汽車制動空壓機微振動的研究

江新軍，馮杰

(臺州中際汽車零部件有限公司，浙江臨海317000)

0 引言

在汽車 (制動)空壓機行業(yè)，我國至今還沒有國家標準。現(xiàn)行的行業(yè)推薦標準QC/T 29078-92［1］與國際標準相比，差距甚大。另外，在理論與標準、標準和實際的比較中，振動、容積效率 (充氣系數(shù)ηv)、噪聲控制等指標，差距亦甚大。理論、標準、實際之間的不對應性，不利于產(chǎn)品技術(shù)的進步。本文作者以微振動領域的角度，對汽車空壓機的若干技術(shù)進行透視、分析，探討產(chǎn)品技術(shù) (容積效率)進步的可能性。

1 汽車空壓機的微振動現(xiàn)象

1.1 噪聲與微振動

噪聲產(chǎn)生聲波，對舌簧閥片閉合有一定的影響，可能共鳴，可能振動傳遞，影響了充氣系數(shù)。當轉(zhuǎn)速2 500 r/min以上時，噪振聲混合明顯，相對波長較短，頻率高，傳遞快。機內(nèi)閥片，特別是舌簧閥片，其自身結(jié)構(gòu)就是音頻簧片的引用。他們在工作時既會各自產(chǎn)生聲音，又會相互傳遞聲波，產(chǎn)生微波動，從微觀角度，影響了閉合。

噪聲或微振動的發(fā)生，源于氣體的壓縮運動和進、排氣時氣流的聲音和振動，源于機械動力的轉(zhuǎn)動或潤滑不足發(fā)生的聲音和振動。通過聲波和其他振動頻率相互干涉，對缸體材料自身產(chǎn)生微顫動。振動和氣動速度的不一致性、運動方向的不協(xié)調(diào)性，導至了閥片受力時而相向，時而反向，影響了充氣效率。

噪聲不僅影響產(chǎn)品性能，而且對作業(yè)人員也有不利的影響。據(jù)報道，噪聲通過耳感進入大腦，使之反應遲鈍，偶有驚訝感或誤操作;容易使作業(yè)人員疲倦，從而影響了作業(yè)質(zhì)量，產(chǎn)生安全隱患。

實踐證明，噪聲聲級與功率成正比。功率與壓力成正比。但功率與壓力并非越大越好。在同樣功率下，壓力過大排氣量下降［2］，壓縮消耗多。在同樣壓力下，比功率過大容積效率下降［1］。

根據(jù)GB/T 13928［3］的規(guī)定，設計產(chǎn)品振動烈度須小于45 mm/s。設計時，除在行程、缸徑、軸跳動等方面予以烈度控制外，有條件時，還要針對舌簧閥片有貫性自振和消音難的特性，在波長 (閥片厚度不一定是均一的)、形狀和區(qū)間振頻等方面予以進一步設計，從頻率的角度，處理噪聲和微振動的關系。用適度的行程來調(diào)整頻率和相對波長。

1.2 容積效率 (充氣系數(shù)ηv)所揭示的微振動

在國內(nèi)汽車行業(yè)推薦標準QC/T 29078-92［1］中，充氣系數(shù)ηv規(guī)定為33% ～47%。在國際標準中，也均在60%以下。由于汽車空壓機密封性很好，氣“消耗”并未跑到機外。由此推斷，有一半以上的氣體沒有按設計的路徑運動，或是做了一個循環(huán)動作。因此，將研究的重點集中在閥片和閥門上。

閥片與閥門之間的閉合度，是一個難以觀測的節(jié)點?？諌簷C工作時，不少產(chǎn)品的轉(zhuǎn)速n≥3 000 r/min，機內(nèi)氣壓已達1.2 MPa以上。但目前，空壓機內(nèi)各種閥片與閥門接觸面均光滑平整，看似閉合無縫。從顯微的角度來看，正是這種光滑平整，加之微波微振的滲透，給高壓的氣旋和脈動的氣流留下了迂回的縫隙或間歇性的扁平通道。

功率、振動、壓力、效率與排氣量之間有其必然的協(xié)調(diào)需求和最佳關系點。從GB/T 13928［3］的表1，3，4中可見，適中的功率和適中的壓力設計，能產(chǎn)生較高的容積效率和最大的排氣量。最佳的組配性能往往振動烈度亦較低。除非產(chǎn)品對壓力指標有技術(shù)上的另外要求。

