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五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
21世紀(jì)，隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車(chē)業(yè)得到了蓬勃發(fā)展。作為小型汽車(chē)使用的空調(diào)，由于受到空間尺寸的苛刻限制，以及發(fā)動(dòng)機(jī)功率相對(duì)較小，因此非常注意壓縮機(jī)的效率、外形尺寸以及功耗等的影響。針對(duì)傳統(tǒng)壓縮機(jī)存在的一些不足，本設(shè)計(jì)研究了一種平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)的最大特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子采用平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，因此主要運(yùn)動(dòng)件之間的相對(duì)速度較小，故其摩擦損失很小。本設(shè)計(jì)主要完成以下方面的工作：
（1） 簡(jiǎn)單介紹了汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理，闡述了汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的發(fā)展歷程，并對(duì)其特殊要求進(jìn)行了說(shuō)明，進(jìn)而重點(diǎn)介紹了現(xiàn)有的滑片式和渦旋式這兩種兩種類型壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)。
（2） 重點(diǎn)詳細(xì)介紹了平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)思想，工作原理，并進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。
（3） 對(duì)平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的幾個(gè)重要零件如氣缸、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、平動(dòng)滑片、轉(zhuǎn)軸軸承座和后端蓋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在工藝和選材上進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
（4） 對(duì)平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的吸排氣系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析。
（5） 對(duì)平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)進(jìn)行了熱力學(xué)方面的分析與計(jì)算，并推導(dǎo)了平動(dòng)轉(zhuǎn)子和滑片的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)公式，同時(shí)還對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了動(dòng)平衡方面的分析。
與傳統(tǒng)滑片式壓縮機(jī)相比，本設(shè)計(jì)中的壓縮機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)副如轉(zhuǎn)子與氣缸、轉(zhuǎn)子與端蓋、滑片與缸孔之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度要小很多，因此它具有較少的摩擦和磨損。同時(shí)他還與渦旋壓縮機(jī)的平動(dòng)機(jī)構(gòu)有機(jī)融合在一起，取其之長(zhǎng)，因此等效制冷能力比現(xiàn)存的壓縮機(jī)高。而且結(jié)構(gòu)緊湊、外形尺寸小、重量輕，特別適宜小型汽車(chē)使用。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用了AutoCAD，Pro/E及Word，不但把所學(xué)的專業(yè)知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，而且還提高了計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，拓寬了知識(shí)面。
關(guān)鍵詞 汽車(chē)空調(diào)；壓縮機(jī)；平動(dòng)轉(zhuǎn)子；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Abstract
The 21st century, along with global economic development, the automobile industry gained vigorous development. Air conditioning which uses in the compact car, due to receive harsh limit from the spatial size, as well as the engine power is relatively small and therefore pays attention to influence from the efficiency of the compressor, the external dimensions as well as the power loss and so on. In view of traditional compressor exist some insufficiencies, this design has studied a fixed-rotor compressor, and the ultimate characteristic of this compressor is the rotor adopts a fixed-rotation mode of operation, the relative speed between the main movements is smaller, and therefore its friction loss is very small following the completion of the design of the main areas of work.?
（1）A brief introduction of the automotive air conditioning refrigeration system's constitution and the principle of work, elaborated the development process of automotive air conditioning compressor, and has carried on the explanation to its special request, then focus on introducing structure and characteristics of the existing gleitbretter type and the vortex type compressors.
（2）Focus more on the introduction of a fixed-rotor compressor’s design concept, the principle of work, and overall design.
（3）To the fixed-rotor compressor’s several important components like air cylinder, the rotor, the rotation shaft, the fixed-vane, the rotation shaft bearing seat and the back-end cover has carried out the structural design, and has carried on the detailed analysis in the craft and the selection.
（4）we have carried systemic design and analysis on suction exhaust system and lubrication system of the fixed-rotor compressor.
（5）We have carried on thermodynamic analysis and the calculation to the fixed-rotor compressor, and have inferred the fixed-rotor and vane's kinematic and dynamic formula, meanwhile have carried on the transient equilibrium analysis to the rotor.
Compares with the traditional vane compressor, this design compressor has much smaller relative velocity between the main movements such as the rotor and the cylinder, the rotor and the end cover, the vane and the cylinder hole, therefore it has the few friction and the attrition. Simultaneously, it also integration of vortex compressor's translation machine together, takes its long, the equivalent cooling capacity higher than the existing compressor. Moreover the structure is compact, the external dimensions are small, the weight is light, and so it is especially for small vehicles.
In the design process using AutoCAD, Pro / E and the Word, not only to learn the expertise, but also improve the ability of computer applications and broaden the knowledge.
Key words Automobile air-conditioning compressor translation rotor structural design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒 論 1
