汽车空调压缩机设计

目录

摘要 (1)

Abstract (1)

第一章绪论 (1)

1.1 汽车空调的历程 (1)

1.2 汽车空调制冷系统的构成及原理 (3)

1.3 空调压缩机的发展 (4)

1.4 空调压缩机的前景 (5)

1.5 本章小结 (6)

第二章空调压缩机的结构与原理 (5)

2.1 空调压缩机的分类 (5)

2.2 汽车空调压缩机的特殊要求 (10)

2.3 活塞斜板式压缩机的结构原理 (10)

2.4 本章小结 (12)

第三章压缩机测绘 (13)

3.1 测绘的意义和过程 (13)

3.2 压缩机零件的测绘 (13)

3.2.1 电磁离合器 (14)

3.2.2 斜板轴 (15)

3.2.3 活塞 (16)

3.2.4 弹片阀 (17)

3.2.5 缸体 (18)

3.2.6 前后端盖 (19)

3.3 本章小结 (20)

第四章空调压缩机的三维建模 (21)

4.1 SolidWorks软件介绍 (21)

4.2 电磁离合器的三维建模 (22)

4.3 活塞体三维建模 (25)

4.4 前后端盖的三维建模 (30)

4.5 缸体的三维建模 (32)

4.6 轴的三维建模 (33)

4.7 空调压缩机的装配 (33)

4.8 本章小结 (35)

总结 (36)

参考文献 (37)

致谢 (38)

第一章绪论

1.1汽车空调的历程

汽车问世已有一百多年的历史。随着人们的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Packard 公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Nash牌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R134a空调器。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。

1.1.1汽车空调的意义

汽车空调由五个要素组成，即温度、湿度、气流、洁净度和辐射。由于空调一定要有空气流动，一般由风机完成。风机的噪音及空气通过风道而产生的噪音使人感到不舒服，因而减少风机噪音及气流噪音也成了空调的任务[2]。

调节温度是空调的主要任务。汽车空调首先是有暖气设备，其结构比较简单，轿车和中小型汽车一般以发动机冷却水作为暖风的热源；而大型客车或严寒地区的车辆则常采用独立式加热器，夏季的降温则由制冷装置完成。

普通车辆一般没有调节湿度的功能；高级车辆采用了冷暖合一的再加热式空调器，可以适量地对车内空气进行去湿处理，即靠制冷设备（蒸发器的冷却、去湿）去除空气中的绝对含湿量，再靠采暖设备降低空气的相对湿度。

汽车的空气调节装置主要用来实现对车内空气的换气、加热、冷却和除湿。同时,空调装置还起到净化空气的作用。汽车安装了空调装置,可以给驾驶员创造良好的工作环境。冬季使用暖风装置,可使车室内空气温度适中,驾驶员不必穿着笨重的衣物,也不会因手脚过冷而影响驾驶。夏季气温较高,驾驶员长时同行车容易疲劳、困倦,使用冷风装置可使车内温度、湿度适宜,改善司机的工作条件。安装空调装置已成为衡量汽车功能是否完备和豪华的重要标志。

1.1.2 汽车空调的特点

汽车的室内工作条件比房间要恶劣得多，如汽车直接暴露在太阳下或风雪下，隔热措施困难；汽车在行驶时有大量风沙、废气从各种缝隙钻入车厢，造成车厢内的空气污染并增加热负荷；汽车的行驶速度变化无常，难以保证稳定的空调工况等等。

