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五邑大学 硕士学位论文 低摩擦平动转子式汽车空调压缩机的研究 姓名：陈浩齐 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：李辛沫 20090329 五邑大学硕士学位论文 摘要 滑片类压缩机因具有体积小、重量轻以及动平衡性能好等优点而得到非常广泛 的应用，是目前汽车空调压缩机的主流机型之一。但是，传统滑片式汽车空调压缩 机长期存在机械效率低和工作寿命短等弊端，究其原因主要是压缩机的关键运动副 如滑片与气缸、滑片与端盖以及转子与端盖之间存在有较大的相对运动速度或接触 力，因而产生了较大的摩擦损耗和部件磨损，这是传统滑片式汽车空调压缩机一直 未予解决的老大难问题。 本文提出一种结构新颖的平动转子式汽车空调压缩机，其思路是将涡旋压缩机 的平动思想移植到滑片式压缩机，使压缩机的转子及滑片做平动转动，由此改变了 传统滑片式汽车空调压缩机的工作方式，故而获得低摩擦的效果。平动转子式压缩 机实现低摩擦低磨损的要诀在于：1 ) 大幅度地降低滑片与气缸之间、转子与气缸之 间的相对运动速度；2 ) 大幅度地减少滑片与气缸之间的相互接触力；3 ) 大幅度地 缩短滑片相对于气缸的滑移路程。其实这正是本文的贡献和特色之所在。 本文的主要工作可以归纳为以下几个方面： 1 ) 首先，完成平动转子式压缩机的设计研究，包括压缩机的整体设计、进气系 统设计、排气系统设计、润滑系统设计以及关键零部件的设计，给出了设计要点和 设计实例，讨论了平动装置的实现方案； 2 ) 其次，建立了平动转子式压缩机的运动学模型，推导了主要运动副滑片与气 缸、滑片与转子以及转子与端盖之间的相对位移和相对运动公式，并进行了计算分 析，从理论上讨论了平动转子式压缩机实现减少摩擦损失的缘由； 3 ) 最后，利用A d a m s 软件对平动转子式压缩机进行了动力学仿真，从主要运 动副的接触力、摩擦功耗等方面，比较了平动转子式压缩机与传统滑片式压缩机的 差异和区别，证实了平动转子式压缩机的优势原因。 关键词：汽车空调压缩机；平动转子；减摩；设计；仿真 五邑大学硕士学位论文 A b s t r a c t V a n e t y p ec o m p r e s s o r sh a v eav e r yw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n sb e c a u s e o fs m a l ls i z e ，l i g h t w e i g h ta n dg o o db a l a n c e ，e t c A tp r e s e n t ，i t i st h eo n eo ft h em a i n t y p e so fa 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 H o w e v e r , l o wm e c h a n i c a le f f i c i e n c ya n ds h o r t e rl i f e - s p a ni st h e d i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lv a n e - t y p ea 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 ri nl o n g t e r mt i m e T h em a i nr e a s o ni st h a tl a r g e rr e l a t i v es p e e da n dc o n t a c tf o r c ec o n s i s ti nt h em a i nm o v i n gp a i ro ft h e c o m p r e s s o rs u c ha sv a n ea n dc y l i n d e r 、v a n ea n de n d p l a t e s 、r o t o ra n de n d p l a t e s I te n g e n d e r sl a r g e r f r i c t i o n l o s sa n dp a r t - w e a r i n g T h i si st h ed i f f i c u l tp r o b l e mo ft h et r a d i t i o n a lv a n e - t y p ea u t o m o b i l e a i rc 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 sn o tb e e nr e s o l v e d T h i sp a p e ri n t r o d u c e san e wt y p eo fa 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 rw h i c