ADAMS中的动平衡仿真分析

1、2002年MSC.Software中国用八论文集变排量斜盘式汽车空调压缩机的在MSC. ADAMS中的动平衡仿真分析蒋祖华王屹（上海交通人学机械与动力工程学院）摘 要:变排量斜盘式压缩机的斜盘倾角会随着汽乍环境热负荷的变化而在. 范IT变化，此外汽车行驶中发动机转速也是变化的，这使得斥缩机的动不平衡虽 不断地改变。因而斥缩机新产品的开发离不开数字样机的仿真分析，本文利用 MSC. ADAMS动力学仿真软件建立f 6Sxx变排帚斜盘式汽车空调床缩机的力学仿 真模型，在理论分析的基础上，仿真了 6Sxx变排最压缩机的动平衡特性，分析 了在低、中、高不同主轴转速下和多种斜盘摆角下的动不平衡最，并得出

2、了一些 规律性的结论，为产品开发提供了依据。关键词：动平衡变排量丿E缩机仿真 MSC. ADAMS1前言随着人们对汽乍乘坐舒适性耍求的提高，变排横空调爪缩机逐渐成为汽乍空调市场的主 丿J。斜盘式压缩机在不同匸况卜町通过调节斜盘的倾侑來改变气缸的排气磺，使车内的环境 温度狂本不变。斜盘式压缩机结构简单、调节可靠，可达到较高的转速。但由J在不同的排 气帚卜，斜盘不仅摆角发生了变化，且其在主轴的轴向位置也发生了变化，这使得压缩机的 动不'卜衡斎不再保持常斎：不同转速l、JE缩机多个气缸往复运动的惯性力和力矩也不断变 化，这些动不平衡磺使压缩机产生振动，并会影响压缩机的平稳调压。图1 6sxx

3、变排駅用缩机结构示意图方而变排届压缩机动平衡的理论分析比较复杂，例如斜盘的旋转惯性力矩因斜盘结构 的复杂很难得出准确的数学表达式，往往耍经过不少筍化。另一方而都通过实验方法又冇成 本较鳥、实验结果不易分析的局限性。本文中通过理论分析再结合MSC.ADAMS动力学仿 貞-软件的仿典对上海易处通用机器公司的6sxx六缸变排磺压缩机的动平衡进行了硏究，仿 真了不同转速和斜盘摆角卜的动不平衡吊，仃效的支持了变排彊压缩机的结构设计和改进。图1是6sxx变排彊斜盘式压缩机的 结构示意图。压缩机的甚木构件包括主 轴、斜盘、驱动盘、活赛、滑履、驱动 骨和气缸体,其中斜盘和主轴间是不固 定的，六个活塞均布在斜盘

4、的一侧。当 压缩机的吸、排气压力发生变化后，压 缩机的控制阀调节斜盘腔内的气斥使斜 盘的摆角变化，从而使活塞的位移发生 变化达到改变压缩机排气尿的的。2.1压缩机活塞的惯性力和力矩压缩机的动不平衡鼠山两部分组成，一部分是六个活塞在气缸内往复运动时产生的惯性 力和力矩：另一部分是压缩机回转运动部件，主要包括斜盘和配币:的冋转离心惯性力矩。对 r 6SXX压缩机，斜盘的儿何外形相当复杂不是规则的儿何形状，所以用数学表达式准确的 分析它的冋转离心力炬是比较闲难的。对r均布的活塞，尽管同一时刻毎个活塞的惯性力和 力矩不同，但从整体上分析，所仃活塞往复运动产生的介惯性力和介力矩是仃规律性的。 活塞惯性力

5、和力矩分析中的坐标系设定：OZ轴与压缩机的主轴中心线ifi洽，方向向左:OY轴垂苴J：主轴中心线，正向向上；OX轴水'|z向，整个坐标系符合右手螺旋定则。 任意N列活塞的总往复惯性力：_ n _n360。Fg =工片厭 h R a2工cos&-(i_l)U1(21)i-ii-iNm：单列活塞的质量R：活塞的分布El半径ty：主轴的角速度a：斜盘的倾角N：活塞的列数6：主轴的转角対J： 6sxx变排邑斥缩机，往复惯性力不仅随主轴的转速而变II随斜盘倾角不同而变化。 通过対2-1式的分析叮以发现：除了仅有一列活塞时往以惯性力不为冬外，当活塞列数为 两列和两列以上时，只耍活塞是均布的