汽车空调与家用空调的不同工作条件，可归纳成下表1-1所示[3]：

表1-1 汽车空调与家用空调的不同工作条件

（1）要求制冷量大、降温迅速。

（2）不便于用电力作为动力源，必须要用汽车发动机（简称主机）或辅助发动机（简称辅机）来带动压缩机，因而在动力源的处理上比房间空调困难得多。

（3）系统中冷媒（制冷剂）流量变化幅度大，设计困难。

（4）冷凝温度高。

（5）制冷剂容易泄漏。

（6）由于汽车结构紧凑，制冷装置的安装位置也很紧凑，各种车型必需有专门的车内冷气设备，蒸发箱总成通用化很困难。

（7）由于车厢高度低，风量分配不易均匀，因而车内温度分布不易均匀。

1.2汽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]。

图1-1 轿车制冷系统外观

图1-1是汽车制冷系统外观图，所有汽车的制冷系统都是由4个主要部件所组成。它们是：压缩机、膨胀阀、蒸发器和冷凝器[4]。

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)。

制冷剂离开压缩机的排气口，经过冷凝器，使制冷剂冷却到液化点变成液态，此时热量被排到车厢外的大气中。然后制冷剂到膨胀阀，之后离开膨胀阀进入蒸发器。当制冷剂流过膨胀阀时，其压力下降，因而蒸发成气体状态，需要吸收热量。在此时，车厢内热而湿的空气通过蒸发器时，碰到冰冷的金属管芯和传热片，空气骤冷下来，空气中的水汽被凝结附在金属壁而往下流，冷而干的空气经风机被送入车内。从蒸发器岁来的制冷剂，经过回气管，从压缩机的吸气口进入压缩机，就这样周而复始地进行循环。

1.3空调压缩机的发展

中国汽车工业的摇篮--长春第一汽车集团公司同时也是中国汽车空调工业的摇篮。在1966 年一汽接受了为中央首长制造红旗保险车的任务，当时由于受空调工业发展的限制，车内还没有空调装置。为了车内的舒适性，经过工程技术人员的努力，历经两年多的研制时间，终于在1969 年成功研制了第一台汽车空调装置，并安装在红旗保险车上。这代表着结束了中国不能生产保险车的历史，同时也开创了中国自行设计、独立制造汽车空调装置的先河。为汽车空调做出了跨区性的一步。

由于汽车空调装置提高了乘座的舒适性，从1971 年开始，一汽生产的各种型号的红旗牌高级轿车上全部安装了空调装置，为此，当时的第一机械工业部专门拨款在一汽轿车厂建立了生产和装配压缩机的车间，在一汽散热器厂内建立了蒸发器和冷凝器生产车间，开始批量生产汽车空调装置。1980 年，一汽为红旗牌高级旅游车设计制造了客车空调装置，并完成了批量生产工作。1986 年，一汽又为出口的解放牌载重车设计制造了货车空调装置，而且还为国家完成了援苏丹广播车，援越南冷藏车、中苏边界冲突中血浆贮存车等一系列特种车辆的制冷装置的制造任务。采用在红旗高级轿车空调装置中的主要总成的产品水平在当时都是最先进的，空调压缩机的结构为六缸双向斜盘式结构，这种结构是美国通用汽车公司1962 年推向市场的新产品，直到今天，双向斜盘式压缩机仍然是汽车空调压缩机的主流产品，产量约占各种结构压缩机的三分之二。汽车空调的蒸发器是全铝层叠式结构，该结构至今也是汽车空调用蒸发器的发展产品。除此之外，红旗高级轿车空调装置中还采用了外平衡式膨胀阀，制冷系统中采用了防止蒸发器结霜的蒸发压力调节阀，请化工部为制冷系统输氧管路

研制了丁腈橡胶材料，在制冷系统中设计有排气消声器和吸气消声器等。继一汽生产汽车空调装置后，1981 年上海内燃机油泵厂为上海牌轿车研制了轿车空调装置，压缩机也是六缸双向斜盘式结构，至此，国内主要两个轿车生产基地都有了自己的汽车空调装置生产厂[4]。图1-2为空调压缩机的实物图。

