汽車空調(diào)壓縮機振動特征實驗研究及其抑制方法

萬 騰，王 剛，王文靜，袁洪印，周記國

（1.白城師范學(xué)院，吉林白城 137000；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，吉林長春 130000）

1 引言

隨著我國人民生活水平的不斷提升，汽車已成為交通出行必不可少的交通工具，據(jù)統(tǒng)計截至2018年底我國汽車保有量總計達到2.4億輛，且生活用車的數(shù)量還在不斷增長，汽車工業(yè)已逐漸成為國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)。現(xiàn)代化的汽車產(chǎn)品不僅要具備豐富的功能，還必須充分考慮駕駛和乘坐人員的舒適性，車載空調(diào)系統(tǒng)作為行車的必備系統(tǒng)，通過壓縮機技術(shù)實現(xiàn)車內(nèi)的制冷功能要求?？照{(diào)壓縮機作為機械產(chǎn)品使用中會因傳動、環(huán)境、氣液流動等多種因素引起振動問題，在一定程度影響汽車的駕駛質(zhì)感。從現(xiàn)階段國產(chǎn)汽車技術(shù)來看，空調(diào)壓縮機振動問題較為普遍，汽車企業(yè)應(yīng)加強相關(guān)技術(shù)的研究和優(yōu)化，保證汽車整體技術(shù)的提升。

2 汽車空調(diào)壓縮機相關(guān)技術(shù)

2.1 壓縮機種類

汽車空調(diào)壓縮機按照技術(shù)研究的先后順序可分為曲軸連桿式壓縮機、軸向活塞壓縮機、旋轉(zhuǎn)葉片式壓縮機、渦旋式壓縮機等幾大類。隨著機械技術(shù)的不斷進步，空調(diào)壓縮機的體積可以做到更小，能耗也更低，空調(diào)壓縮機的工作流程如圖1所示。

2.2 汽車空調(diào)壓縮機技術(shù)對比

2.2.1 軸向活塞壓縮機

以斜盤式壓縮機為代表，氣缸橫置進行往復(fù)運動，是現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的汽車空調(diào)壓縮機，具有可靠性好、技術(shù)成熟和易于安裝的特點。整機質(zhì)量較輕，優(yōu)質(zhì)的斜盤式壓縮機工作平穩(wěn)，噪聲振動較少。但是由于汽缸數(shù)量多，啟動過程沖擊載荷較大，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，裝配過程調(diào)整繁瑣，裝配不良的壓縮機故障多，振動和噪音比較明顯。

2.2.2 渦旋式壓縮機

渦旋式壓縮機的結(jié)構(gòu)相對簡單，整機體積較小，高速運轉(zhuǎn)時容積率高達90%，低速運轉(zhuǎn)時容積率也能達到80%，適合應(yīng)用于高速場合，同時運行十分平穩(wěn)，啟動時沖擊較小，運行產(chǎn)生的振動和噪聲也比較少。但整機對于密封性和零件加工精度的要求較高，設(shè)計過程難度較大。

2.2.3 旋轉(zhuǎn)葉片式壓縮機

旋轉(zhuǎn)葉片式壓縮機具有相對簡單的機械結(jié)構(gòu)，整機體積小質(zhì)量輕，啟動時產(chǎn)生的沖擊振動較少，能應(yīng)用于高速場合使用。但由于對制造精度的要求很高，生產(chǎn)中密封性和精度較難保證，低速運行常出現(xiàn)葉片不能充分伸展的問題，影響正常使用，現(xiàn)階段推廣應(yīng)用相對較少。

圖1 空調(diào)壓縮機的工作流程

2.3 軸向活塞壓縮機原理

本文以比較常用的軸向活塞壓縮機為例，通過試驗說明壓縮機的振動特征和產(chǎn)生的因素。

軸向活塞壓縮機主要包括電磁離合器、皮帶輪、主軸、斜盤、活塞、擋板和閥片等關(guān)鍵部件。在壓縮機使用過程中，汽車發(fā)動機將動力傳遞給皮帶輪，帶動主軸旋轉(zhuǎn)，進而帶動斜盤轉(zhuǎn)動，由于斜盤的結(jié)構(gòu)特點和不對稱性，在運動過程會帶動活塞一同運動，活塞會隨著斜盤的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)往復(fù)伸縮。斜盤每旋轉(zhuǎn)一周，每個活塞的上下兩端氣缸完成一次進氣、壓縮、排氣、膨脹的工作過程，而在如此往復(fù)的過程中，完成汽車空調(diào)制冷所需的制冷劑生成與輸送功能。