hh a sp a r a l l e l m o v er o t o LT h ei d e ai st Oa p p l et h ep a r a l l e l m o v i n gs t r u c t u r eo fs c r o l lc o m p r e s s o rt ot r a d i t i o n a l v a n e - t y p ec o m p r e s s o r , S Ot h er o t o ra n dv a n e so fp a r a l l e l - m o v i n gr o t o rc o m p r e s s o rr o t a t ea r o u n di t s o w nr o t a t i o n a x i sf o l l o w i n gt h ew o r k i n gm e t h o do fp a r a l l e lm o v e T h e r e f o r e ，t h i sp a r a l l e lm o v e s t r u c t u r e c h a n g e s t h e w o r k i n gm e t h o do ft r a d i t i o n a lv a n e t y p ea u t o m o b i l ea i rc o n d i t i o n i n g c o m p r e s s o r , a n di t c a no b t a i nl o w f r i c t i o ne f f e c t T h ei m p o r t a n tp o i n t so fp a r a l l e l - m o v i n gr o t o r c o m p r e s s o rc a na c h i e v el o wf r i c t i o na n dw e a ri s a sf o l l o w s ：1 ) S u b s t a n t i a l l yr e d u c et h es p e e d o c c u r r i n gi nt h ec o m p r e s s o r Sm a i nm o v i n gp a r t s ，s u c ha st h es p e e do fr o t o tr e l a t i v et ot h ev a n e ，t h e s p e e do fr o t o rr e l a t i v et ot h ee n d p l a t e s ；2 1S u b s t a n t i a l l yr e d u c et h ec o n t a c tf o r c ee n g e n d e rb e t w e e n v a n ea n dr o t o r 3 ) S u b s t a n t i a l l yr e d u c et h es l i d i n gd i s t a n c eo fv a n er e l a t i v et oc y l i n d e r T h i si st h e c o n t r i b u t i o na n dt h ef e a t u r eo ft h i sp a p e r T h ec h i e fr e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w ： 1 F i r s t ，p a r a l l e lm o v er o t o rc o m p r e s s o rh a sb e e nd e s i g n e d ，i n c l u d i n go v e r a l ld e s i g n 、i n t a k e s y s t e md e s i g n 、e x h a u s ts y s t e md e s i g n 、l u b r i c a t i o ns y s t e md e s i g na n dm a i np a r t sd e s i g n D e s i g n c o n s i d e r a t i o n sa n de x a m p l e sw e r eg i v e n ，a n dm a i nd e s i g np o i n t so ft h ep a r a l l e l m o v i n gd e v i c ew a s d i s c u s s e d 2 S e c o n d l y ，t h i sp a p e rb u i l dk i n e m a t i cm o d e lo fp a r a l l e lm o v er o t o rc o m p r e s s o r , a n dd e d u c e t h ec a l c u l a t i o nf o m u l a so fr e l a t i v ed i s p l a c e m