1.1 汽車(chē)空調(diào)的歷程、意義和特點(diǎn) 1
1.1.1 汽車(chē)空調(diào)歷程 1
1.1.2 汽車(chē)空調(diào)的意義 1
1.1.3 汽車(chē)空調(diào)的特點(diǎn) 2
1.2 汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)的構(gòu)成及其原理 2
1.3 汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的發(fā)展歷程 3
1.4 汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的特殊要求 4
1.5 滑片壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn) 5
1.6 渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn) 6
1.7 本章小結(jié) 7
第2章 平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī) 8
2.1 設(shè)計(jì)方案的提出 8
2.2 研究的意義 8
2.3 平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的工作原理 9
2.4 平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 10
2.5 平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的總體特點(diǎn) 10
2.6 平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)重要部件的設(shè)計(jì) 11
2.6.1 缸體 11
2.6.2 轉(zhuǎn)子 12
2.6.3 轉(zhuǎn)軸 13
2.6.4 平動(dòng)滑片 14
2.6.5 轉(zhuǎn)軸軸承座和后端蓋 15
2.7 本章小結(jié) 16
第3章 平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)系統(tǒng)分析 17
3.1 吸氣與排氣系統(tǒng)分析 17
3.2 潤(rùn)滑系統(tǒng)分析 18
3.3 本章小結(jié) 18
第4章 分析與計(jì)算 19
4.1 熱力學(xué)分析與計(jì)算 19
4.1.1 熱力學(xué)析 19
4.1.2 熱力計(jì)算 23
4.2 運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)算 26
4.2.1 平動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)算 26
4.2.2 滑片運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)算 27
4.3 動(dòng)力學(xué)模型 28
4.3.1 滑片受力分析 28
4.3.2 轉(zhuǎn)子受力分析 30
4.4 轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡計(jì)算 31
4.5 本章小結(jié) 32
第 5 章 制冷劑、潤(rùn)滑油及附件 33
5.1 制冷劑 33
5.1.1 選用制冷劑時(shí)應(yīng)滿足的基本條件 33
5.1.2 改用R134a時(shí)采用的措施 33
5.2 潤(rùn)滑油的選擇 34
5.2.1 選擇潤(rùn)滑油需滿足的要求 34
5.2.2 選用R134a對(duì)潤(rùn)滑油的意義 35
5.3 附件 36
5.3.1 電磁離合器 36
5.3.2 軸封及密封 37
5.4 本章小結(jié) 38
結(jié) 論 39
參考文獻(xiàn) 40
致 謝 41
附錄1 42
55
第1章 緒 論
1.1 汽車(chē)空調(diào)的歷程、意義和特點(diǎn)
1.1.1 汽車(chē)空調(diào)歷程
汽車(chē)問(wèn)世已有一百多年的歷史。隨著生活水平的逐步提高，汽車(chē)已成為人們生活中的必需品，成為房間生活的延伸部分。對(duì)房間環(huán)境的要求同樣延伸到汽車(chē)上，空調(diào)便是其中一個(gè)重要內(nèi)容。汽車(chē)上安裝空調(diào)裝置的主要目的在于營(yíng)造一個(gè)舒適的環(huán)境條件[1]。
汽車(chē)空調(diào)是從暖氣開(kāi)始的，最初是用煤炭腳爐取暖及把排氣管從車(chē)室內(nèi)通過(guò)。第一臺(tái)完整的汽車(chē)空調(diào)裝置出現(xiàn)在1927年，它包括一個(gè)加熱器、一套通風(fēng)系統(tǒng)及一個(gè)空氣過(guò)濾器。從1936年起，美國(guó)開(kāi)始著手研制汽車(chē)?yán)錃鈾C(jī)，到了1940年，美國(guó)Packard公司首次在汽車(chē)上采用制冷裝置，其后到50年代中在美國(guó)生產(chǎn)的Nash牌轎車(chē)上安裝了冷暖兼容的整體式空調(diào)裝置，60年代空調(diào)裝置才開(kāi)始在汽車(chē)上普及并獲得迅速發(fā)展。根據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，截至80年代末，全世界車(chē)用空調(diào)裝置年產(chǎn)量已超過(guò)3500萬(wàn)輛。發(fā)達(dá)國(guó)家中汽車(chē)空調(diào)的普及率達(dá)到80%～90%，二十世紀(jì)末全世界汽車(chē)空調(diào)器市場(chǎng)的年需求量達(dá)到7000萬(wàn)套。10年功夫就翻一番，可見(jiàn)其發(fā)展速度之快。
我國(guó)從1971年開(kāi)始在長(zhǎng)春一汽的紅旗牌轎車(chē)上裝上了空調(diào)器，上海也于80年代初在上海牌轎車(chē)上裝上了國(guó)產(chǎn)空調(diào)器。我國(guó)從1994年開(kāi)始在桑塔納轎車(chē)（新車(chē)型）上試裝了國(guó)產(chǎn)R134a空調(diào)器。我國(guó)車(chē)用空調(diào)裝置雖起步較晚，但發(fā)展速度不慢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1992年我國(guó)空調(diào)汽車(chē)的產(chǎn)量為16萬(wàn)輛，總保有量為76萬(wàn)輛。到了2000年空調(diào)車(chē)產(chǎn)量可達(dá)88萬(wàn)輛，總保有量約485萬(wàn)輛。不到10年時(shí)間，增加了4～5倍。
1.1.2 汽車(chē)空調(diào)的意義
汽車(chē)空調(diào)由五個(gè)要素組成，即溫度、濕度、氣流、潔凈度和輻射。由于空調(diào)一定要有空氣流動(dòng)，一般由風(fēng)機(jī)完成。風(fēng)機(jī)的噪音及空氣通過(guò)風(fēng)道而產(chǎn)生的噪音使人感到不舒服，因而減少風(fēng)機(jī)噪音及氣流噪音也成了空調(diào)的任務(wù)[2]。
調(diào)節(jié)溫度是空調(diào)的主要任務(wù)。汽車(chē)空調(diào)首先是有暖氣設(shè)備，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，轎車(chē)和中小型汽車(chē)一般以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水作為暖風(fēng)的熱源；而大型客車(chē)或嚴(yán)寒地區(qū)的車(chē)輛則常采用獨(dú)立式加熱器，夏季的降溫則由制冷裝置完成。
普通車(chē)輛一般沒(méi)有調(diào)節(jié)濕度的功能；高級(jí)車(chē)輛采用了冷暖合一的再加熱式空調(diào)器，可以適量地對(duì)車(chē)內(nèi)空氣進(jìn)行去濕處理，即靠制冷設(shè)備（蒸發(fā)器的冷卻、去濕）去除空氣中的絕對(duì)含濕量，再靠采暖設(shè)備（暖風(fēng)芯子升溫）降低空氣的相對(duì)濕度。
汽車(chē)的空氣調(diào)節(jié)裝置主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)內(nèi)空氣的換氣、加熱、冷卻和除濕。同時(shí),空調(diào)裝置還起到凈化空氣的作用。汽車(chē)安裝了空調(diào)裝置,可以給駕駛員創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。冬季使用暖風(fēng)裝置,可使車(chē)室內(nèi)空氣溫度適中,駕駛員不必穿著笨重的衣物,也不會(huì)因手腳過(guò)冷而影響駕駛。同時(shí)還可有效去除汽車(chē)門(mén)窗玻璃上的霜、霧,使駕駛員具有良好的視野,有利行車(chē)安全。夏季氣溫較高,駕駛員長(zhǎng)時(shí)同行車(chē)容易疲勞、困倦,使用冷風(fēng)裝置可使車(chē)內(nèi)溫度、濕度適宜,改善司機(jī)的工作條件。安裝空調(diào)裝置已成為衡量汽車(chē)功能是否完備和豪華的重要標(biāo)志。
1.1.3 汽車(chē)空調(diào)的特點(diǎn)
汽車(chē)的室內(nèi)工作條件比房間要惡劣得多，如汽車(chē)直接暴露在太陽(yáng)下或風(fēng)雪下，隔熱措施困難；汽車(chē)在行駛時(shí)有大量風(fēng)沙、廢氣從各種縫隙鉆入車(chē)廂，造成車(chē)廂內(nèi)的空氣污染并增加熱負(fù)荷；汽車(chē)的行駛速度變化無(wú)常，難以保證穩(wěn)定的空調(diào)工況等等。
汽車(chē)空調(diào)與家用空調(diào)的不同工作條件，可歸納成下表1-1所示[3]：
表1-1 汽車(chē)空調(diào)與家用空調(diào)的不同工作條件
汽車(chē)空調(diào)
家用空調(diào)
工作環(huán)境溫度
-30℃～100℃
-30℃～50℃
太陽(yáng)輻射
大
可遮擋
換氣頻率
大
極少
振動(dòng)
大
幾乎沒(méi)有
電源
12V/24V
110V/220V
直流
交流
制冷劑
R12→R134a
R22
制冷能力
（2.15～5.8）kw（中、小型車(chē)）
（1.9～4.1）kw
壓縮機(jī)型式
開(kāi)放式
封閉式
壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化
大
小
動(dòng)力來(lái)源
汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)
電動(dòng)機(jī)
連接管道
軟管
硬管
概括起來(lái)，汽車(chē)空調(diào)有下列特點(diǎn)：
（1）要求制冷量大、降溫迅速。
（2）不便于用電力作為動(dòng)力源，必須要用汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱主機(jī)）或輔助發(fā)動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱輔機(jī)）來(lái)帶動(dòng)壓縮機(jī)，因而在動(dòng)力源的處理上比房間空調(diào)困難得多。