6、，则活塞的总往复惯性力等J：零。任意N列活塞的总往复惯性力矩：M =乞几 / =/”用心寸sin(I)弃cosH为F +cos(i_l)弃cosH务，(2-2)总往复惯性力矩在YOZ平面内的分量:(2-3)(24)My = niRz co2tgaQQsi -1) cos - (/ 一 1)1=1NN总往复惯性力矩在XOZ平面内的分帛:My = 次讪/ga 工 sinQ -1)cos -(/ -1) MNN总往复惯性力矩的X向分晟使压缩机在YOZ、卜血有倾覆的趙势，引起扭转振动；总往复 惯性力矩的Y向分駅使压缩机在XOZ平面受倾覆力矩，仃倾覆趙势。活塞的总往复惯性力矩 不会在圧缩机的主轴向产生扭

7、转振动丿E缩机的I叫转惯性力矩是指斜盘及与斜盘装配在一起的配匝装置，由斜盘不与主轴轴线 成垂直而使分布在不同轴向平面内的僥心质童产生的离心惯性力所形成的惯性力矩。它们随着 斜盘倾角和主轴转速的增加而增人。因斜盘和配重结构的复杂，故回转惯性力矩难以用准确的 数学表达式描述.2.2活塞总往复惯性力的理论证明活塞的总往复惯性力规律町通过计算來验证，但仅仅通过枚举法验证是不严密的，而一些 涉及此内容的文献也没能给出严密的理论证明。本文使用一种巧妙IL简单的方法给予了严格的 证明。当NM2时，求证：代=/"/? CD2n360。fga 工 cos& -(/ 一 1) =0t=lN200

8、2年MSC.Sofhvaie中国用门论文集n360。证明：工cos。-(,-1)1=1N360°360°360°cos 0 + cos(&) + cos(& 2) + cos& (N 1)NNN我们构造如卜N个复数：q q g 360。、.“ 360。、° 360。、.“ “360。、cos 0 + j sin 0 : cos(&) + j sm(&): cos(& 2) + j sin(r - 2)；NNNNcos&-(N-1)予-+ jsm0-(N-l)-显然这N个复数的模均是“1”，它们的相位

9、角分别是0、0-NO O O O O O J ( N 1 I N不论。为何值，这N个复数的欠崑都均匀分布在单位圆上。cos 6 4- cos(& “° ) + cos(& 2) +cos& (N 1)NNN实际上是N个复数向量的实部和而等模均布在单位岡上的N个欠斎的实部之和必为0,即：cos 0 + cos(& -) + cos(& 2+ cos& (N 1)=0NNN工 cos& -(/ -1)- = 0命题得证/IN3在MSC.ADAMS软件中的动平衡仿真分析MSC. ADAMS (Automatic Dynamic Ana

10、lysis of Mechanical System)是世界上应用最广泛、 最权威的机械动力学仿真分析软件，利用MSC. ADAMS建立的虚拟样机在计篦机上实现机械系统 的动力学、静力学和运动学仿克分析。它可以快速、方便的建“完全参数化的机械系统模型， 并拥有强人的后处理能力和良好的交互性。在该变排鼠压缩机的仿真分析中我们选取了斜盘倾角和主轴转速各三种(共九种工况)，即 5、12、20度小、中、大三种斜盘倾角和600rpm、2000rpm» 5000rpm低、中、高三种压缩机主 轴转速来分析斥缩机的动不平衡杲。由5、12、20分别是该斥缩机在丁作中实际斜盘角度变 化中的最小角、变化范

11、的中间角度和实际变化可达的最大角,且600rpm、2000rpm和5000rpm 分别是该型压缩机实际工作的最小转速、最常用工作转速和高工作转速，故在MSC.ADAMS屮分 析这几种工况下的动不平衡最是有典型性的。以卜是这儿种不同况卜的动不¥衡力矩的变化曲线.X向和Y向是斥缩机主轴两个径向方 向，Z向是压缩机的轴向。力矩的方向用它们的主矢方向表示。在压缩机斜盘倾角5、12度时，X和Y两径向的动不平衡力矩的变化趋势几乎是样的，这 点从图2和图3可以看出.同样的斜盘倾角，在不同主轴转速下，相同方向的不平衡力矩 的周期性变化规律是一致的，但是垠伸和变化帕伯不同，故在I哥2、3、4和5屮仅给