e n ta n ds p e e dw h i c ho c c u r r e di n - t h ec o m p r e s s o r Sm a i n m o v i n gp 眦ss u c ha sv a n et oc y l i n d e r 、v a n et or o t o r 、r o t o rt ot h ee n d p l a t e s A f t e rt h a t ，t h er e a s o no f p a r a l l e l m o v i n gr o t o rc o m p r e s s o rh a sl o w e rf r i c t i o nl o s sw a sb e e nt h e o r e t i c a l l yd i s c u s s e d 3 F i n a l y , ad y n a m i c sm o d e lw a sb u i l tb a s e do nA d a m sm u l t i - r i g i ds o f t w a r e ，a n dad y n a m i c s I l 五邑大学硕士学位论文 s i m u l a t i o nw a sd o n e 。A f t e rc o m p a r i n gc o n t a c tf o r c ea n df r i c t i o nl o s so fm a i nm o v i n gp a n so ft h e p a r a l l e l m o v i n gr o t o rc o m p r e s s o rw i t ht h et r a d i t i o n a lv a n e t y p ec o m p r e s s o r ，t h er e s u l tp r o v et h e a d v a n t a g e so fpp a r a l l e l m o v i n gr o t o rc o m p r e s s o r K e yW o r d s ：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 ；p a r a l l e l - m o v i n gr o t o r ；f r i c t i o n - r e d u c i n g ； d e s i g n ；s i m u l a t i o n I I I 本人声明 我声明，本论文及其研究工作由本人在导师指导下独立完成，完成论文所 用的一切资料均已在参考文献中列出。 作者：陈浩齐 签名：砀瞄 2 0 0 9 年3 月2 9 日 五邑大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 汽车空调压缩机的发展历程 汽车空调在我国出现于上个世纪7 0 年代，经过3 0 多年的发展，目前在乘用车 上汽车空调配置率己接近1 0 0 。特别是近年来我国汽车工业发展迅速，极大地推动 了汽车空调压缩机产量的持续增长。而随着我国汽车保有量的增加，对汽车空调压 缩机的需求也不断增加，据奥尔威咨询撰写的2 0 0 6 2 0 0 7 中国乘用车空调压缩机产 业发展专题分析报告，我国汽车产量2 0 0 6 年达到7 2 8 万辆，2 0 0 7 年上升到8 5 0 万辆，已经超过德国，仅次于美国、日本，跃居世界第三位，而汽车的总保有量更 是达到了惊人的4 9 8 5 万辆。与之相呼应，我国汽车空调压缩机的产量从2 0 0 1 年的 1 2 9 万台迅速增长到2 0 0 6 年的5 6 6 万台，年平均增长率高达3 4 4 ( 图1 1 ) ，由 此可见我国的汽车空调压缩机产业已进入了快速发展时期。 2 0 0 6 年份 图1 一l 中国汽车空调压缩机产量增长态势图 F i g 1 1C h i n e s ea 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 rp r o d u c t i o ng r o w t h i n gp l a n s 汽车空调在世界上最早发端于美国，自从1 9 4 0 年美国白卡( p a c k a r d ) 公司第一 次把机械制冷用于车用空调以来，汽车空调装置经过半个多世纪的迅猛发展己趋于 普及，技术上日益完善，而作为汽车空调四大核心部件之一的压缩机也毫不例外地 得到了飞速的发展，其新结构、新技术和新工艺不断涌现，是推动汽车空调技术进 8 7 6 5 4 3 2 l 五邑大学硕士学位论文 步的主要动力。 汽车空调压缩机与家用空调器的压缩机有所不同，主要体现在它的负荷非常之 大，运行工况更加恶劣，特别是其运行转速是经常变化的且波动幅度巨大( 最高运 行转速与最低运行转速之比可达7 以上) 。另外由于压缩机主要靠皮带驱动，其 安装位置非常有限，因此车用空调压缩机对外形尺寸的要求非常严格，如普通轿车 空调压缩机通常被布置在发动机与冷却承箱的狭窄空问处( 圈卜2 ) 。 