汽车空调变排量压缩机电动控制阀的研制

1、汽车空调变排量压缩机电动控制阀的研制石伟林( 合肥江航飞机装配有限公司航空普宸汽车零部件分公司，合肥 230035)摘要:电动控制阀由波纹管控制件、壳体件、活门杆件、弹簧、密封件线圈等零部件组成，因对控制阀的核心关 键件波纹管组件研制生产的困难，目前国内还没有别的厂家自主研制成功。本公司根据多年的敏感元件生产经 验，对控制阀进行了国产化研制。经过批产考验，其研制的产品性能满足要求，形成了自主设计的产品。关键词:压缩机; 控制阀; 波纹管study on electric driven control valve of air conditioner compressor with capaci

2、ty adjustingfor automobilesshi weilin( aviation puchen automobile parts branch，avic hefei jianghang aircraft equipment co ltd，hefei 230035，china)abstract: electric driven control valve is consisted of bellows control part，shell，valve leader，spring，loop and sealing part it is not developed and fabric

3、ated successfully in china because the bellows as a core part of it can not be processed based on many year experience in producing sensitive elements，we successfully developed the control valve and could meet the perform- ance requirementskeywords: compressor，control valve，bellows引言系统压缩机的两大主流。压缩机的排

4、量能随汽车运行状况和外界环境条件而自行调节，达到节能、 降噪和实现车室环境最优化控制的目的，是汽车 空调技术的一个重大进步1。就压缩机而言，由定排量向变排量发展是必 然趋势。随着能源的逐步紧缺，特别是在目前，汽 车的动力仍然依赖于石油资源的情况下，节能环 保是每个车厂必须考虑的问题。因此，空调定排 量压缩机将逐渐被变排量压缩机所替代，并形成主 流。在这种情况下研究控制阀就显得意义重大。在国外，从上世纪八十年代开始，一些大的汽 车制造商、配套商对气动控制阀开始进行研制，至 今此类控制阀技术已经成熟稳定，且品种多样，象 denso、sanden 公司就拥有成熟的变量阀技术。11940 1955 年

5、，美国在一些豪华轿车上安装了采用 2 缸或 4 缸的往复式压缩机驱动的汽车空 调系统，开创了汽车空调系统和汽车空调压缩机 研究和生产的先河。1952 年通用( gm) 公司开始 采用的回转型压缩机，这种压缩机采用了两级皮 带轮传送比，以增加汽车在低速运行时的制冷量， 从而成为变排量压缩机发展的开端。1955 1962 年，通用( gm) 公司又研制了 5 缸摇板式压缩机， 并于 1962 年成功研制了斜盘式压缩机以替代摇 板式压缩机。到 19 世纪 80 年代，随着人们对压 缩机的重量、噪音等要求的不断提高，市场上开始 出现新型小而轻的摇式压缩机，同时结构紧凑的6 缸、10 缸斜盘式压缩机也开

6、始出现，并受到欢 迎。进而，斜盘式压缩机的运行机理开始被应用 在无级变排量压缩机的设计和制造上。另外，回 转型压缩机以其容积效率高、运行平稳、磨损件 少、可实现无级变排量等优点，也越来越受到人们 的注意，与斜盘式压缩机一起，成为当前汽车空调在 2001 年 6 月 份，美 国delphi公 司 为 雷 诺( renault) 公司的新一代汽车 laguna 配备的电动控制型变排量压缩机在欧洲上市，主要消费对象 是欧洲中上层开车族1。这是电动控制阀首次 批量配备装车，这标志着电动控制阀成功应用于 市场，接下来是进入进一步推广的阶段。收稿日期: 2011 07 14作者简介: 石伟林( 1974

7、) ，男，硕士，高级工程师，主要研究方向: 敏感元件。制冷技术58refrigeration第 10 期在中国，对控制阀的研制起步较晚，针对这种情况，我公司决定对控制阀( 包括电动控制阀) 进 行研发，实现拥有自主知识产权，并尽快实现工程 化、产业化。变排量压缩机的应用却是较新的技术，尤其在国内，应是汽车空调系统发展新技术的前沿。变排 量压缩机的排量随汽车室内热负荷变化进行无级 自动调节，保持车内室温处于设置的最佳状态。 无离合器循环所带来的喘振现象，因而运行平稳， 因根据空调系统对制冷剂的有效需求量能随时调 节压缩机排量，避免了压缩机离合器的频繁离合， 同时带来了发动机的负荷降低、噪音减少、

8、振动下 降、寿命延长、舒适性好的效果。气动控制阀的工作原理如图 1。产品工作原理与技术要求2汽车空调系统仍然是一个传统的应用最广泛且成熟的系统，并没有新的应用技术在里面，压缩 机为空调系统的核心控制部分，但对压缩机而言，图 1 变排量压缩机工作原理示意图fig 1 schematic of work principle of the capacity adjustable compressor当空调负荷增大，则压缩机吸气压力相应地升高，与之相连通的控制阀阀波纹管组件腔的压 力也相应地升高，使波纹管组件收缩，控制阀中的 锥阀开启度增大，球阀关小，进入摇板腔的高压气 体流量减小，机体内的压力降低，

