设计复杂 , 需较多继电器 ,接线繁杂 , 易受车体振动干扰 ,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器 制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力 , 保证了系统运行的可靠性 ,降低了维修率 , 提高了工作效率。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 1 工业机械手的概述 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个 不同环境中工作。在工资水平较低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及为工人交工伤费带来的挑战。 随着我国工业生产的飞跃发展，特别是改革开发以后，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操作钎焊、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业自化，已愈来愈引起 我们重视。 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。 在现实生活中，你是否会发现这样一个问题。在机械工厂里，加工零件装料的时候是不是很烦的，劳动生产率不高，生产成本大，有时候还会发生一些人为事故 ，导致加工者受伤。想想看用什么可以来代替呢，加工的时候只要有几个人巡视一下，且可以二十四个小时饱和运作，人行吗？回答是肯定的，但是机械手可以来代替它。 生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率 ;可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其是 在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中能够代替人进行正常的工作。想到这里我就很想设计一个机械手，来用于生产实际中。 为什么选着设计机械手用气动来提供动力：气动机械手是指以压缩空气为动力源驱动的机械手。用气压驱动与其他能源驱动比较有以下优点： 过之后排入大气，不需要回收和处理，不污染环境。（环保的概念） 路中压力损失也很小（一般气路阻力损失不到油路的千分之一），便于远距离输送。 一般为 4 8 公斤 /每平方厘米 )，因此对动元件的材质和制造精度要求可以降低。 的动作和反应都快，这是气动突出的优点之一。 不会变质，管路不易堵塞。 但是也有它美中不足的地方： 使气动工作的稳定性差，因而造成执行机构运动速度和定为精度不易控制。 出力不可能太大，为了增加输出力，必然使整个气动系统的结构尺寸加大。 用气压驱动与用其他能源驱动比较有以下优点： 空气取之不竭，用过之后排入大气，不需回收和处理，不污染环境。偶然的或少量的泄漏不致对生产发生 严重的影响。 空气的粘性很小，管路中压力损失也就很小，便于远距离输送。 压缩空气的工作压力较低，因此对气动元件的材质和制造精度要求可以降低。一般说来，往复运动推力在 12吨以下采用气动经济性较好。 与液压传动相比，它的动作和反应都快，这是气动的突出优点之一。 空气介质清洁，亦不会变质，管路不易堵塞。 它可安全地应用在易燃、易爆和粉尘大的场合。又便于实现过载自动保护 . 2 机械手的组成 机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。 1. 执行机构 机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。 2. 传动系统 执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等 几种形式。 3. 控制系统 机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。 3 机械手的分类和特点 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机 械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“ 它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 主要特点： (1) 机械手（上下料机械手、装配机械手、搬运机械手、堆垛机械手、助力机械手、真 空搬运机、 真空吸吊机、省力吊具、气动平衡器等）。 (2) 悬臂起重机（悬臂吊、电动环链葫芦吊、气动平衡吊等） (3) 导轨式搬运系统（悬挂轨道、轻型轨道、单梁起重机、双梁起重机） 4 工业机械手的应用 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断 重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如： (1) 机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。 (2) 在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。 (3) 可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。 (4) 可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。 (5) 宇宙及海洋的开发。 (6) 军事工程 及生物医学方面的研究和试验。 助力机械手 :又称平衡器、平衡吊、省力吊具、手动移载机等，是一种无重力化手动承载系统，一种新颖的、用于物料搬运时省力化操作的助力设备 ,属于一种非标设计的系列化产品。针对客户应用需求，量身定制的个案创作。 一种模拟人手操作的自动机械，它可按固定程序抓取 V 摘 要 活塞式压缩机是一种容积式压缩机，用来提高气体压力和传送气体 。 21 世纪以来，随着全球经济的发展，汽车业得到了蓬勃发展。 汽车活塞式空调压缩机得到了空前绝后的应用 。因此，气体压缩机是近代工业生产中不可缺少的通用机械。结合所学过的 知识 ，了解其基本结构及其工作原理，重点掌握其结构设计 。学会所含零部件的结构设计方法及其强度校核方法，在设计过程中，理论联系实际，最终了解设计一个机械设备基本思想和方法。 整个设计过程包括整体总体结构设计、热力学的计算、初定相关零部件结构尺寸，然后借助 绘图软件，选定轴承等标 准件，应用强度理论对其进行必要的强度校核以满足实际的需要，最后确定压缩机的辅助设备。 关键字 ：活塞式压缩机； 汽车业 ； 结构设计 ；动力计算 he is a is to of is of to of in to a of an of is to of to V 目 录 摘 要 . I . 录 . 绪论 . 1 车空调的发展 . 1 车空调制冷系统的构成及其原理 . 1 课题的研究内容 . 2 2 压缩机总体结构的设计 . 3 计原则及设计任务 . 3 构方案的选择 . 4 数及级在列中的配置 . 5 3 压缩机热力计算 . 7 术参数 . 7 力计算 . 7 算总压力比 . 7 缩机级数的确定 . 7 力比分配 . 8 算容系数 . 8 定压力系数 . 9 定温度系数 . 9 算泄漏系数 . 9 算气缸工作容积 . 10 定缸径、行程及行程容积 . 10 算压比或调整余隙容积 . 11 算各列最大的活塞力 . 12 算排气温度 . 13 算功率 . 13 温功率 . 14 4 动力计算 . 15 知数据整理 . 15 力计算 . 15 算活塞位移、速度、加速度 . 15 体力的计算 . 17 性力的计算 . 21 向力的计算及切向力曲线的绘制 . 26 轮矩的确定 . 27 5 主要零部件的分析设计 . 30 缸部分的分析计算 . 30 身的设计 . 32 身材料 . 34 要尺寸确定 . 34 杆的设计 . 34 述 . 34 杆的结构设计 . 35 身结构 . 35 结 论 . 40 致 谢 . 41 参考文献 . 42 汽车 活塞式 空调 压缩机的设计 1 1 绪论 车空调的发展 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 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 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 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。 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。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、膨胀汽车 活塞式 空调 压缩机的设计 2 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 )。 课题的研究内容 压缩机按压缩气体的原理不同可分为容积式和速度式两大类。容积式压缩机是使气体直接受压，从而使气体容积缩小、压力提升。其特点是压缩机 具有容积可周期性变化的工作腔。按工作腔中运动元件不同，容积式压缩机可分为往复式和回转式两种。动力式压缩机是使气体流动速度提高，然后通过扩压元件使速度能转化为压力能，与此同时气体容积也相应减小。其特点是压缩机具 有驱使气体获得流动速度的叶轮。按工作腔中运动元件不同，动力式分为离心式、轴流式、喷射式等。本设计采用容积式压缩机。 汽车 活塞式 空调 压缩机的设计 3 2 压缩机总体结构的设计 计原则及设计 任务 排气量： Q=m /气压力： 气压力： 进气温度： 20C；进气相对湿度： = 查 书得 130 m=k 对余隙容积的大小，很大程度上取决于气缸上的布置方式，气阀的结构结构形式和级数，以及同一级次的行程缸径比等。般 处于下列范围： 低压级： 压级： 压级： 作用式压缩机，如果气阀轴向地配置在气缸 盖上，低压级可小至 ；速短行程压缩机，可高达 ；小型压缩机的高压级可达 。 所以取 1= 2= 车 活塞式 空调 压缩机的设计 9 z1/ (z1/ (定压力系数 根据进气压力接近于大气压力，取压力系数 ;p根据温度系数与压力比的关系，取温度系数 p。 定温度系数 取 1 。 算泄漏系数 表 3漏系数 项目 相对泄漏数 级数 第一级 第二级 气阀 一级 二级 塞环 一级 二级 相对泄漏量 1 1 车 活塞式 空调 压缩机的设计 10 算气缸工作容积 11111 (300056.0 m 22222212 1 (0850 5300016.0 m 定缸径、行程及行程容积 已 50 ，选取行程 S=60活塞平均速度 506030 (一级气缸直径： 24 21 h (0 7 7 0 5 1 (圆整后 01 ，圆整后实际行程容积 31 000603.0 mV h 二级气缸直径： 14 222 h (h 0 5 8 0 1 2 (圆整后 02 ，圆整后实际行程容积 32 00017.0 mV h 。 