圈卜2 轿车空调系统示意图 F i g i2S c h m i c d i a g r a mo fc a ra i r - c o n d i t i o n i n gs y m e m 经过几十年的发展和演变，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o ”： ( I ) 往复式压缩机( 图I - 3 ) 采用曲柄连杆机构的往复活塞式压缩机是汽车空 调压缩机最早采用的一种机型，典型代表如美国G u 公司生产的Y o r k 立式双缸压缩 机。往复式压缩机具有排量大、压力覆盖范围广、适应性强和工艺成熟等优点，但 同时也存在结构复杂，易损件多、体积和重量大等缺陷。特别地，往复式压缩机存 在难以克服的往复惯性力，因此其振动及噪声较大。现在往复压缩机在大中型制冷 设备中应用较多，而在家用或汽车空调中正逐渐被回转式压缩机所取代。 五邑大学硕士学位论文 图卜3 往复式压缩机 F i g l3R e c 谛w c a t i n g C o m p r e s s o r ( 2 ) 斜盘式压缩机( 图1 4 )斜盘式压缩机从原理上讲属于往复式压缩机，足 目前汽车空调压缩机中采用较多的一种机型。由于设计和生产工艺比较成熟，运转 比较平稳等，因而得到广泛的应用。斜盘压缩机的特点是投有曲柄连杆机构，在圆 周方向上可以同时配置若干个气缸( 目前的缸数以5 缸机和7 缸机居多) 故结构 非常紧凑，机器的甲衡性能较好，转速较高。斜盘式压缩机的另一个显著优点是町 咀方便实现变排量输出，这一点对丁冷量跨度极大的汽车空调压缩机根有意义。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、零件 数多工作效率低。1 。目前，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。 图卜4 斜盘式压缩机 F i g I4S w a s h p l a t eC o s o T 3 罂 五邑大学硕士学位论文 ( 3 ) 滚动活塞式压缩机( 图1 - 5 ) 美国在2 0 世纪初开始将滚动活塞式压缩机 用做冰箱压缩机，受当时机械加工水平限制，与往复活塞式压缩机相比没有竞争力， 上世纪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，并开 始广泛用于房间空调及小型商用制冷设备中。1 9 8 1 年，日本三菱公司开发滚动活塞 式汽车空调压缩机并取得成功。与往复式压缩机相比，滚动活塞式压缩机的优点十 分突出b 卜3 ，主要表现在体积小重量轻，其体积及重量通常只有往复式压缩机的5 0 左右，这对安装空间非常狭窄的汽车空调压缩机十分重要，另外，滚动活塞式压缩 机没有往复惯性力，因此其振动及噪声很小，此外滚动活塞式压缩机的余隙容积只 有往复机的一半左右，故其效率较高。但是，滚动活塞式压缩机由于结构所限，其 排量不能做得太大，当排量稍微大些则布局网难且扭矩的波动较大。另外，由于对 零件的精度要求很高也使得生产及装配成本增加。 、违NV 纠jN 厂 图卜5 滚动活塞式压缩机 F i g 1 5R o l l i n gp i s t o nc o m p r e s s o r ( 4 ) 三角转子压缩机( 图1 - 6 )三角转子式压缩机源于上个世纪5 0 年代出现 的汪克儿三角转子发动机H 儿引，最早出现在德国，日本在8 0 年代中期有过生产，但 后又逐渐终止，目前只有日本马自达在坚持。我国9 0 年代中期也有厂家生产过，市 场使用不多。目前，又有学者致力于此机型的研究，主要看中它结构简单、机械效 率高、体积小、重量轻、振动小、噪声低以及适合高速运转的优点，但是该压缩机 的密封比较困难，低速性能很差，是该机型难以发展的致命弱点。 4 五邑大学硕士学位论文 圉】6 三角转子式压缩机 F i g 16 W a n k e lr o t o rc o m p s s o r ( 5 ) 滑片式压缩机( 见图l 一7 ) 滑片式压缩机可咀说是出现最早并使用最久的 压缩机机型，其历史可以追朔到1 5 8 8 年的拉迈利( R a m e l l i ) 首次提出并付诸使用 的多基元滑片装置。滑片式压缩机的最显著的优点就是体积小、重量轻、启动力矩 小、力矩平衡性能好，而其缺点也同样明显主要是摩攘损失大和泄漏损失多”。 当前，人们不断追求体积小型化，而滑片压缩机在各种压缩机中足体积最小的机型 之一，因此它得到了生产厂商和科技工作者的关注，成为一种很有发展前途的机型。 滑片式压缩机的结构主要有圆形气缸和椭圆形气缸两大类，前者的转子偏置于圆形 气缸之中优点是制造工艺简单，缺点是转子轴承存在较大负荷，其代表厂商有日 本松下和美国约克；后者的转子与类椭圆气缸同心放置，优点是捧气量更大而转子 和轴承的负荷却非常小，放该结构形式成为当前滑片式压缩机的主流机型其代袁 厂商有日本精工等。 圈l 一7 滑片式压绾机 F i g 1 7 V a n e t y p e C o m p r e s s o r 五邑大学硕士学位论文 ( 6 ) 涡旋式压缩机( 图卜8 )涡旋压缩机是当前回转压缩机的研究热点“1 ，各 国学者包括日本、美国和中国的学者对它的研究一直非常重视，在我国，西安交通 大学、甘肃工业大学和兰州理工大学一直对该机型进行着深刻研究井成果颇丰。