9、摇板腔与吸气腔 体的压力差减小，致使摆盘倾角增大、活塞位移加 长，压缩机排量增大; 反之，当空调负荷减小，则压 缩机吸气压力相应地降低，与之相连通的控制阀 波纹管组件腔的压力也相应地降低，使波纹管组 件伸长，调节阀中的锥阀开度减小，球阀开度增大，进入摇板腔的高压气体流量增加，机体内的压力升高，摇板腔与吸气腔体的压力差增大，致使摆 盘倾角减小、活塞位移变短，压缩机排量减小。这 样，通过控制阀的功能作用，自动调节控制压缩机 的排量，从而达到自动调节空调制冷剂的流量，实 现无级自动调节制冷量的目的。而定排量压缩机 须要靠离合器与压缩机频繁地发生吸合与分离作 用，频繁间歇式地启动、关闭压缩机来调控制冷

10、剂 循环流动2。图 2 电动控制阀结构图fig 2 structure of electric driven control valve如图 2，电动控制阀是在气动控制阀的基础上加上电磁驱动机构，使控制阀的运动不再单纯制冷技术refrigeration59第 10 期依靠压缩机各腔的气体力来驱动，通过改变加在电磁线圈上的电流大小来改变铁芯推杆的推力及 作用在推杆上的弹簧力，从而改变控制阀相当于 气动阀球阀的开度，以满足不同制冷剂流量的要 求。与气动阀相比，电控阀响应速度快、精度高， 不仅可以设计出自动化程度较高的空调制冷系 统，还可以与汽车其他控制系统融合在一起，提高 轿车整体的自动化程度。分

11、析控制阀使用要求与工作原理，我们总结 出其满足的技术指标要求如下:( 1) 产品外形结构、尺寸应符合压缩机装配 要求。( 2) 各零件的材料、化学成分、机械性能等必 须满足其性能要求和国家标准规定。( 3) 性能检测: ( a ) 波纹管腔加某一初始压 力，球阀腔维持 pd ( mpa) 压力时，高压出口流量 应为 2 58 2 75m3 / h，( 线圈电流为 i ( a) ) ; ( b) 在球阀高压腔施压 pd ( mpa) ，高压出口流量控制们研制中要注意并关注的几个控制点分析如下:( 1) 控制阀的各性能测试技术指标要求，主 要靠其核心关键件波纹管组件来实现，我们必须 设计并加工出合

12、适的波纹管组件，以保证成品的 各技术性能指标，并保证我们拥有完全自主知识 产权。( 2) 为保证控制阀与压缩机的装配关系，应 控制阀所有阀体的外形尺寸，包括公差影响，设计 图样，确定尺寸公差时既要保证装配的目标要求， 又兼顾我们的机械加工生产实际。( 3) 控制阀中间阀体的内孔与活门杆外径尺 寸，必须严格控制两者之间的间隙大小，形位公差 与表面粗糙度要求3。( 4) 电磁线圈线径及长度的选择可参考有关 设计与测绘，通过规范绕制，以保证满足产品使用 要求，不是研制的难点。( 5) 根据我们自主设计研制的波纹管组件的 结构尺寸，设计好各控制阀阀体的内腔尺寸，保证 波纹管组件在阀体中能自由伸缩及装配

13、定位。以上第( 2) ( 5 ) 控制点基本与机械加工等 有关，各尺寸与公差范围的要求，在设计确定产品 图样时综合协调考虑，既要保证符合控制阀组装 调试的需要，满足控制阀技术规范要求，又能适合 我们国产化大批量生产加工要求即可，在此不多 加论述，第( 1 ) 分析点对关键件波纹管组件的研为 0 85m3 / h 时，波纹管腔压力应控制为 p( mpa) ，( 线圈电流为 i ( a) ) 。( 4) 球阀密封性测定球阀高压腔施压 pd ( mpa) ，波纹管腔压力调 整为 ps1 ( mpa) 时，球阀应关闭，其球阀关闭的密 封性应控制在 5 分钟内，波纹管腔压力升高不超 过 ps ( mpa

14、) ，( 线圈电流为 i ( a) ) 。( 5) 热稳定性控制阀经某一低温、某一高温下各停放一定 时间后，其性能满足( 3) 、( 4) 条款的规定。( 6) 耐压性试验控制阀应能在 p ( mpa) 压力下停留 2 小时，试验后其性能满足( 3) 、( 4) 条款的规定。( 7) 寿命试验s4制是我们研制的重点。4 波纹管组件的研制4 1波纹管组件的设计在波纹管设计中，作者开拓创新地阐述了一种设计思路与程序，并拟定其工作原理的数学表达，有关内容参见航宇救生杂志 2006 第 1 期真 空波纹管设计与制造5。依据阀体技术指标要求，设计波纹管组件时 对波纹管零件的调试特性性能要求我们拟先设计