汽车 活塞式 空调 压缩机的设计 11 算压比或调整余隙容积 气缸直径圆整后如其他参数不变，则压力比分配便改变，若忽略压力比改变后对容积系数的影响，则压力比的改变可认为与活塞有效面积改变成比例。 表 3整前、后总的活塞有效面积如下表 级次 气缸直径 活塞有效面积 D（ 22 （ 前 后 前 后 于一级缸径圆整变大使一级排气压力要反比例降低，降低率 9 3 9 由于二级缸径圆整变大使二级排气压力要反比例降低，降低率 9 2 5 0 5 一级压力比变为 1 7 (相应地二级压力比变为 0 5 2 (也可以用调整相对余隙的方法，维持压力比不变，即因第一级缸直径变大了，相对余隙容积也相应变大了，使吸进的气量不变。由此可得 ： 8 6 0 9 1 (一级新的相对余隙容积： 汽车 活塞式 空调 压缩机的设计 12 1 (二级新容积系数： 8 3 5 0 5 222 (二级新相对余隙容积 (本计算中取调整相对余隙容积。 算各列最大 的活塞力 取进、排气相对压力损失： s d s d 气缸内实际进、排气压力 1 = （ 10 5 1 = （ 1+ 10 5 =105 N/ =05 N/s2 =（ 10 =（ 1+ =5 /10 =5 /10 轴侧和盖侧活塞面积分别为： 25511 / 25522 / 25 /1031 最大活塞力 汽车 活塞式 空调 压缩机的设计 13 第一级： 51111 （ 第二级： 52122 （ 算排气温度 取压缩指数 ； 气温度 = 111 = 122 （ （ 算功率 1)1(160 11 10111 11111 （ 0 6 0 1)1(160 22 10212 22221 （ 总的指示功率 取机械效率 9.0m汽车 活塞式 空调 压缩机的设计 14 轴功率 电动机的功率余度取 10%，则电动机取 4确定电动机型号为 速为 2890r/ 温功率 各级等温压缩功率 1111 11 （ 01 21 sN i（ 总的等温指示功率 2 等温指示效率 % 温轴效率 % 1 车 活塞式 空调 压缩机的设计 15 4 动力计算 知数据整理 表 4知数据 级数 I 0. 01 0. 005710. 510. 5P 1j 0. 1 0. 42P s j 0. 925 3. 49410. 5P 2j 0. 45 15. 43P 4. 28 13. 81温度吸入0 137. 5k 2. 93 410. 5排出37. 5 157. 4k 410. 5 430. 4相对余隙容积 0. 059 0. 072行程 （ s 60m s 0 =s 3. 54 4. 32指示功率 （ . 38 1. 32轴功率 力计算 算活塞位移、速度、加速度 860 8 502602 （ 6 6 9 r （ 汽车 活塞式 空调 压缩机的设计 16 2 取径长比：41位移 )s )c 22 g （ )co 61)co 速度 )2s s )2s i s i 加速度 )2c o s(c o （ )2c o c o 7 表 4塞位移、速度、加速度 曲柄转曲柄角度 活塞位移 x （ m ） 活塞速度 v( m / s ) 活塞加速度 a ( m / 塞式 空调 压缩机的设计 17 续表 4柄转曲柄角度 活塞位移 x （ m ） 活塞速度 v( m / s ) 活塞加速度 a ( m / 55o 0 体力的计算 （ 1） 各级气体力 膨胀过程： (00（ 进气过程：P（ 压缩过程 ： )(00（ 排气过程：P（ 本机属于微型压缩机，取 0 为代表余隙容积的当量行程，（ 运动计算中各点的位移值。因为本机为单作用活塞，所以只需将盖侧列入计算。 （ 2） 气体力 （ 汽车 活塞式 空调 压缩机的设计 18 表 4 级盖侧气体力表 曲轴转角 活塞位移 膨胀过程 进气过程 压缩过程 排气过程 气体力 xg(s d - 0 428015 305030 92545 92560 92575 92590 925105 925120 925135 925150 925165 925180 60 925195 840210 970225 1040240 1140255 1310270 1580285 2010300 2750315 4280330 4280345 4280360 0 4280汽车 活塞式 空调 压缩机的设计 19 I 级： 5 1( （ 5 1( （ 图 级盖侧气体力 汽车 活塞式 空调 压缩机的设计 20 表 4I 级盖侧气体力表 曲轴转角 活塞位移 膨胀过程 进气过程 压缩过程 排气过程 气体力 m i n) P j = P s P j = P d P - P j *A 0 13. 81 - 7871 . 715 1. 27 10. 27 - 5854304. 96 3. 494 - 1991 . 64510. 66 3. 494 - 1991 . 66017. 81 3. 494 - 1991 . 67525. 73 3. 494 - 1991 . 69033. 75 3. 494 - 1991 . 6105 41. 26 3. 494 - 1991 . 6120 47. 81 3. 494 - 1991 . 6135 53. 09 3. 494 - 1991 . 6150 56. 92 3. 494 - 1991 . 6165 59. 23 3. 494 - 1991 . 6180 60 3. 494 - 1991 . 6195 59. 23 3. 54 - 2017 . 8210 56. 92 3. 67 - 2091 . 9225 53. 09 3
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