（3）系統(tǒng)中冷媒（制冷劑）流量變化幅度大，設(shè)計(jì)困難。
（4）冷凝溫度高。
（5）制冷劑容易泄漏。
（6）由于汽車(chē)結(jié)構(gòu)緊湊，制冷裝置的安裝位置也很緊湊，各種車(chē)型必需有專門(mén)的車(chē)內(nèi)冷氣設(shè)備，蒸發(fā)箱總成通用化很困難。
（7）由于車(chē)廂高度低，風(fēng)量分配不易均勻，因而車(chē)內(nèi)溫度分布不易均勻。
1.2 汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)的構(gòu)成及其原理
汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)包括制冷壓縮機(jī)、冷凝器、貯液干燥器、膨脹閥、蒸發(fā)器和鼓風(fēng)機(jī)等組成，各部件之間采用銅管（或鋁管）和高壓橡膠連接成一個(gè)密閉系統(tǒng)[3]。
圖1-1 轎車(chē)?yán)錃庀到y(tǒng)外觀
圖1-1是汽車(chē)制冷系統(tǒng)外觀圖，所有汽車(chē)的冷氣系統(tǒng)都是由4個(gè)主要部件所組成。
它們是：壓縮機(jī)、膨脹閥、蒸發(fā)器和冷凝器[2]。
壓縮機(jī)(空調(diào)系統(tǒng)的心臟，用來(lái)壓縮和輸送制冷劑)；膨脹閥(一種節(jié)流裝置，使制冷劑經(jīng)過(guò)此裝置流入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器里產(chǎn)生壓力降)；蒸發(fā)器(一種熱交換器，液態(tài)制冷劑在低壓下蒸發(fā)，使車(chē)廂里的空氣得到冷卻)；冷凝器(一種熱交換器，用來(lái)排除在蒸發(fā)器中被制冷劑所吸收的熱量和壓縮機(jī)在壓縮制冷劑時(shí)所產(chǎn)生的熱量)。
制冷劑離開(kāi)壓縮機(jī)的排氣口，經(jīng)過(guò)冷凝器，使制冷劑冷卻到液化點(diǎn)變成液態(tài)，此時(shí)熱量被排到車(chē)廂外的大氣中。然后制冷劑到膨脹閥，之后離開(kāi)膨脹閥進(jìn)入蒸發(fā)器。當(dāng)制冷劑流過(guò)膨脹閥時(shí)，其壓力下降，因而蒸發(fā)成氣體狀態(tài)，需要吸收熱量。在此時(shí)，車(chē)廂內(nèi)熱而濕的空氣通過(guò)蒸發(fā)器時(shí)，碰到冰冷的金屬管芯和傳熱片，空氣驟冷下來(lái)，空氣中的水汽被凝結(jié)附在金屬壁而往下流，冷而干的空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)被送入車(chē)內(nèi)。從蒸發(fā)器歲來(lái)的制冷劑，經(jīng)過(guò)回氣管，從壓縮機(jī)的吸氣口進(jìn)入壓縮機(jī)，就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行循環(huán)。
1.3 汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的發(fā)展歷程
汽車(chē)業(yè)作為我國(guó)的支柱性產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展是非常迅猛的。2002年以來(lái)，我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)量年均增長(zhǎng)45.8%，07年有望達(dá)到850萬(wàn)輛。2006年底，汽車(chē)工業(yè)總產(chǎn)值占GDP的比重為3.7%，與汽車(chē)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的就業(yè)人數(shù)占社會(huì)就業(yè)總?cè)藬?shù)的1/6[1] 。在汽車(chē)工業(yè)的帶動(dòng)下，隨著人們對(duì)駕駛、乘坐舒適性要求的普遍提高，汽車(chē)空調(diào)已逐步成為汽車(chē)中的重要配件，不僅在轎車(chē)、各種大、中型客車(chē)、旅游車(chē)上配備率極高，在重型礦用車(chē)、工程機(jī)械車(chē)和農(nóng)用機(jī)車(chē)上也得到了配備。
1940年美國(guó)白卡(packard)公司第一次把機(jī)械制冷用于車(chē)用空調(diào)以來(lái)，汽車(chē)空調(diào)技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的迅猛發(fā)展己日臻完善。
隨著我國(guó)人民生活水平不斷提高，近幾年來(lái)，空調(diào)裝置已經(jīng)普及到戶和進(jìn)入車(chē)內(nèi)，成為重要的日常生活用品之一。汽車(chē)空調(diào)裝置己經(jīng)經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展。作為汽車(chē)空調(diào)裝置的核心部件——制冷壓縮機(jī)也隨之得到了迅猛發(fā)展。
作勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子安裝在圓柱型的氣缸中，再配置若干個(gè)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的滑片(板)，就能形成容積周期性變化的工作腔，旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)正是利用這種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作的。自1588年拉邁爾利(Rameli)首次提出了多基元滑片裝置的概念以來(lái)，人們?cè)O(shè)計(jì)和研制出的旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)有數(shù)十種之多，而真正得到廣泛應(yīng)用的只有滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)和旋葉式壓縮機(jī)。近三十年來(lái)，隨著精密加工技術(shù)的不斷提高，旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)的發(fā)展非常迅速，研究異常活躍，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者和工程技術(shù)人員在旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)的理論研究和工程實(shí)踐方面作了大量的工作，取得了巨大的成就，使旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)技術(shù)日臻完善。旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)具有性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)緊湊、零部件少及工作壽命長(zhǎng)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在房間空調(diào)、制冷器具，汽車(chē)空調(diào)及壓縮氣體裝置中得到廣泛的應(yīng)用。
圖1-2 壓縮機(jī)的布置
汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)與家用空調(diào)器的壓縮機(jī)不同，它的負(fù)荷較大，運(yùn)行工況相對(duì)惡劣，運(yùn)行轉(zhuǎn)速也經(jīng)常變化。另外，由于壓縮機(jī)靠皮帶驅(qū)動(dòng)，安裝位置非常有限，車(chē)用空調(diào)壓縮機(jī)對(duì)外形尺寸的要求也非常嚴(yán)格。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式主要經(jīng)歷了以下幾種結(jié)構(gòu)類型 [4] [5] 。
曲軸連桿式：屬傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，工藝成熟，可靠性好。但震動(dòng)較大，排氣脈沖較大，容易產(chǎn)生噪音。
斜板式：分回轉(zhuǎn)斜盤(pán)式（雙向活塞）和搖擺斜盤(pán)式（單向活塞）兩種?，F(xiàn)在應(yīng)用最多的機(jī)型。
滾動(dòng)活塞式：體積小，重量輕，效率高，但扭矩波動(dòng)角度。
渦旋式： 結(jié)構(gòu)緊湊，高效節(jié)能，微振低噪，可靠性高等特點(diǎn)
旋葉式：由于體積小，重量輕，啟動(dòng)力矩小，力矩平衡性能好等優(yōu)勢(shì)。 成為一種很有發(fā)展希望的新機(jī)型。
1.4 汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的特殊要求
制冷壓縮機(jī)是汽車(chē)?yán)錃庀到y(tǒng)的心臟，是推動(dòng)制冷劑在冷氣系統(tǒng)中不斷循環(huán)的動(dòng)力，起著輸送制冷劑蒸氣、保證制冷劑循環(huán)正常工作的作用[6] [7]。
由于這種壓縮機(jī)是用在汽車(chē)空調(diào)上，在性能方面的要求就與一般用途的壓縮機(jī)不同，因此，對(duì)汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)在性能和結(jié)構(gòu)上提出了下列特殊要求：
（1）要求在低速行駛或怠速時(shí)具有效率高、制冷能力強(qiáng)的特點(diǎn)，而在高速行駛時(shí)要求輸入功率低，這樣不僅能節(jié)省油耗，而且能降低發(fā)動(dòng)機(jī)用于空調(diào)方面的功率消耗，提高汽車(chē)動(dòng)力性。
（2）對(duì)于轎車(chē)等車(chē)型的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，壓縮機(jī)必須在發(fā)動(dòng)機(jī)和水箱風(fēng)扇之間的有限空間內(nèi)安裝固定，因此要求壓縮機(jī)的體積和質(zhì)量都要小。
（3）汽車(chē)在高溫怠速情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)艙里的壓縮機(jī)溫度可達(dá)成120℃；汽車(chē)行駛時(shí)顛簸振動(dòng)也很大，要求壓縮機(jī)在高溫和顛振的情況下能正常工作。
（4）對(duì)汽車(chē)的不利影響要小。要求壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低、振動(dòng)小，開(kāi)、停壓縮機(jī)時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響不應(yīng)太大，啟動(dòng)扭矩要小，工作可靠。
（5）由于壓縮機(jī)采用開(kāi)式結(jié)構(gòu)，要能經(jīng)受惡劣的運(yùn)行條件，對(duì)密封性能要求高。
1.5 滑片壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)