各種閥片與閥門的接觸表面是閉合技術(shù)的難點，它們的接觸是舜間的。但多方向多種力在此匯合，氣流快，微振動摩擦程度高，在高溫、高壓、高頻、高振和不恒定的工況下解決閉合問題，從實用的角度看，只能是一個區(qū)間。舜間的協(xié)調(diào)，需要精準的計算而不能忽視。但必須且只能確定一個額定區(qū)間。只有這樣，才能在材質(zhì)上、在接觸面上、在整機結(jié)構(gòu)上找出解決方案，明顯地提高容積效率 (充氣系數(shù)ηv)。

德美系部分機型閥門周邊設圈，在接觸時能增加壓強，是一種進步。缺點是一旦有空氣雜質(zhì)或內(nèi)部油霧污點相黏，會影響閉合效果。作者在返修機解剖時見到了這種情況，進氣閥猶為明顯。閥片和閥門的平面處理，既要考慮高溫拍打振動的因素，又要考慮舜間閉合的需求，阻止或減少氣體直接回流。曲折相間的磨砂結(jié)構(gòu)，雖然增加了接觸面積，但目前仍受制于材料性能。

1.3 微振動的頻變

從力學的角度，彈性和慣性是振動的前提。汽車制動空氣壓縮機的微振動概念，有其復合性，是阻尼振動。非單純的機械微振，有聲波和共鳴、互振的組合成分。在其往復式活塞結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，排氣過程是非勻速、非等壓的運動過程，因此，推斷既有縱波又有橫波現(xiàn)象。

但空壓機工作時的微振動，較多產(chǎn)生于氣流和轉(zhuǎn)子或活動部件的動平衡上，氣流可產(chǎn)生脈動、渦流，轉(zhuǎn)子不平衡可產(chǎn)生受迫振動。材料和結(jié)構(gòu)的固有頻率，因外力的策動，會產(chǎn)生差異性的振動頻率和變化。潤滑不足，或機內(nèi)部件在裝配的過程中，有細微的不均稱的偏心和間歇頻率也極易產(chǎn)生微振的頻變。

微振動是一種力，是一種滲透力。它的主要傳遞形式為波，通過介質(zhì)使物體產(chǎn)生細微位移或振動。彈性、顫動、慣性、振震，都會助推微振波的產(chǎn)生。

為提高產(chǎn)品的性能，有必要對樣機進行頻譜分析，系統(tǒng)地調(diào)整公差標準，但并非公差越小越好。在結(jié)構(gòu)上解決節(jié)點問題，在材料上解決組配問題，提高振動烈度標準要求［3］。

要重視振動頻率對汽車制動用空壓機性能的影響程度。振動也會耗能，從而影響容積效能。水波演示槽實驗表明，在一定的轉(zhuǎn)速區(qū)間，振動頻率的影響程度明顯 (因機種不同和安裝方法不同會有區(qū)別，實驗時發(fā)現(xiàn)在2 300～2 700 r/min區(qū)間影響尤為明顯)。目前，振動烈度尚未引入汽車空壓機必檢的技術(shù)指標。振動烈度未端也是產(chǎn)生微振的根源。

微振動應對措施:設計時，對振波強度要相消干涉，以頻調(diào)波，以緩沖控制微動振。間隙大小可能與振波振頻高低有關，為防止微共振，機內(nèi)轉(zhuǎn)動間隙不能設計為相同而應略有差異。部分機型的層材料，如導流板，在不影響原有性能的前提下，是否尋找采用相對減振、消波、低頻的非金屬材料，值得研究。

在空壓機研發(fā)時，要借助頻譜分析，研究空壓機振動的頻變現(xiàn)象。

頻變振動也有最佳頻率區(qū)間。

2 汽車空壓機容積效率 (充氣系數(shù)ηv)提升的方法或途徑

2.1 微振動的平衡

要校驗好運動件的動平衡與靜平衡，否則會造成先天性的振動因素，包括整機加固墊軟措施的平衡。側(cè)固定式立式空壓機的懸掛式安裝，工作起來整機最容易產(chǎn)生大振動烈度，建議在另一端安裝防振支架減振。

目前，汽車制動空壓機一般不進行平衡機檢定。各種活動件的設計間隙，差異亦很大。最小為0.005 mm(活塞銷與活塞)，最大為0.6 mm(軸向)，各間隙之間 (即間隙系統(tǒng))也存在力平衡問題，在材料組配適當?shù)臈l件下，若間隙力不平衡，間隙差異在磨損后迅速增大。實踐證明，整機性能是環(huán)環(huán)相扣的，平衡能大大地減少間隙磨損。為提升空壓機的性能，建議增加平衡檢驗環(huán)節(jié)。