图1-2 空调压缩机

1.4空调压缩机的前景

随着近几年经济的飞跃发展，行业集中度有所提高，供货进一步向大企业集中，气体压缩机产业向布局逐步合理的新局面发展。通过经济战略性重组的推进，不少劣质企业退出，优秀企业已找准定位，突出主业，不断做大做强，达到强强联合，承担起国家重大技术装备项目。在相关政策方面，为应对全球性金融危机对我国经济的影响，早在09年年初，国家已经制定了一系列的刺激经济方案，重点调整振兴包括石化、冶金等气体压缩机的下游产业在内的十大产业。这些措施对气体压缩机产业的发展起到了积极的影响，这也是2009年下半年压缩机行业经济逐渐利好的主要原因。在开拓国际市场方面，压缩机行业应积极而谨慎地探索自己的国际化道路。目前，压缩机行业国际化步伐缓慢，尤其是在2009年一整年中，压缩机出口形势都不容乐观，这主要表现在国内压缩机行业技术发展水平与国外同类企业存在一定差距，尤其是目前还没有形成真正意义上的具有国际竞争力的大型国际企业集团。未来三年，我国石

油、化工、冶金、船舶、环保、清洁能源等行业将进一步发展，压缩机市场需求前景依然看好。如大推力往复式压缩机、工艺螺杆压缩机、大排量无油压缩机、高压大排量压缩机、机车配套压缩机、低噪声船用压缩机等。

2012年，是压缩机行业发展的新起点，预计行业未来呈现出新的发展态势。首先是结构调整将有重大突破。当前我国压缩机行业存在一系列深层次的结构性矛盾，包括总体产能过剩，低水平产能比重过大；企业规模小而且分散，产业集中度低；生产力布局不合理现象依然存在；企业节能减排的任务重；科技创新能力不强；资源控制力不强，保障体系建设滞后等。这些深层次的结构性矛盾，决定了2010年压缩机行业必须下大力量，突出抓好结构调整，实现产业升级，认真解决影响压缩机行业发展的重大问题。第二，行业内要大力推动共性技术研究开发，掌握核心技术、关键技术的自主知识产权。当前，压缩机行业共性技术的科研经费投入不足，研究开发力量薄弱。2010年，各企业应加大在我国重点培育自主知识产权的技术装备研发力量。第三，进入加快发展制造服务业阶段。当前，压缩机行业存在一些不利于产业发展的缺陷，如缺少高端技术，企业规模偏小等。面临这些问题和激烈的市场竞争，压缩机企业极需提高自身的核心竞争力，转变增长方式。在制造过程中重视服务，从市场调研、售后，直到产品报废回收，努力为客户提供以知识密集、附加值高为特征的服务项目，则是压缩机企业实现可持续发展的一个关键内容。现代服务业大部分是以人力资本和知识资本作为其主要投入，这对压缩机企业在解决发展、升级问题的同时，提升竞争力也具有重要支撑作用。

与国外往复式压缩机技术水平相比，我国的主要差距为基础理论研究差，产品技术开发能力低，工艺装备和实验手段后，产品技术起点低，规格品种、效率、制造质量可靠性差。另外，技术含量高和特殊要求的产品还满足不了国内需求。

1.5本章小结

本章从汽车空调着手，主要介绍了汽车空调的发展简史、作用和特点。接着介绍了汽车空调制冷系统的组成和原理。最后介绍了空调压缩机的国内外发展现状，以及它发展的前景。

第二章空调压缩机结构与原理

压缩机是制冷系统的心脏，无论是空调、冷库、化工制冷工艺等等工况都要压缩机这个重要的环节来做保障，制冷压缩机种类和形式很多，根据原理可分容积型和速度型两类，其中容积式是最为普遍的。那压缩机又是如何压缩气体的简单而说就是通过改变气体的容积来完成气体的压缩和输送过程。任何动力设备都需要一个动力来作功完成，压缩机也是一样，它需要一个电动机来带动。容积型压缩机又分为往复活塞式和回转式两种。往复活塞式是通过活塞在气缸内做往复运动改变气体工作容积；空调压缩机历史悠久，生产技术成熟。回转式压缩机包括刮片旋转式压缩机、螺杆式压缩机，目前国内生产的空调器多采用旋转式压缩机；蜗杆式压缩机主要用于大型制冷设备，现在一些大型商场办公楼内也有很多采用蜗杆式压缩机。