滑片壓縮機(jī)總體來(lái)說(shuō)，主要有以下三種形式[4]：?jiǎn)喂ぷ髑换瑝嚎s機(jī)，雙工作腔滑片壓縮機(jī)和貫穿滑片壓縮機(jī)。單工作腔滑片壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)，是滑片壓縮機(jī)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式。圖1-3為單工作腔滑片壓縮機(jī)的橫剖面圖，它主要由機(jī)體（又稱氣缸）、轉(zhuǎn)子及滑片等三部分組成。雙工作腔滑片壓縮機(jī)是70年代才開(kāi)發(fā)使用的新型旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)，圖1-4為雙工作腔滑片壓縮機(jī)的截面圖。它由氣缸、轉(zhuǎn)子、滑片、兩端蓋、進(jìn)排氣孔口及排氣閥等組成。貫穿滑片壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子上的滑片是貫通的，整體滑片放在通槽中。
圖1-3 單工作腔滑片壓縮機(jī) 圖1-4 雙工作腔滑片壓縮機(jī)
1.氣缸 2. 轉(zhuǎn)子 3.滑片 1.排氣閥 2. 轉(zhuǎn)子 3. 氣缸4. 滑片 5.吸氣口
與其他壓縮機(jī)相比，滑片壓縮機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件少、加工與裝配容易實(shí)現(xiàn)、維修方便。
（2）運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低、振動(dòng)小。由于無(wú)偏心旋轉(zhuǎn)的零部件，動(dòng)力平衡性能好，尤其在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲很小。
（3）起動(dòng)沖擊小?；饎?dòng)時(shí)逐步伸出，慣性和靜摩擦轉(zhuǎn)矩小，因而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩緩慢上升，減少了起動(dòng)沖擊。
（4）效率高。由于沒(méi)有吸氣閥，余隙膨脹不直接影響吸氣基元，因而使吸氣損失減少，容積效率提高。
（5）結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，便于狹窄空間安裝，因而比較適合汽車(chē)空調(diào)使用。
（6）壓縮機(jī)中多個(gè)基元同時(shí)工作，因此容積流量比較大、流量均勻、脈動(dòng)性小、不需安裝很大的貯氣器。
（7）滑片頂部與氣缸內(nèi)表面發(fā)生磨損時(shí)，滑片能自動(dòng)伸長(zhǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而可延長(zhǎng)使用壽命。
滑片壓縮機(jī)的主要缺點(diǎn)是滑片與轉(zhuǎn)子、氣缸之間的機(jī)械摩擦比較嚴(yán)重，產(chǎn)生較大的磨損和能量損失，因此使用壽命和效率較低。近年來(lái)圍繞降低摩擦損失進(jìn)行了不懈的努力，出現(xiàn)了許多新穎的結(jié)構(gòu)。此外，雖然滑片壽命現(xiàn)在已能突破8000h，但取決于材質(zhì)、加工精度及運(yùn)行條件，故它仍是影響滑片壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)周期的一個(gè)因素。
1.6 渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)
渦旋壓縮機(jī)是一種新型的旋轉(zhuǎn)—溶劑式壓縮機(jī)。渦旋壓縮機(jī)主要由固定渦旋體（定片，又稱警渦旋盤(pán)）、動(dòng)渦旋體（動(dòng)片，又稱動(dòng)渦旋盤(pán)）、止推機(jī)構(gòu)（由剛球、推力環(huán)和止推墊圈組成）、偏心回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（由傳動(dòng)軸、偏心套、銷子組成）、密封裝置及排氣閥組件等組成，參見(jiàn)圖1-5[8]。
圖 1-5 渦旋壓縮機(jī)
1.前板；2.皮帶輪；3.線圈；4.加液服務(wù)閥；5.機(jī)體；6.排氣口；7.吸氣口；8.過(guò)熱安全閥；9.連接螺釘；10.平衡重；11.軸承；12.推力軸承；13.平衡塊；14.密封條；15.固定渦旋體；16.動(dòng)渦旋體
圖1-6 渦旋式壓縮機(jī)
渦旋壓縮機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)：
（1）密封性好，容積效率高，一般可達(dá)90％以上，低速時(shí)也可達(dá)80％，而一般往復(fù)式壓縮機(jī)的容積效率只有（55～77）％。渦旋壓縮機(jī)的軸向密封是靠接觸（刀片狀密封裝置），密封性好，低壓進(jìn)氣腔與高壓進(jìn)氣腔不直接相鄰，中間還形成有中間壓力的腔室，因此相鄰腔室的壓力差小，氣體內(nèi)部泄漏量少。壓縮過(guò)程接近于絕熱壓縮，絕熱效率比往復(fù)式高10％左右。兩個(gè)渦旋片之間的接觸也是線接觸，不需要吸氣滑片。這些原因造成容積效率高，因此單位制冷量所消耗的功率可減少（10～30）％。
（2）體積小，重量輕，有高速旋轉(zhuǎn)可能。因?yàn)榭蓜?dòng)體的運(yùn)動(dòng)半徑只有（4～5）mm，兩個(gè)渦旋體之間的相對(duì)摩擦速度非常低，（是多刮片式的1/10，通常只有3m/s），可動(dòng)體的慣性力小，容量平衡，可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。軸承載荷均勻，機(jī)械磨損小，從而起動(dòng)扭矩和工作扭矩非常小，可采用小直徑離合器，而且工作壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠。最高連續(xù)轉(zhuǎn)速可達(dá)10000r/min。
（3）動(dòng)作平穩(wěn)，噪音低。完成一個(gè)壓縮過(guò)程要轉(zhuǎn)動(dòng)2.5圈，吸、壓、排三個(gè)過(guò)程同時(shí)連續(xù)進(jìn)行，扭矩變動(dòng)小，振動(dòng)小。
（4）排氣溫度低，可使用普通冷凍機(jī)油。
（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)少。主要零件僅為往復(fù)式的1/10。
渦旋式壓縮機(jī)采用轉(zhuǎn)子平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的工作方式，其機(jī)械效率和容積效率固然很高，但它的渦盤(pán)結(jié)構(gòu)對(duì)制造、裝配和檢測(cè)等環(huán)節(jié)要求極嚴(yán)，因而制造成本十分高昂。
1.7 本章小結(jié)
本章從汽車(chē)空調(diào)著手，主要介紹了汽車(chē)空調(diào)的發(fā)展簡(jiǎn)史、作用和特點(diǎn)。接著介紹了汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)的組成和原理。進(jìn)而引深到汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的發(fā)展、要求和其兩種結(jié)構(gòu)——滑片壓縮機(jī)和渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、特點(diǎn)及其優(yōu)缺點(diǎn)。
第2章 平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)
2.1 設(shè)計(jì)方案的提出
滑片式壓縮機(jī)因具有體積小、重量輕和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于制冷與空調(diào)領(lǐng)域，尤其是它的結(jié)構(gòu)非常緊湊，因此十分適合用作汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)。但是，該類壓縮機(jī)存在有一個(gè)明顯的缺陷，這就是它的摩擦損失比較大，大約占到了壓縮機(jī)全部耗功的29%。究其原因，主要是該類壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)副如滑片與缸孔、滑片與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與端蓋之間存在有很大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，因此導(dǎo)致了比較大的摩擦與磨損。顯然，降低上述關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度是提高滑片式壓縮機(jī)機(jī)械效率和工作壽命的有效手段之一。
當(dāng)前，通過(guò)降低運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)減少摩擦的技術(shù)方案有好幾種，主要有
同步回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)缸套式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)[4][5]以及平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，上述措施各有千秋，其中平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的基本思路是將渦旋壓縮機(jī)的平動(dòng)機(jī)構(gòu)移植到滑片式壓縮機(jī)，亦即讓轉(zhuǎn)子采用平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)方式，一方面充分利用平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)半徑小的特點(diǎn)來(lái)降低壓縮機(jī)各主要運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，另一方面保留了傳統(tǒng)滑片式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和制造方便的優(yōu)點(diǎn)，因此該類壓縮機(jī)從原理和結(jié)構(gòu)上均反映有渦旋壓縮機(jī)和滑片式壓縮機(jī)的一些特征，是一種值得探討的新型旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)。
2.2 研究的意義