鍛造的曲軸，經(jīng)精車和鉆油孔后，要用平衡機檢定或調(diào)整軸轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布 (見 GB/T 6444-1995中 6.8，7.9，7.24)［4］，確定所有轉(zhuǎn)動件都是最佳轉(zhuǎn)動公差間隙和平衡狀態(tài)，以減少機械振動。空壓機的單缸和雙缸在結(jié)構(gòu)平衡上有區(qū)別。曲軸平衡塊是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動平衡的重要手段，不但要進行精確預計算，還要進行模擬實驗。單軸雙缸的結(jié)構(gòu)設計，使壓縮機氣體流量在額定轉(zhuǎn)速一定時為單缸的兩倍，而且在振動噪聲控制上得到很好的控制。在滿足容積效率的前提下，若工作振動最小，往往是運動部件的最平衡配置 (見 GB/T 6444-1995中6.1)［4］。

2.2 微振動的測量和頻譜分析

目前，汽車空壓機一般不進行測振儀檢測，除非有客戶要求或高端產(chǎn)品需要。簡便而經(jīng)濟的測量產(chǎn)品微觀情況的測量方法是使用測振儀，通過測量便可知道空壓機的振動位移、速率(烈度)和加速度三參數(shù)［5］。要求譜線干凈，邊頻少，參數(shù)選擇符合 ISO10816-3［6］的規(guī)定。

機械波 (聲波屬機械波)的頻率由振動源決定，不因介質(zhì)改變而改變。其傳播速度由媒質(zhì)決定?？諌簷C聲波的傳播經(jīng)油、水、鐵、空氣四種媒質(zhì)。從聲波頻率可以判定物體振動的頻率。獲取、通過機械波波形曲線，可以了解到波的振幅、波長、振動位移、備質(zhì)點振動加速度的測方向。通過頻譜分析，對照產(chǎn)品技術(shù)標準，便可確定產(chǎn)品所處的狀態(tài)和對應的改進措施。排氣閥片固有頻率值偏高，有利于保證壓縮比。進氣閥片固有頻率值偏低，有利于吸氣過程和防止進排氣閥片共鳴而影響壽命。

建議將頻譜分析的方法和頻率指數(shù)寫入企業(yè)技術(shù)標準中的試驗方法條款，以指導產(chǎn)品微振動狀態(tài)的持續(xù)改進。振動的利用只能在某些區(qū)間做實驗，利用某些振動的原理，實現(xiàn)以最小的力 (壓縮力)獲取閥片最大的振幅 (開啟量)的目的。

2.3 壓力比的改變

空壓機的排氣效率是由壓力比決定的。進氣壓力通過活塞運動來改變壓力比，實現(xiàn)排氣。就空壓機而言，改變壓力比的途徑首先是進氣空間、排氣空間和壓力之比。在滿足一定的配套指標下，進氣孔要大于排氣孔。如本公司的CK152雙缸機型有三個進氣孔，CK173雙缸機型的舌簧閥片較長。每片長達10 cm，彈性充足。聶清風［7］對汽車空壓機氣閥運動規(guī)律及容積效率的有限元分析結(jié)果表明，閥片的厚薄及其接觸的閥孔的形狀與大小有關。在同質(zhì)的情況下 (包括硬度和轉(zhuǎn)速)，孔徑與閥片的厚薄有最佳比例關系，頻率與振幅有最佳區(qū)間與之適配。

微振動對閥片影響最直接，對壓力比影響最大。閥片的大小、形狀、厚度、厚薄處理又對振動的頻率與振幅產(chǎn)生影響。上述研究還表明:閥片與其接觸的閥孔的形狀與大小直接影響容積效率，從波形圖可知，進氣閥片的啟與閉瞬間微振動明顯，排氣閥片開啟后，在限位片處微振明顯［7］。

2.4 區(qū)間的意義

在不恒定的工況下解決活塞的運動、閥片與閥門的閉合和整機舜間協(xié)調(diào)的優(yōu)選問題，需要精確的理論計算而不能忽視。理論方法能夠解決論證問題，或理想工況下某項或點的規(guī)律問題，包括有限元方法。但至今無法直接解決實際問題。區(qū)間的意義在于，在高溫、高壓、高頻、高振和不恒定的工況下解決舜間與協(xié)調(diào)，使氣路工件得到優(yōu)選的運動和閉合。在生產(chǎn)制造過程，區(qū)間的把關包含以下方面:(1)設計的公差;(2)轉(zhuǎn)動軸的跳;(3)材質(zhì)的驗收;(4)功率、轉(zhuǎn)速與壓力的配合，要測定空壓機最大容積效率時的工作轉(zhuǎn)速;(5)溫度和潤滑等。