12、出了变化 规律而没有标明八体的转速和坐标刻度值。不同工况卜的数据可从农1中得到。2002年MSC.Sofhvaie中国用门论文集2002年MSC.Sofhvaie中国用门论文集斥缩机的动不半衡力矩包括活塞往复运动产生的往复惯性力矩斜盘、斜盘上的配鱼等I叫转 构件形成的离心惯性力矩两部分。从衷1的仿真数据可见，压缩机轴向（Z）的不平衡力矩在各种 丁况卜均为零，所以压缩机在主轴向不会产生扭转振动。但在两个径向都冇惯性力矩，它们将 引起压缩机横向的扭转振动，H.这种振动随着斜盘倾角和主轴转速的增加而加剧。斥缩机的轴 向力在各种匸况卜也为零.这主耍是因为斥缩机斜盘上等角度分部的多个活塞在同图3 5和1

13、2度时Y向（径向）三种转速动不平衡力矩变化趙势曲线2 5和12度时X向（径向）三种转速动不平衡力矩变化趋势曲线图5 20度Y向（径向）三种转速 动不平衡力矩变化匕势曲线斜盘倾角 主轴转速5度600rpm5度2000rpm5度5000rpm12度600 lpm12/72000 ipm12度5000 rpm20度600 ipm20度2000 rpm20度5000 ipmX向（径 向）动 不平衡 力矩 （N.min）最大 值40.88454.222838.957.82640.424161.720.83231.4114463幅值40.88454.222835.557.82640.424085.918.

14、24202.661266.6Y向（径 向）动 不平衡 力矩 （N.mm）最大 值41.12456.842855.258.45648.244212.426.98299.261870.4幅值41.12456.842853.758.45645.194080.315.64173.251082.9图4 20度时X向（径向）三种转速 动不平衡力矩变化芒势曲线2002年MSC.Sofhvaie中国用门论文集Z向（轴向）动不 平衡力矩 （N.mm）000000000Z向（轴向）动不 平衛力（N）000000000表1:不同工况F压缩机径向和轴向动不平衡量时刻所处的相位和加速度的方向不同,使所有活塞的往复惯性力

15、的欠量和为零,这也验证了 本文前而的证明结呆。在斜盘倾角5和12度时，两径向的不平衡力矩的变化的授值和幅值儿乎完全一样。这时的 斜盘和配車机构由倾角比较小，它们的轴向尺寸也不犬，故这时的不半衡力矩主耍是活塞往 复运动蒂來的往复惯性力矩，回转离心惯性力矩次Z。随着斜盘倾角的逐渐增人，回转惯性力矩 的作用也渐明显，而倾角达到20度这一压缩机的最人极限摆角时，这时斜盘和配币机构的轴向 尺寸已经相当人，由此产生的冋转离心惯性力矩也很人。在该变排最斥缩机的结构设计中，为 了减小人倾角和岛转速时活塞往复运动产生的较人仃害惯性力矩，待使斜盘及与斜盘装配在一 起的配重产生的回转离心惯性力矩与活塞产生的往复力矩

16、方向相反。从图4和图5可见，斜盘 和配朿产生的冋转惯性力矩将活塞产生的往复力矩的峥值明显的消弱了，形成一个凹坑，使往 复惯性力矩和冋转惯性力矩的合力矩曲线成了在一个周期内有两个尖峰的曲线。在斜盘倾角一 定时，随着丄轴转速的增加，斜盘和配巫产生的回转离心惯性力矩对活塞往复移动产生的仃害 力矩的抵消作用越明显。这也是在表1中斜盘倾角12度时动不平衡力矩的最人值人20度时 对应转速的最大值的原因。此外由在不同的斜盘倾角和主轴转速卜，斥缩机的惯性力矩的值是不断变化的，故不能 利用在丄轴和斜盘上配置平衡质量的方法予以完全平衡。故只能以當川I轴转速（本机型为 2000rpm）卜的工况为主，适当兼顾不常出现

17、的极高转速，在斜盘上添加配重。4.结束语对变排彊斜盘式汽车空调压缩机它的动平衡问题主耍结论主耍仃以卜几点：1）压缩机的主轴向的不平衡力和力矩均为零，故没有轴向的扭转振动。2）在低转速、小斜盘倾角卜，不平衡力矩主要是活猥的往复惯性力矩：随着转速和斜盘倾角增 人冋转构件的离心惯性力矩逐渐増人并渐成为主要的不平衡SL压缩机的M转离心力炉在设 计时使之与活塞的往复惯性力矩方向相反，起抵消有害的往复力矩作用。3）压缩机的动不平衡駅不能通过在斜盘和主轴上配歪予以完全的平衡。总Z，将理论分析和仿貞分析相结介，在MSC.ADAMS环境中建工变排杲斥缩机的仿真模 型,可高效、方便的分析得出在各种不同的工况下压缩机的动衡规律,使