斜盤(pán)式壓縮機(jī)是現(xiàn)在汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)中采用的主要機(jī)型。由于旋葉式壓縮機(jī)體積小、重量輕、啟動(dòng)力矩小、力矩平衡性能好以及渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能、微振低噪、工作可靠性高等特點(diǎn)，是汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)今后的發(fā)展趨勢(shì)，但旋葉式壓縮機(jī)存在著摩擦損耗較大的問(wèn)題。斜盤(pán)式壓縮機(jī)是現(xiàn)在汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)中采用的主要機(jī)型。由于旋葉式壓縮機(jī)體積小、重量輕、啟動(dòng)力矩小、力矩平衡性能好以及渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能、微振低噪、工作可靠性高等特點(diǎn)，是汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)今后的發(fā)展趨勢(shì)，但旋葉式壓縮機(jī)存在著摩擦損耗較大的問(wèn)題.,如圖2-1所示
圖2-1 旋葉式壓縮機(jī)消耗圖
2.3 平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的工作原理
平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)由氣缸、平動(dòng)轉(zhuǎn)子、滑片、端蓋和進(jìn)排氣閥等零部件組成，另外還有引導(dǎo)轉(zhuǎn)子作平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，與渦旋式壓縮機(jī)相似，平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的平動(dòng)機(jī)構(gòu)可以采用十字滑環(huán)機(jī)構(gòu)、球形聯(lián)軸器機(jī)構(gòu)、鋼球/環(huán)槽組合機(jī)構(gòu)和柱銷/孔組合機(jī)構(gòu)等等。
圖2-2 平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
1.電磁離合器 2.進(jìn)氣口 3.平衡塊 4.左端蓋 5. 偏心軸頸 6.右端蓋
7.滑片 8.平動(dòng)轉(zhuǎn)子 9.缸體 10.柱銷 11.彈簧 12.簧片閥
圖2-2給出的是基于柱銷/孔平動(dòng)機(jī)構(gòu)的平動(dòng)轉(zhuǎn)子式汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中轉(zhuǎn)子偏置在氣缸內(nèi)，轉(zhuǎn)子的外圓表面與缸孔保持接觸配合，滑片在背壓、離心慣性力以及彈簧的共同作用下保持與缸孔壁面接觸密封。轉(zhuǎn)子受轉(zhuǎn)軸上的偏心軸頸驅(qū)動(dòng)，并在平動(dòng)機(jī)構(gòu)的約束下做平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，圖2-3給出了該壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)平動(dòng)轉(zhuǎn)子處在四個(gè)極限位置時(shí)的狀態(tài)，容易看出，轉(zhuǎn)子確實(shí)是在做平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，這是平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)與傳統(tǒng)滑片式壓縮機(jī)的最大不同之處。
圖2-3 平動(dòng)轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)示意圖
平動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的工作原理是：由轉(zhuǎn)子的外表面、缸孔的內(nèi)圓面以及兩側(cè)端蓋構(gòu)成一個(gè)封閉的月牙形空間，該空間被滑片分隔成為若干個(gè)排氣腔和吸氣腔。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，吸氣腔的容積逐漸增大，氣態(tài)的工質(zhì)經(jīng)吸氣口被吸入其內(nèi)；與此同時(shí)，排氣腔的容積逐漸減少，被封閉在其內(nèi)的工質(zhì)受到壓縮，壓力逐漸上升，當(dāng)壓縮壓力達(dá)到足夠高時(shí)工質(zhì)就會(huì)推開(kāi)簧片單向閥而排出排氣腔。在圖2-2所示的實(shí)施例中，采用了兩滑片結(jié)構(gòu)，為此設(shè)置了兩組排氣組件，平動(dòng)轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周共發(fā)生兩次排氣，高壓排氣經(jīng)油氣分離器后從排氣口排出壓縮機(jī)外，潤(rùn)滑油則被分離出來(lái)流回油池后再通過(guò)壓差輸送到各運(yùn)動(dòng)副。
2.4 平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)由機(jī)架、轉(zhuǎn)軸、平動(dòng)機(jī)構(gòu)、平動(dòng)轉(zhuǎn)子、氣缸、滑片等零部件組成，圖2-4給出了該壓縮機(jī)的橫剖視圖，其中平動(dòng)轉(zhuǎn)子偏置在氣缸孔內(nèi)，平動(dòng)轉(zhuǎn)子的外表面與缸孔接觸配合，轉(zhuǎn)軸的軸線與平動(dòng)轉(zhuǎn)子的軸線平行設(shè)置，兩者的偏心距即為平動(dòng)轉(zhuǎn)子的平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，轉(zhuǎn)軸的一端與電磁離合器相連并受其驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸的另一端伸出一個(gè)偏心軸頸插入平動(dòng)轉(zhuǎn)子的軸孔內(nèi)并驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。本平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的最大特點(diǎn)是采用柱銷與孔組合連軸器防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來(lái)引導(dǎo)轉(zhuǎn)子作平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，區(qū)別于渦旋壓縮機(jī)，平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)摒棄了渦盤(pán)結(jié)構(gòu)而將轉(zhuǎn)子做成圓環(huán)狀，這樣不僅制造簡(jiǎn)單而且容易保證裝配精度；另外區(qū)別于旋葉式壓縮機(jī)，平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的葉片不再貼著缸孔壁面高速滑行，因而它的摩擦損失與磨損有望減少，機(jī)械效率和工作壽命有望提高。
圖2-4 平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
1.柱銷 2. 排氣口 3. 平動(dòng)轉(zhuǎn)子 4.缸體 5. 轉(zhuǎn)軸偏心軸頸 6.進(jìn)氣口 7.滑片
2.5 平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的總體特點(diǎn)
平動(dòng)機(jī)構(gòu)是目前渦旋壓縮機(jī)的一個(gè)重要組成部件，其形式主要有十字滑環(huán)機(jī)構(gòu)、球形聯(lián)軸器機(jī)構(gòu)、柱銷/孔組合機(jī)構(gòu)、鋼球/環(huán)槽組合機(jī)構(gòu)等等，考慮到制造方便，平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)采用十字滑環(huán)機(jī)構(gòu)，如圖2-5所示，十字滑環(huán)是一個(gè)封閉圓環(huán)，兩側(cè)各有一對(duì)相位相差90°并對(duì)稱布置的矩形凸鍵，其中一對(duì)矩形凸鍵與轉(zhuǎn)子背面的一對(duì)鍵槽相配合，另外一對(duì)矩形凸鍵則與機(jī)架上設(shè)置的一對(duì)鍵槽相配合[9] [10]。在十字滑環(huán)的限制下，當(dāng)轉(zhuǎn)子受到轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)只能是平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。
十字滑環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是具有自動(dòng)調(diào)心功能，可以消除軸心偏移，另外十字滑環(huán)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，制造及裝配非常簡(jiǎn)單。十字滑環(huán)的主要缺陷是滑塊凸鍵與滑槽之間存在滑動(dòng)摩擦，容易造成滑塊磨損，因此必須對(duì)該運(yùn)動(dòng)副加強(qiáng)潤(rùn)滑并注意控制滑塊與滑槽的配合間隙。
圖2-5 十字環(huán)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律
為了分析十字滑環(huán)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)x方向?yàn)闄C(jī)架上的滑槽方向，y方向?yàn)檗D(zhuǎn)子背面上滑槽的方向，注意機(jī)架滑槽是靜止的，而轉(zhuǎn)子滑槽是運(yùn)動(dòng)的，由于凸鍵依滑環(huán)直徑方向布置，所以十字滑環(huán)的中心落在x的軸線上并做往復(fù)運(yùn)動(dòng)[6]。不難看出，十字滑環(huán)上任意點(diǎn)在x軸上的投影運(yùn)動(dòng)是一個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，因此十字滑環(huán)中心在x軸上的位移為
（2-1）
式中，e為轉(zhuǎn)子中心相對(duì)與轉(zhuǎn)軸中心的偏心距，ω為轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)角速度。
對(duì)（2-1）式求導(dǎo)，得十字滑環(huán)的運(yùn)動(dòng)速度為
（2-2）
十字滑環(huán)的運(yùn)動(dòng)加速度為
（2-3）
由上面的式子可以看見(jiàn)，十字滑環(huán)在機(jī)架上滑槽中的兩極端位置時(shí)加速度最大，在中間位置時(shí)加速度為零，其加速度的數(shù)值大小與偏心距e、角速度ω的平方成正比。由于這個(gè)加速度的存在，使得十字滑環(huán)存在慣性力并引起振動(dòng)，所以應(yīng)盡量減少十字滑環(huán)的質(zhì)量以降低慣性力。另外，根據(jù)渦旋式壓縮機(jī)的使用經(jīng)驗(yàn)，凸鍵/動(dòng)滑槽上的受力比凸鍵/靜滑槽上的受力要大，且受力變化急劇，因此十字滑環(huán)上與轉(zhuǎn)子滑槽配合的凸鍵更加容易出現(xiàn)摩擦和磨損，此時(shí)可采取一些工藝措施如對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，比如氮化處理或者磷化處理等?