閥片與閥門的閉合技術(shù)，難點在于頻率和微振動摩擦的控制。在高溫、高壓、高頻、高振和不恒定的工況下解決容積效率問題，對工件的材料、運動和協(xié)調(diào)提出更加嚴格的要求。首先，區(qū)間指標必須靠近產(chǎn)品技術(shù)標準上限要求。另外，區(qū)間指標變異求小而有利于產(chǎn)品質(zhì)量的一致性或穩(wěn)定性要求。

2.5 熱量的散發(fā)

汽車空壓機工作時，活塞、閥片、曲軸高速運動，在氣體高速摩擦和壓縮的過程中產(chǎn)生的溫度T可達773 K以上的高溫區(qū)，汽缸上下溫差可達473～573 K，排氣遇熱幅射和熱擴張壓力，進排氣質(zhì)量和溫度差異大。在這樣的高溫區(qū)下，材料會發(fā)生微變形和燒傷，振動頻率隨之發(fā)生改變，影響了排氣效能。因此，熱量的散發(fā)非常重要。

通常的做法是通過空壓機的水循環(huán)系統(tǒng)進行冷卻 (也有風冷或增加風冷的方式)。但水比熱容大，散熱慢，高溫下的水和氧化鐵易與金屬和墊片發(fā)生反應。目前，使用含有乙二醇成分的防凍冷卻液來代替水冷卻法，結(jié)果多數(shù)型號的空壓機工作排氣溫度T下降了30～60 K。液體黏度適中有利于降低微振動。而原水層又有局部消音夾層作用。專用的乙二醇經(jīng)適當添加改良后，沸點高，冰點低，具有冷卻、防垢、防腐、防銹、消泡性和抗氧化安定性等功能，且配制方便、成本較低，符合環(huán)保要求。

有測試條件時，通過熱沖擊極限試驗，來確定冷卻方案的優(yōu)化。

3 結(jié)論

(1)在排除汽車空壓機安裝振動的情形下，從微振動的角度，研究了汽車空壓機在振動、平衡、壓力比和指標區(qū)間等方面對容積效率所產(chǎn)生的影響，提出了解決問題的思路、依據(jù)和方法，對提升產(chǎn)品性能和經(jīng)濟指標意義重大。

(2)各類型產(chǎn)品的振動源和微觀現(xiàn)象千差萬別。實踐中，可借助頻譜儀、測振儀、平衡機等檢測手段，借助ANSYS有限元分析軟件，借助國內(nèi)外相關技術(shù)標準，通過實際試驗和實驗數(shù)據(jù)進行分析，以期提升汽車空壓機的容積效率 (充氣系數(shù)ηv)。

(3)目前閥片研究停留在其厚薄和均勻的影響，未對同一閥片在不同厚度時的影響進行研究。片端的厚薄能調(diào)節(jié)閥片的頻率、振幅、彈性等微振動的狀況。定程板、閥門、閥片不是簡單的平面接觸。高速運動的閥片其四周與中間并非同一平面，運動過程中有多種平面狀態(tài)。與閥門接觸時，其中心有渦斜。

【1】中國汽車工業(yè)總公司.QC/T 29078-92汽車用空氣壓縮機技術(shù)條件［S］.天津:中國汽車技術(shù)研究中心標準化研究所，1992.

【2】中國工業(yè)機械聯(lián)合會.GB/T 13279-2002一般用固定的往復活塞空氣壓縮機［S］.北京:中國標準出版社，2002.

【3】中國工業(yè)機械聯(lián)合會.GB/T 13928-2002微型往復活塞空氣壓縮［S］.北京:中國標準出版社，2002.

【4】全國機械振動與沖擊標準化技術(shù)委員會.GB/T 6444-1995機械振動 平衡術(shù)語［S］.北京:中國標準出版社，1995.

【5】蔡學煕，紀盛清.機械振動控制及利用［M］∥成大先.機械設計手冊:第17篇.北京:化學工業(yè)出版社，2004:5－9;25;31－32;35;50;121－128.

【6】德國標準化學會.DIN ISO10816-3振動監(jiān)測的評估標準［S］.北京:中國標準出版社，2009.

【7】聶清風.汽車空壓機氣閥運動規(guī)律及容積效率的研究［D］.武漢:武漢理工大學，2003.