涡 旋压缩机的工作原理十分特别典型的方式是依赖一对具有相同涡旋体的动涡盘和 静涡盘的相互啮合运动而形成容积周期性变化的工作腔，其中动涡盘的运动采用平 动转动的工作方式。涡旋压缩机具有结构紧凑、高效节能、微振低噪、工作町靠性 高等特点，现己成为汽车空调压缩机中最有竞争力的一种机型。但是。涡旋压缩机 也存在有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，以及涡盘 的加工制造和装配检验的工艺要求极高，难度极大，次品率高成本高等缺点。 圈1 8 涡旋式压缩机 F I g I8S c r o l lC o m p r e s s o r 1 2 滑片类汽车空调压缩机减摩技术研究现状 在我国，一些主要的车用空调压缩机的生产厂家都是生产斜盘式压缩机。而回 转式压缩机具有尺0 小、重量轻、转速高、动力平衡性能好、易损件少、结构简单 等特点，是汽车空调压缩机今后的发展趋势。在此背景下各国压缩机制造商纷纷 投入力盘进行新一代回转式汽车空调压缩机的开发。j 叩上所述，在各种回转式压缩 机中，滑片式压缩机以其结构简单、体积小巧、力平衡性能好以及压力脉动小等优 势应该具有相当大的发展潜力。 滑片式压缩机的叶片与气缸及端盖存在较大的相对运动建度，因此摩擦损失较 五邑大学硕士学位论文 大，另外，滑片式压缩机的主要密封依赖运动件的配合间隙，因此存在较大的内部 泄漏损失。针对上述弊端，最早采用滴油润滑方式，后因摩擦损失大、滑片磨损过 快而被淘汰。采用喷油润滑的机器在5 0 年代后期发展起来，并一度成为滑片压缩机 的主要结构形式。滑片采用自润滑材料的无油滑片式压缩机在化学工业和食品工业 的输送方面得到了应用。另外，滑片机构还可以作为真空泵使用。 1 2 1 国内外新型机构介绍 为了克服滑片类压缩机的弱点，近年来一些新的结构被不断开发出来，这些新 结构、新技术要达到实用化，还有大量复杂而困难的工作要做。随着生产技术的发 展，加工工艺水平的提高，研究工作的进步深化，数学模拟的改进，以及三维立 体造型技术的应用，滑片式压缩机将会进入一个全新时代。 ( 1 ) 文献【4 】介绍过一种新型摆动转子压缩机( 见图1 - 9 ) ，其改进之处是在传统的 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，将原 来叶片在该处的线接触变成面接触，减少了该处的泄漏，并减少摩擦损耗( 因接触 压力和相对速度下降所致) ，机械效率可提高约1 ，但其它处的摩擦和泄漏状况没 变，且工艺上多一条圆弧槽。 滚动 怕 躞 雌 戥。 掌 ； 一! 枣 缸体 向槽 图1 - 9 摆动转子压缩机 F i g 1 9S w i n gr o t o rc o m p r c s s o r ( 2 ) 广西大学的潘树林博士提出过一种铰接叶片式摆动转子压缩机口1 ( 见图 1 - 1 0 ) ，其特点是叶片的内端铰接在活塞上，叶片的外端铰接在缸壁上。这种结构 的优点是同时改善了叶片外端和内端的摩擦与泄漏状态，缺点是叶片及与之相配合 五邑大学硕士学位论文 的槽采用非圆结构的异形曲面状，故加工十分困难。 五邑大学李辛沫等人介绍过一种单叶片的铰接叶片式转缸压缩机哺1 ( 见图 卜1 1 ) ，潘树林等人将其改进后推广到可适用于汽车空调的多叶片形式阳1 。该压缩 机的特点是叶片外端铰接在缸套上，缸套和转子均作定轴同向转动。优点是解决了 叶片外端处的摩擦与泄漏，同时转子和缸套之间的相对速度较小，有利于减少摩擦。 不足之处是叶片外端为圆弧头，工艺性不好。 铰锛专 滚动活塞 图1 - 1 0 铰接叶片式摆动转子压缩机 F i g 1 10H i n g e dv a n es w i n gr o t o rc o m p r e s s o r 转子 吸气腔 旋转缸套 铰接叶片压缩腔 图卜1 1 铰接叶片式压缩机 F i g 1 11H i n g e dv a n ec o m p r e s s o r 锤子 五邑大学硕士学位论文 ( 3 ) 为了解决叶片外端部的摩擦问题，美国科技工作者开发出一种滚道式卸载结 构：即在靠近叶片两侧根部处设置芯轴，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，其典型产品为R O V A C 一2 2 7 型汽车空调压缩机，不足之处是轨道型面加工十分网难。 ( 4 ) 马国远博士等人在对旋叶式压缩机的研究中发现口们叶片外端部的摩擦损失 最大，约占摩擦总损失的8 7 1 ，其次是叶片两侧面的摩擦损失，约占1 2 6 ，于是 探索出双层滑片压缩机( 见图卜1 2 ) ，它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。此外，马博士还通过优化 叶片的倾斜角来改善叶片与滑槽及汽缸之间的摩擦，并取得较好结果陋3 1 。 缸体 双层 油槽 图1 1 2 双层滑片式压缩机 F i g 。1 。