2.6 平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)重要部件的設(shè)計(jì)
本壓縮機(jī)的關(guān)鍵零部件主要有缸體、轉(zhuǎn)子、平動(dòng)滑片、轉(zhuǎn)軸、后端蓋和轉(zhuǎn)軸軸承座等等。先就他們的結(jié)構(gòu)、選材和工藝特點(diǎn)進(jìn)行分述：
2.6.1 缸體
缸體是壓縮機(jī)進(jìn)行氣體壓縮的關(guān)鍵部位，它關(guān)系到整個(gè)壓縮機(jī)的摩擦、泄露和效率，直接影響到壓縮機(jī)的性能。所以，無(wú)論氣缸在設(shè)計(jì)還是制造過(guò)程中都要求非常高。其結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。
圖2-6 缸體
從結(jié)構(gòu)可知，該結(jié)構(gòu)采用4個(gè)定位套和6個(gè)定位孔，通過(guò)采用長(zhǎng)螺栓將軸承座、缸體和后端蓋連接固定在一起，從而固定轉(zhuǎn)子不會(huì)左右晃動(dòng)。而為了保持軸承座、缸體及后端蓋三者能緊固一起轉(zhuǎn)動(dòng)，故要求螺栓與其的連接采用緊固螺栓連接，并采用過(guò)盈配合。缸體的外部與殼體相配，而其內(nèi)孔會(huì)與轉(zhuǎn)子相碰撞（轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)時(shí)），故其內(nèi)表面的粗糙度精度要求相對(duì)會(huì)高些，希望達(dá)到Ra0.8μm。缸體的兩端分別與軸承座和后端蓋相緊密配合，故要求其兩端的表面粗糙度能達(dá)到Ra0.2μm。同時(shí)其配合精度尤其是形位公差要求卻很高，是本壓縮機(jī)必須重點(diǎn)控制的零部件之一。其六個(gè)螺栓孔的分布有特殊要求，中間螺栓兩孔的中心線與豎直中心線相重合。兩邊螺栓孔的夾角分別為。在兩個(gè)螺栓孔的兩頭對(duì)稱地加工深10安裝定位孔，用于安裝時(shí)插入厚為1.5mm的套筒，保證安裝時(shí)缸體、轉(zhuǎn)子軸承座、后端蓋三者在同一直線上。缸體兩側(cè)切出一個(gè)平臺(tái)，用于安裝簧片閥，便于加工排氣孔。
而對(duì)于其在此結(jié)構(gòu)中的吸排氣設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，我們采用軸向吸氣，徑向排氣。對(duì)吸氣口來(lái)說(shuō)，只須保證其位置度，且其位置度要求也不高，而其吸氣口尺寸公差可為自由公差，加工較為簡(jiǎn)單和方便，其粗糙度要求不高，比曲軸連桿式少了吸氣閥。排氣口的尺寸要求也不高，同樣只須保證位置度要求
轉(zhuǎn)子高速地在型腔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，缸體承受的摩擦非常大，因而缸體要選擇耐磨的材料。又為了減輕壓縮機(jī)的總體質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性及材料來(lái)源的方便性等綜合考慮確定選用硼合金鑄鐵為氣缸材料。
2.6.2 轉(zhuǎn)子
其結(jié)構(gòu)如圖2-7所示
圖2-7 轉(zhuǎn)子
從結(jié)構(gòu)可知，該結(jié)構(gòu)采用3個(gè)平動(dòng)柱銷與后端蓋相連（3個(gè)柱銷用復(fù)位彈簧相連在一起，從而帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子做平動(dòng)）而轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸之間采用滾針軸承相連。轉(zhuǎn)子兩端分別與軸承座和后端蓋緊密相連，故要求轉(zhuǎn)子的兩端保持尖角。而且其外面的表面粗糙度要求也較高，盡可能達(dá)到Ra0.4um。
本結(jié)構(gòu)在選材上從以下幾方面來(lái)考慮：
（1） 從耐磨性來(lái)考慮：因?yàn)樵诎惭b葉片的軸徑它要經(jīng)常和氣缸的內(nèi)圓摩擦，所以那段軸徑就得要求耐磨。
（2） 從強(qiáng)度來(lái)考慮：因?yàn)榘惭b葉片的槽的一側(cè)材料的厚度的問(wèn)題，在同一厚度的基礎(chǔ)上，必須選擇一種材料能達(dá)到一定的強(qiáng)度，以保證軸的壽命。
（3） 從工藝的實(shí)現(xiàn)和簡(jiǎn)單化來(lái)考慮。
最后確定選用QT600-3（稀土鎂球墨鑄鐵）為轉(zhuǎn)子的材料
2.6.3 轉(zhuǎn)軸
其結(jié)構(gòu)如圖2-8所示
圖2-8 轉(zhuǎn)軸
從結(jié)構(gòu)可知，轉(zhuǎn)軸的形狀較為復(fù)雜，受力狀況非常惡劣，其下端與電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)盈緊配，其上端與轉(zhuǎn)軸軸承座及轉(zhuǎn)子連接。轉(zhuǎn)軸承受著交變的轉(zhuǎn)矩和彎矩、以及全部運(yùn)動(dòng)件的重力和不平衡軸向氣體力，并通過(guò)一個(gè)向心短圓柱滾針軸承的內(nèi)圈支撐在推力墊片上。特別是轉(zhuǎn)軸的軸芯部位設(shè)置有中空的進(jìn)氣道，且還開(kāi)設(shè)有與潤(rùn)滑油道，因此受力截面相當(dāng)嚴(yán)峻，無(wú)疑她是本壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的一個(gè)零件。為此在選材上采用對(duì)應(yīng)力不太敏感且具有較高綜合性能的QT600-3（稀土鎂球墨鑄鐵），必要時(shí)也可采用綜合性能更優(yōu)的QT600-3稀土鎂球墨鑄鐵來(lái)制做。轉(zhuǎn)軸采用正火處理并進(jìn)行表面氮化，另外為了提高她的抗疲勞強(qiáng)度，還可對(duì)其進(jìn)行噴丸強(qiáng)化。
而與轉(zhuǎn)軸連接的軸承有兩個(gè)，其中一個(gè)軸承與轉(zhuǎn)軸及軸承座孔的配合方面的工藝是：為了減少振動(dòng)降低噪聲同時(shí)兼顧成本，該軸承選用一個(gè)滾針軸承，轉(zhuǎn)軸軸頸與軸承的間的配合采用H7/k6，軸承與軸承座孔間的配合采用K7/h6。另一與轉(zhuǎn)子連接的軸承也同理。轉(zhuǎn)軸軸頸配合表面的粗糙度取為Ra1.6μm或者更高，其軸肩的跳動(dòng)量不大于0.01mm；軸承孔座配合面的表面粗糙度取為Ra1.6μm～3.2μm，其圓度和圓柱度不大于座孔直徑公差之半，孔肩的擺動(dòng)量不大于Ra0.015μm。轉(zhuǎn)軸軸線必須與轉(zhuǎn)軸氣缸端的端面垂直，座孔軸線必須與座孔端面垂直，兩者在軸線長(zhǎng)度100mm的范圍內(nèi)，不垂直度小于φ0.006mm。另外如前所述，對(duì)轉(zhuǎn)軸整體進(jìn)行噴丸處理，以提高其抗疲勞強(qiáng)度。
2.6.4 平動(dòng)滑片
其結(jié)構(gòu)如圖2-9所示