15、推算波纹管受力关联式如下:虚拟产品现已调试好，低压端中的波纹管组 件力 f1 ( 相关参数: 被压缩长度为 l1 ，钢度为 k) ; 受通过钢球、活门杆作用的锥簧力及电磁力 f2 ; 受高压端 pd ( mpa) 气压推力约 f3 ; 则钢球上的合 力 f 约为:控 制 阀 应 能 经 受p1 ( kpa )交 变 压 力 下200000 次循环，控制阀在试验前后的变化量不应超过 7kpa 压力。( 8) 线圈电流为 i2 ( a) 时，在球阀高压腔施压pd ( mpa) ，高压出口流量应为 0。( 9) 线圈绝缘电阻不小于 30m，通 以 ac500v 电压 1 分钟，无击穿现象。研制分析3

16、根据产品结构及技术指标要求也可看出，我制冷技术60refrigeration第 10 期经过设计优化、验算后确定的有关参数情况介绍如下:波纹管的有关结构设计参数: 内径 d ( mm) ; 外径 d ( mm ) ; 有 效 波 纹 数 n 个; 毛 坯 壁 厚 t ( mm) ; 波距约 h ( mm) ; 波峰宽度约 h1 ( mm) ; 总 长 l( mm) 。依照波纹管的结构设计参数，列举有关特性f = f1 f2 f3 。控制阀装配时高压断输入 pd ( mpa) 气体压 力，低压端输入压力 ps ( mpa) 根据用户选择的压 力要求进行控制调试，阀体低压腔中的波纹管组 件受输入低

17、压作用，当压力到达控制范围内时启 动并产生位移，分析此技术要求应包含:特性控制点 1: 控制装配时波纹管组件的压 缩量，控制波组件的可压缩空间，可根据波纹管调 压范围要求及受总力、波纹管有效面积、刚度等来 计算) ，根据球阀的特点，此位移为 x( mm) 。特性控制点 2: 在用户选定压力范围内的压 差对波纹管组件的作用力使波组件产生的位移一 般不超过 x1 ( mm) ，否则球阀将可能完全关闭，此 项要求控制好波纹管组件在一定的波纹管结构尺 寸下对应刚度的大小。因此，依据波纹管受到的总力大小，依据上述 两控制点要求，设计合适的波纹管结构尺寸，确定 好波纹管控制参数，组配成波纹管组件后，对产品

18、 特性进行试验，检验是否符合设计要求。波纹管及组件设计图样如图 3、图 4。参数: 有效面积 a( mm2 ) ; 控制的刚度范围 k ( n /1mm) ; 有效位移空间约 s1 ( mm) ; 耐 px ( mpa) 。依据阀的性能要求，波纹管的特性参数，设计出波纹管组件的特性控制参数为:( 1) 组件刚度为 k( n / mm) ，其中的弹簧刚度k2 则应为 k2 = k k1 ( n / mm) 。( 2) 可压缩位移空间 s( mm) 。说明: 波纹管零件的有效位移空间应大于组 件的可压缩位移空间，因为波纹管零件组合成组 件，抽真空后，波纹管会收缩，其位移为: 6s2 = pa 10

19、 / k( mm)其中: p: 压力( pa) ; a: 有效面积( mm2 ) ; k:刚度( n / mm) 。4 2 波纹管组件的生产加工与检验波纹管的生产加工过程、其他装配零件的加 工过程、波组件的装配过程等在此均不作详 述6。图 3 波纹管组件结构图样fig 3 structure of bellows assembly波纹管结构尺寸及技术要求( 略) 如下。图 5 波纹管线性曲线图fig 5 linear chart of bellows capacity按批产定检的方式，对照阀的技术要求，我们 对研制的波纹管组件随机抽取了 20 件试验产品， 全部进行初始性能检测后，再从中分别抽

20、取 4 件 产品进行交变温试验、耐压试验、抗振性试验、抗 湿试验、寿命试验，之后再进行性能检测，其结果 均符合我们设计规定要求。通过检测波纹管的线性，产品非线性度不超 2% ( 一般控制在 4% 以内) ，试验线性曲线如 图 5。图 4 波纹管零件图样fig 4 pattern of bellows part按照波纹管零件图样及总体组件图样及技术 要求，很容易可确定其他上下盖、弹簧、顶针等的 图纸尺寸及相关要求，在此不做介绍。制冷技术refrigeration61第 10 期任务是对产品进行装配调试。通过设计研制装配调试的非标设备及有关工装，按如下气路图和装 配调试步骤我们完成了调节阀的装配调试及检 测，检测结果满足产品研制技术要求，满足了设计 要求。气路图:电动控制阀