1 2D o u b l e v a n ec o m p r e s s o r ( 5 ) 广东工业大学陈观生等提出过一种无偏心椭圆转子压缩机( 见图1 - 1 3 ) n 刳， 其结构特点是将转子做成椭圆状，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，同时实现完全动静平衡，但叶片与两侧端盖处的摩擦和泄漏状 况依然如故。 ( 6 ) 五邑大学李辛沫提出过一种嵌固叶片式旋转压缩机( 见图1 - 1 4 ) n 3 H 1 4 1 ，特 点是叶片的外端和侧端分别与旋转缸套和随动端盖紧固，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，且高低压腔存在一个 不好处理的轴向动态密封结构。 五邑大学硕士学位论文 缸体 滑 子 图卜1 3 无偏心椭圆转子压缩机 F i g 1 13N oe c c e n t r i ce l l i p t i c a lr o t o rc o m p r e s s o r 进 转子 旋转缸套 缸体 图卜1 4 嵌圆叶片式压缩机 F i g 1 1 4N e s t e dv a n ec o m p r e s s o r ( 7 ) 日本马自达公司n 5 1 6 3 通过增加一个可以自由旋转的缸套( 见图卜1 5 ) ，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，但随之却带来一个问 题，这就是旋转缸套外圆柱面的摩擦问题，因为它的旋转半径太大，结果导致了较 大的粘滞阻力矩。另一方面，这种机型的进气通路不好布置，而且叶片与端盖的密 封没有解决。 1 0 五邑大学硕士学位论文 体 图卜1 5 自由旋转的缸套式压缩机 F i g 1 15F r e e l yr o t a t i n gc y l i n d e rl i n e rc o m p r e s s o r ，( 8 ) 西安交通大学屈宗长教授提出同步回转式压缩机的理论和结构n 7 1 ( 见图 卜1 6 ) ，其原理和结构与( 1 ) 介绍的新型摆动转子压缩机有异曲同工之妙。特点是 在旋转缸套内壁开一条圆弧槽，滑片外端与之“柔性”接触配合，可以大大降低该 处的相对运动速度，由于是弧面接触，故有效减少了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。 圆弧槽 滑片 旋转缸套 转子 图1 - 1 4 同步回转式压缩机 F i g 1 1 4S y n c h r o n a lr o t a r yc o m p r e s s o r ( 9 ) 英国空气压缩机有限公司为改善叶片与滑槽的摩擦状态n 引，在叶片的两个配 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 1 l 五邑大学硕士学位论文 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 0 ) 日本电装公司开发一种T V 型贯穿叶片式压缩机b 1 ，采用两片相互垂直的贯 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 少高速时叶片的外甩离心力，从而减少叶片外端与气缸之间的摩擦，但缸孔型线较 难加工。 ( 1 1 ) 西安交通大学李连生教授等通过改进缸孔型线鲫心剖，改善了旋叶压缩机转 子与缸孔之间的径向间隙泄漏问题，其特色是缸孔型线由四段圆滑曲线构成，在与 转子配合处采用圆弧设计，保证一定的密封线( 面) 长度，其成果已经成功用于国 内某公司的汽车空调压缩机新产品上。 ( 1 2 ) 韩国三星电子公司心订口幻、重庆大学心3 7 等，从摩擦学的角度研究了材料的成 分、滑片表面镀层、摩擦副不同材料配伍等对压缩机主要零部件摩擦与磨损的影响， 通过实验，从多个方面分析摩擦特性，获得了有价值的数据。 在实际生产中，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，即当转子转至压缩压力较大处时采用较小的径向间隙，其它位置则选择 较大的径向间隙，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。 需要说明的是，本小节的主要内容在我导师发表的论文 2 4 2 5 中有详细论述。 1 2 2 国内外主要研究方法 就研究方法和手段而言，当前的热点是m H 2 9 1 ：采用计算机仿真技术( C o m p u t e r 1 S i m u l a t i o n ) ，包括虚拟设计( V i r t u a lD e s i g n ) 、虚拟样机( V i r t u a lP r o t o t y p e ) 和虚拟实验( V i r t u a lE x p e r i m e n t ) 等现代C A D C A E ( C o m p u t e rA i d e d D e s i g n C o m p u t e rA i d e dE n g i n e e r i n g ) 手段对压缩机进行仿真分析，以此减少物理 样机制造和试验的费用，缩短研究周期，减少试验污染。 