圖2-9 平動(dòng)滑片
（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
首先是根據(jù)轉(zhuǎn)軸的滑片槽的形狀來(lái)初步確定滑片的形狀，之后為減少摩擦就需要把滑片與缸體的接觸面設(shè)計(jì)成圓弧形，如圖2-9所示。最后是根據(jù)缸體的高度來(lái)確定滑片的長(zhǎng)度，由偏心距和轉(zhuǎn)軸軸徑與缸體內(nèi)徑最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離來(lái)綜合考慮滑片的寬度，滑片的厚度則由滑片所需要的受力和材料的強(qiáng)度來(lái)確定，這樣又反過(guò)來(lái)去確定軸上那槽的寬度。
從結(jié)構(gòu)可知，該平動(dòng)滑片的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，在整個(gè)系統(tǒng)中，我們采用2個(gè)該結(jié)構(gòu)的平動(dòng)滑片，從而實(shí)現(xiàn)2個(gè)工作腔，而2個(gè)滑片也是通過(guò)彈簧相連來(lái)實(shí)現(xiàn)平動(dòng)機(jī)構(gòu)的。
（2）精度的設(shè)計(jì)
滑片是壓縮機(jī)里的重要零件，它設(shè)計(jì)的好壞將影響到容積效率等，是影響預(yù)定性能實(shí)現(xiàn)的先決條件，所以必須使其達(dá)到一定的精度：平面度、平行度、垂直度、粗糙度等的要求是很高的。因滑片要與轉(zhuǎn)子、缸體相接觸碰撞，故要求其表面粗糙度較高，達(dá)到Ra0.4um。
（3）材料的選擇
由于滑片是一個(gè)受摩擦、磨損較多的零件，所以其耐磨性、硬度、強(qiáng)度要求必須很高，由此確定選用硼合金鑄鐵作為該零件的材料。
2.6.5 轉(zhuǎn)軸軸承座和后端蓋
其結(jié)構(gòu)如圖2-10和圖2-11所示
圖2-10 轉(zhuǎn)軸軸承座
圖2-11 后端蓋
（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
兩端蓋的主要功用是支撐轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)和氣缸的密封。當(dāng)中，包含了端蓋定位固定、軸承安裝與拆卸、進(jìn)排氣口位置、潤(rùn)滑油的油道及螺栓孔等設(shè)計(jì)，如圖2-10和圖2-11所示。由于轉(zhuǎn)軸軸承座和后端蓋是和轉(zhuǎn)子、滑片、氣缸構(gòu)成封閉容積進(jìn)行氣體壓縮的，所以軸承座、后端蓋與缸體相連的那一端面精度要求比較高。另外，其外圓也要和殼體進(jìn)行配合，在加工精度上也有一定的要求。先外圓為粗基準(zhǔn)，把軸承孔加工出來(lái)，再以軸承孔為定位基準(zhǔn)，分別對(duì)外圓和端面進(jìn)行精加工，這樣就可以保證工件的精度要求。最后在端蓋上開(kāi)有螺栓孔，以便定位固定；同樣在后端蓋外圓亦開(kāi)有螺栓孔，以便軸承座、缸體及后端蓋三者連接一起。
從結(jié)構(gòu)上可知，軸承座與后端蓋分別安裝在缸體、轉(zhuǎn)子的兩邊，故對(duì)其相配合連接的一面的表面粗糙度要求較高，希望達(dá)到Ra0.2um。而轉(zhuǎn)軸軸承座主要起到定位固定轉(zhuǎn)軸作用，其內(nèi)孔與轉(zhuǎn)軸相連接，而為了保護(hù)轉(zhuǎn)軸，我們采用滾針軸承連接，還可以起到力的傳遞效果。
（2）潤(rùn)滑的設(shè)計(jì)
在斷面與軸承孔之間開(kāi)有油道，以便潤(rùn)滑油可以對(duì)軸承等需要潤(rùn)滑的零件進(jìn)行潤(rùn)滑，延長(zhǎng)其工作壽命。
（3）材料的選擇
①?gòu)膶?shí)用性來(lái)考慮；
②從經(jīng)濟(jì)性來(lái)考慮；
③從減輕重量來(lái)考慮；
從這三點(diǎn)作為基本參考方向確定選用硼合金鑄鐵為轉(zhuǎn)軸軸承座及后端蓋的材料
2.7 本章小結(jié)
由第1章我們了解到當(dāng)前汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)現(xiàn)存在的問(wèn)題和不足，于是我們研究設(shè)計(jì)了一種新型的壓縮機(jī)——平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)。，并于本章中介紹了該研究該設(shè)計(jì)的意義。與此同時(shí)，還在第2章中詳細(xì)闡述了平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的工作原理，基本結(jié)構(gòu)，總體特點(diǎn)，并對(duì)該設(shè)計(jì)中的幾個(gè)重要零件如缸體、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、平動(dòng)滑片，軸承座和后端蓋等其在結(jié)構(gòu)、工藝特點(diǎn)和選材進(jìn)行了較為詳細(xì)的說(shuō)明。
第3章 平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)系統(tǒng)分析
本壓縮機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體布局如圖4-1所示
圖4-1 壓縮機(jī)的吸排氣系統(tǒng)與潤(rùn)滑系統(tǒng)
3.1 吸氣與排氣系統(tǒng)分析
本設(shè)計(jì)采用了軸向進(jìn)氣，徑向排氣的方案。進(jìn)氣系統(tǒng)采取氣體直接輸送到壓縮機(jī)吸氣腔的方法，如圖4-1所示，本壓縮機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)由進(jìn)氣管，進(jìn)氣管接頭，氣道都頭及密封元件等組成。排氣系統(tǒng)涉及到排氣管，后端蓋和排氣閥等部件。氣體經(jīng)進(jìn)氣管，進(jìn)氣管接頭進(jìn)來(lái)后，首先通過(guò)殼蓋的進(jìn)氣孔口進(jìn)氣，然后經(jīng)空隙來(lái)到轉(zhuǎn)軸軸承座。通過(guò)轉(zhuǎn)軸軸承座的孔道，氣體進(jìn)入缸體，再通過(guò)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)滑片旋轉(zhuǎn)，使得空氣由軸向進(jìn)氣孔被吸入，經(jīng)過(guò)壓縮，氣體的壓力升高，進(jìn)而壓開(kāi)排氣孔的排氣閥，最后從排氣閥排出來(lái)的氣體經(jīng)過(guò)油氣過(guò)濾網(wǎng)，在排氣口排出。每個(gè)基元在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)中吸、排氣兩次，完成兩個(gè)工作循環(huán)，因而流量非常均勻、脈動(dòng)性也很??；輸氣量大且結(jié)構(gòu)緊湊。這樣，作用在轉(zhuǎn)子上的徑向氣體力基本平衡（滑片為偶數(shù)時(shí)理論上可以完全平衡），卸除了軸承的徑向負(fù)荷，故軸承的使用壽命長(zhǎng)，可靠性好。而由于本壓縮機(jī)的排氣系統(tǒng)在整個(gè)工作期間都處在運(yùn)動(dòng)之中，因此與傳統(tǒng)滾動(dòng)活塞式壓縮機(jī)的排氣系統(tǒng)有很大不同，它對(duì)排氣閥組提出了更高的要求。