2.1空调压缩机的分类

根据工作原理的不同，空调压缩机可以分为定排量压缩机和变排量压缩机。

（1）定排量压缩机。定排量压缩机的排气量是随着发动机的转速的提高而成比例的提高，它不能根据制冷的需求自动改变功率输出，而且对发动机油耗的影响比较大。它的控制一般通过采集蒸发器出风口的温度信号，当温度达到设定的温度，压缩机电磁离合器松开，压缩机停止工作。当温度升高后，电磁离合器结合，压缩机开始工作。定排量压缩机也受空调系统压力的控制，当管路内压力过高时，压缩机停止工作。

（2）变排量压缩机。变排量压缩机可以根据设定的温度自动调节功率输出。空调控制系统不采集蒸发器出风口的温度信号，而是根据空调管路内压力的变化信号控制压缩机的压缩比来自动调节出风口温度。在制冷的全过程中，压缩机始终是工作的，制冷强度的调节完全依赖装在压缩机内部的压力调节阀来控制。当空调管路内高压端的压力过高时，压力调节阀缩短压缩机内活塞行程以减小压缩比，这样就会降低制冷强度。当高压端压力下降到一定程度，低压端压力上升到一定程度时，压力调节阀则增大活塞行程以提高制冷强度。

根据工作方式的不同，压缩机一般可以分为往复式和旋转式，常见的往复式压缩

机有曲轴连杆式和轴向活塞式，常见的旋转式压缩机有旋转叶片式和涡旋式。

（1）曲轴连杆式压缩机

这种压缩机的工作过程可以分为4个，即压缩、排气、膨胀、吸气。曲轴旋转时，通过连杆带动活塞往复运动，由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面构成的工作容积便会发生周期性变化，从而在制冷系统中起到压缩和输送制冷剂的作用。

曲轴连杆式压缩机是第1代压缩机，它应用比较广泛，制造技术成熟，结构简单，而且对加工材料和加工工艺要求较低，造价比较低。适应性强，能适应广阔的压力范围和制冷量要求，可维修性强。

但是曲轴连杆式压缩机也有一些明显的缺点，例如无法实现较高转速，机器大而重，不容易实现轻量化。排气不连续，气流容易出现波动，而且工作时有较大的振动。

由于曲轴连杆式压缩机的上述特点，已经很少有小排量压缩机采用这种结构形式，曲轴连杆式压缩机目前大多应用在客车和卡车的大排量空调系统中。

（2）轴向活塞压缩机

轴向活塞式压缩机可以称为第2代压缩机，常见的有摇板式或斜板式压缩机，这是汽车空调压缩机中的主流产品。

斜板式压缩机的主要部件是主轴和斜板。各气缸以压缩机主轴为中心圆周布置，活塞运动方向与压缩机的主轴平行。大多数斜板式压缩机的活塞被制成双头活塞，例如轴向6缸压缩机，则3缸在压缩机前部，另外3缸在压缩机后部。双头活塞在相对的气缸中一前一后的滑动，一端活塞在前缸中压缩制冷剂蒸气时，另一端活塞就在后缸中吸入制冷剂蒸气。各缸均配有高低压气阀，另有一根高压管，用于连接前后高压腔。斜板与压缩机主轴固定在一起，斜板的边缘装合在活塞中部的槽中，活塞槽与斜板边缘通过钢球轴承支承。当主轴旋转时，斜板也随着旋转，斜板边缘推动活塞作轴向往复运动。如果斜板转动一周，前后2个活塞各完成压缩、排气、膨胀、吸气一个循环，相当于2个气缸工作。如果是轴向6缸压缩机，缸体截面上均匀分布3个气缸和3个双头活塞，当主轴旋转一周，相当于6个气缸的作用。

斜板式压缩机比较容易实现小型化和轻量化，而且可以实现高转速工作。它的结构紧凑，效率高，性能可靠，在实现了可变排量控制之后，目前广泛应用于汽车空调。

（3）旋转叶片式压缩机

旋转叶片式压缩机的气缸形状有圆形和椭圆形2种。在圆形气缸中，转子的主轴