1 3 本课题的研究背景与来源 本课题来源于广东省自然科学基金项目“旋转压缩机减摩技术与密封结构的研 究”( 0 4 0 1 1 7 5 7 ) 、“滑片类旋转压缩机减摩与防漏关键技术的研究”( 0 5 1 0 7 3 9 7 ) 和 广西制造系统与先进制造技术重点实验室项目“节能型制冷压缩机的研究”( 桂科能 0 7 1 0 9 0 0 8 0 0 4 一Z ) 。 1 2 五邑大学硕士学位论文 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。在此背景下，本课题以应用于汽车空调的滑片压缩机为研究对象，探 索其减摩与密封的新原理、新方法和新技术。课题通过建立压缩机的数学模型，采 用计算机仿真、虚拟设计和虚拟实验等分析手段，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，最终有效提高压缩机的性能指标和使用寿命，并籍此 提升其相关产品的市场竞争力。 本文主要的研究工作： ( 1 ) 介绍汽车空调压缩机的发展历史、发展趋势，并重点介绍滑片式压缩机的 结构特点和研究现状； ( 2 ) 分析滑片式压缩机和涡旋式压缩机特点基础上，创造性地提出一种基于两 者优点的平动转子式压缩机的设计方案； ( 3 ) 从理论上对平动转子式压缩机进行热力学和运动学分析； ( 4 ) ，应用仿真软件a d a m s 建立新机型的计算机仿真模型，分析新机型的运动及 动力特性，并与传统机型进行分析比较。 1 4 本章小结 本章对汽车空调压缩机的发展历程进行了回顾，从工作原理和结构布局方面比 较了各种机型空调压缩机的优缺点，对目前具有低摩擦特征的汽车空调压缩机进行 简评，分析了当前汽车空调压缩机减摩途径的几种有效方法及其局限性，为本课题 选择的研究路线做了适当铺垫。 五邑大学硕士学位论文 第二章平动转子式汽车空调压缩机的减摩原理 2 1 减摩技术方案与路线 自从1 5 8 8 年拉迈尔利( R a m e l l i ) 首次提出多基元滑片装置以来，人们就一直 为提高该类机械装置的机械效率和使用寿命而奋斗。众所周之，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，滑片类压缩机的结构和工 作方式决定其优点虽然很突出，但其弱点同样很明显，主要表现在睁卜Lb 们叫3 ： 摩擦损失大，在消耗功中机械摩擦损失占2 9 1 ；内部泄漏损失多，在消耗功中 泄漏损失占1 2 8 ( 图2 一1 ) 。因此减少摩擦损失和泄漏损失是提高滑片类压缩机性 能指标和使用寿命的关键，这就需要对该类压缩机的摩擦机制和密封结构作深入而 系统的研究。 内部泄漏损失占1 2 8 其他损失占4 7 8 机械摩擦损失占 压缩功耗占5 3 4 图2 1 滑片式压缩机功耗分配图 F i g 2 1V a n ec o m p r e s s o rp o w e rd i s t r i b u t i o nd i a g r a m 图2 - 2 所示是目前广泛使用的滑片式汽车空调压缩机的横剖面示意图，很显然， 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，计算表明，典型滑片式汽车空调压缩机的滑片与气缸之间存在的相对 运动速度最高可达3 0 m s 以上；另外，在外甩离心力的作用下，滑片外端与缸孔的 接触力较大，最高可达5 0 0 N 以上。同时，为了防止滑片被卡死，在滑片与端盖之间 通常保留有4 1 5l aI l l 左右的配合间隙。上述相对速度、接触力以及配合间隙造成了 压缩机的摩擦损失和内部泄漏损失，还加剧了滑片和气缸的磨损，这是一个棘手的问 题，同时也是长期未解决好的老大难问题。 1 4 五邑大学硕士学位论文 圈2 - 2 滑片式压缩机工作原理示意图 F i g2 2 V a n e t y p ec o m p r e s s o r w o r k i n g p n n c i p l e 综合固内外研究学者及压缩机制造商对滑片式压缩机的研究成果”，目 前减摩的路径可以归纳为以下图2 - 3 几个方面： 图2 - 3 滑片式压缩机减摩路径示意图 F i g 23 V a n e t y p ec o m p r e s s o ra n t i f f i e t i o n m e t h o d 本课题在总结前人经验的基础上主要着眼于采用新型结构实现减少压缩机豹 摩擦损失，亦卸通过结构原理创新来实施减摩。从滑片式压缩机的结构特点和工作 特点容易看出，滑片式压缩机的摩擦、磨损和泄漏主要发生在几个地方：滑片与滑 槽、滑片与端盖、滑片与滚动活塞、滑片与缸孔壁面。不言而喻，控制这些部位的 一 一 一 一 五邑大学硕士学位论文 摩擦、磨损和泄漏，是提高该类装置性能指标的关键。显然，降低运动副的相对速 度、减少它们之间的接触力，不失为减摩抗磨的一条好途径。换句话说，通过结构 创新和原理创新，是可以实现低摩擦与低磨损的目的。 2 2 平动转子式汽车空调压缩机的平动机构 当前，通过降低运动副的相对运动速度来实现减少摩擦损失的技术方案有好几 种，主要有同步回转式压缩机结构、旋转缸套式压缩机结构17 1 幽3 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。 