3.2 潤(rùn)滑系統(tǒng)分析
潤(rùn)滑油從殼蓋的進(jìn)氣口進(jìn)入本壓縮機(jī)的內(nèi)腔后，少部分經(jīng)過(guò)空隙來(lái)到了轉(zhuǎn)軸處，大部分隨著制冷劑來(lái)到了本壓縮機(jī)的后部的排氣室。而排氣室內(nèi)有一較大的空間，在排氣室里裝有一油氣分離濾網(wǎng)，用來(lái)分離油氣，使蒸汽盡可能不會(huì)含有潤(rùn)滑油排除而進(jìn)入油池。油池里的潤(rùn)滑油在壓差作用下，一部分潤(rùn)滑油通過(guò)油道小孔和孔進(jìn)入轉(zhuǎn)子并潤(rùn)滑轉(zhuǎn)子和滾針軸承19，而由于軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的離心力，使油通過(guò)小孔潤(rùn)滑軸承5及轉(zhuǎn)軸，同時(shí)也形成真空度，使?jié)櫥筒粩啾晃雮鲃?dòng)軸的油道中。這樣，潤(rùn)滑油就通過(guò)油道潤(rùn)滑軸承，軸封。另一部分潤(rùn)滑油被壓入缸體，通過(guò)轉(zhuǎn)軸的高速轉(zhuǎn)動(dòng)潤(rùn)滑缸體，螺釘和軸封。潤(rùn)滑后的油，隨制冷蒸氣壓縮，再回到油氣分離器，不斷循環(huán)利用。
3.3 本章小結(jié)
介紹了平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)及各種特點(diǎn)后，于本章介紹了平動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的吸排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和其潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從本章中可知，這三種系統(tǒng)是互助互用，相互關(guān)聯(lián)的。
第4章 分析與計(jì)算
4.1 熱力學(xué)分析與計(jì)算
4.1.1 熱力學(xué)析
（1）氣缸型線
氣缸型線的形狀和性質(zhì)決定了滑片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)壓縮機(jī)的容積流量、輸出流量的脈動(dòng)、沖擊振動(dòng)、噪聲、效率和使用壽命都有很大的影響。從提高壓縮機(jī)性能的角度對(duì)氣缸型線有如下基本要求：①使輸出流量的脈動(dòng)?。虎谑够幻撾x氣缸內(nèi)表面；③使滑片的受力狀況良好；④產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)和噪聲要小[4]。
①單工作腔滑片壓縮機(jī)的氣缸型線
圖4-1 單工作腔滑片壓縮機(jī)的計(jì)算圖
圖4-1為但工作腔滑片壓縮機(jī)的橫截面圖，圓為轉(zhuǎn)子的外形，半徑為；圓為氣缸內(nèi)孔的截面形狀，即氣缸型線，半徑為R。轉(zhuǎn)子中心偏離氣缸中心的距離e，稱為偏心距。偏心距e與氣缸半徑R的比值＝e/R，稱為相對(duì)偏心距。
在以為極點(diǎn)，為極軸（即極角＝0）的極座標(biāo)系中，任意極角對(duì)應(yīng)的失徑為
（4-1）
其中
（4-2）
于是，氣缸型線的極座標(biāo)方程為
（4-3）
（2）基元容積和工作容積
①基元容積與工作容積
1.基元的幾何關(guān)系 滑片壓縮機(jī)的基元，是由相鄰兩滑片及其之間的氣缸內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子外表面和氣缸兩端蓋所圍成的空間，其橫截面如圖4-2所示。以基元前滑片（以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向?yàn)闇?zhǔn)）的位置角表示該基元的位置，基元前、后滑片位置角之差，放映該基元所占范圍的大小，成為該基元的基元角度[10]。由圖4-3可知，對(duì)于滑片徑向放置的機(jī)器，基元角度為
（4-4）
式中，z為滑片數(shù)。
圖4-2 基元截面
圖4-3 多滑片的工作腔截面
2．基元容積
基元容積為
（4-5）
圖4-4 最大基元容積
如圖4-4所示，當(dāng) 時(shí)，基元容積達(dá)到最大值，則
（4-6）最大基元容積即為基元在理論上能夠吸入的氣體體積。
3．工作容積 考慮到滑片厚度所占的體積，則壓縮機(jī)的工作容積為
（4-7）
式中，為時(shí)的氣缸型線壓力角，；為滑片的厚度；為時(shí)的滑片伸出長(zhǎng)度， 。
對(duì)于z＝2的滑片壓縮機(jī)，可近似認(rèn)為時(shí)的氣缸型線矢徑等于氣缸半徑R，所帶來(lái)的誤差不會(huì)超過(guò)%，則其工作容積可以近似為
（4-8）
② 容積效率
滑片壓縮機(jī)中，影響容積效率的最主要因素為工質(zhì)的泄漏，其次為排氣封閉容積內(nèi)氣體的膨脹，工質(zhì)在吸氣過(guò)程中的加熱和壓力損失較小[4]。
1．外泄漏流量qvl 滑片壓縮機(jī)的外泄漏，主要發(fā)生在轉(zhuǎn)子與氣缸的端面間隙中，泄漏間隙面積為
（4-9）
式中 d——轉(zhuǎn)子有效長(zhǎng)度端面處的軸頸直徑（m）；
——轉(zhuǎn)子與氣缸兩端面的總間隙（m）。
低壓側(cè)壓力為吸氣壓力，高壓側(cè)壓力認(rèn)為是吸、排氣平均壓力。泄漏流量為
（4-10）
其中=
式中 ——泄漏系數(shù)，一般可??；
——吸氣狀態(tài)的比體積（m3/kg）；
——流量函數(shù)；
k——工質(zhì)的等熵指數(shù)；
——?dú)怏w常數(shù)[kj/(kg·K)]；
——排氣溫度（K）。
2．排氣封閉容積 基元與排氣空口脫開(kāi)后，形成的封閉容積內(nèi)的高壓氣體（壓力,溫度），向吸氣側(cè)（壓力）絕熱膨脹。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，可根據(jù)脫開(kāi)瞬時(shí)的轉(zhuǎn)角，利用公式
求得。
3．容積效率 根據(jù)泄漏氣體、膨脹氣體以及相當(dāng)于實(shí)際排氣量的氣體所具有的焓，應(yīng)等于相當(dāng)于理論排氣量的氣體所具有的焓，得到
（4-11）
式中n——壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）。
（3）功率和效率
① 指示功率
絕熱指示功率為
（4-12）
式中m為多變指數(shù)，對(duì)于對(duì)于噴油結(jié)構(gòu)m=1