平动转子式压缩机由主要由气缸、平动转子、滑片、端盖和迸排气阀等零部件 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u 1 。 2 2 1 柱销孑L 组合式平动机构 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 图2 - 4 平动转子式压缩机结构示意图 F i g 2 4P a r a l l e l - m o v i n gr o t o rc o m p r e s s o rs t r u c t u r ed i a g r a m 1 6 五邑大学硕士学位论文 图2 - 4 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，滑片则在背压、 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 5 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 - 5 基于柱销孔的平动转子工作状态示意图 F i g 2 5B a s e d0 nt h ed o w e lp i no fP a r a l l e l 。m o v i n gr o t o rj o bs t a t u s 柱销孔平动机构的结构特点是结构比较紧凑，为防止运动可能出现的不确定 性，通常采用两个柱销孔的组合方式，且这两个柱销孔的中心连线不能经过转子 的中心，滑片槽可以开设在转子上也可以开设在气缸上，两种方案各有千秋：滑槽 1 7 -l 五邑大学硕士学位论文 开在转子上时加工比较方便，通过精铣或拉削加工均可，但滑片是运动的，对于不 设置进气阀的压缩机来说存在部分进气回吐现象，这是因为进气腔在整个进气过程 中出现“回小”的现象；而滑槽开设在气缸上的优点是气口的位置容易确定，不存 在进气腔“回小”的问题，另外滑片的控制比较方便，不易出现“脱空 现象( 见 第5 章) ，但这种布局使得压缩机的体积变大，而且滑槽宜采用拉刀加工，成本较 高。关于基于柱销孔平动机构的平动转子式汽车空调压缩机的更详细的研究见后面 诸章的内容。 2 2 2 平动环式平动机构 图2 6 是作者与导师研究过的一种基于平动环的平动压缩机b 副，其特点是滑片 布置在缸体之上，平动机构为十字滑环装置，一对凸键插入转子的滑槽之内，另一 对凸键插入端盖上的滑槽内，其中端盖滑槽是固定不动的( 本案例为水平设置，图 中未示出) 。图2 - 7 是该压缩机工作时滑片的工作位置示意图，从中不难发现，平 动环的质心运动轨迹为沿着端盖上的滑槽做往复运动。 s4 3 1 平动转子2 气缸3 进气口4 滑片5 排气口6 十字滑环7 转轴偏心轴颈 图2 - 6 基于平动环的平动转子汽车空调压缩机示意图 F i g 2 6B a s e do nt h em o v i n gr i n go ft h ea u t o m o b i l ea i rc o n d i t i o n i n gP a r a l l e l m o v i n gr o t o r c o m p r e s s o rs c h e m a t i cd i a g r a m 五邑大学硕士学位论文 豳平动环口凸键巨三刁转子槽 图2 7 平动转子压缩机平动环工作状态示意图 F i g 2 7P a r a l l e l m o v i n gr o t o rc o m p r e s s o rj o bs t a t u s 其实，十字滑环结构最早出现在涡旋式压缩机中( 见图2 - 8 ) ，是一个相对比 较成熟的平动机构，本案例将其移植到滑片式压缩机中。 崮 ， 酗 泠、 1 静涡盘2 动涡盘3 十字滑环4 主轴5 机架 图2 - 8涡旋压缩机中的十字滑环平动装置 F i g 2 8C r o s ss l i p r i n gm o v i n gd e v i c eo fS c r o l lc o m p r e s s o r 如图2 - 9 所示，十字滑环是一个封闭圆环，两侧各有一对相位相差9 0 。并对称 1 9 五邑大学硕士学位论文 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 凸键则与端盖上设置的一对键槽相配合1 。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。 图2 - 9 十字环及其运动规律 F i g 2 9R u n n i n gl a wo fc r o s ss l i p r i n gd e v i c e 为了分析十字滑环的运动规律，设x 方向为端盖上的滑槽方向，Y 方向为转子 上滑槽的方向，注意端盖滑槽是静止的，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。不难看出，十字 滑环上任意点在X 轴上的投影运动