3 壓縮機產(chǎn)生振動的原因分析

汽車的空調(diào)壓縮機是汽車振動的來源之一，直接影響到汽車的駕駛和乘坐感受，尤其在汽車怠速狀態(tài)下，感受更為明顯，因此研究振動問題的引發(fā)原因是十分必要的。根據(jù)壓縮機使用的實際情況分析，引發(fā)振動的主要因素大體分為機械、空氣動力、電磁3個方面，具體細分因素如表1所示。

圖2 軸向活塞壓縮機結(jié)構(gòu)

由表1可知，傳統(tǒng)的軸向活塞壓縮機，能夠引發(fā)其產(chǎn)生異常振動的因素是多種多樣的，總體來說振動的最大來源仍是機械傳動，同時空氣動力振動也占據(jù)了較大比例，電磁效應(yīng)產(chǎn)生的振動相對較少。從振動強度來看機械產(chǎn)生和氣流產(chǎn)生的振動更為強烈，更容易聯(lián)動壓縮機殼體產(chǎn)生共振，對汽車整體的振動情況影響最大。因此在研究中也應(yīng)加強對機械和氣流振動的研究力度，保證壓縮機使用性能的顯著優(yōu)化。

4 振動特征實驗分析

4.1 工作過程振動特征試驗

軸向活塞壓縮機的工作振動特征試驗意在測試壓縮機的往復(fù)運動過程中，各個工作階段的振動特點，根據(jù)工作過程的不同可將壓縮機的工作大體分為膨脹、吸氣、壓縮、排氣幾個過程。試驗通過在壓縮機上安裝傳感器獲取相關(guān)振動數(shù)據(jù)，傳感器布置情況如圖3所示。

通過壓縮機的往復(fù)工作，傳感器能夠?qū)崟r獲取振動數(shù)據(jù)，并傳遞給計算機進行數(shù)據(jù)分析，通過試驗獲取傳感器在平穩(wěn)工作狀態(tài)下的振動規(guī)律如圖4所示。

通過圖3振動情況可知，壓縮機在不同的工作階段所產(chǎn)生的振動情況存在較大差異，說明振動的響應(yīng)是不斷變化的，由于各個工作階段的工作狀態(tài)導(dǎo)致信號頻率產(chǎn)生差異，因此出現(xiàn)了圖中的相對平穩(wěn)和較大波動的不同區(qū)域。例如在排氣閥開啟、進氣閥開啟的過程中存在較為明顯的機械振動和氣流沖擊情況，此時信號頻率更高、振幅更為明顯。此后由于慣性力的作用，振動情況會繼續(xù)維持于整個工作過程中，只是振動趨于平穩(wěn)，頻率逐漸降低。說明了不同工作過程的起始和結(jié)束的機械動作和氣流變化是影響壓縮機振動的重要因素。

4.2 閥體振動特征試驗分析

由于閥體是機械運動和氣流變換的集中位置，上文中數(shù)據(jù)證實閥體開閉過程中會引發(fā)較為強烈的振動問題，因為不同工作過程閥體工作產(chǎn)生的振動特點和持續(xù)時間均不相同，對整機造成的振動影響也不相同，因此，通過對軸向活塞壓縮機閥體上振動幅值、頻率信號隨時間的變換進行試驗，有利于分析壓縮機的振動特點和振動頻率范圍，為減輕振動對整車的影響提供數(shù)據(jù)支持，試驗獲得的閥體的振動頻率及振幅如圖5所示。

表1 壓縮機振動因素分析

圖4為軸向活塞壓縮機閥體在穩(wěn)定運行單個周期內(nèi)的振動情況數(shù)據(jù)，試驗選用加速度傳感器進行信號采集，通過計算機軟件實現(xiàn)信號處理。其中加速度傳感器的采樣頻率為20000 Hz，壓縮機的單個周期運轉(zhuǎn)時間接近0.28 s。

由圖4可知，振動頻率和幅值具備一定的周期性變化特點，主要的振動和突變集中在進氣閥和排氣閥的開啟和關(guān)閉過程，其他運行階段盡管也存在細微振動，但變化不明顯，復(fù)制減低，說明在沒有氣流變化的工作階段振動較輕微，均勻性好。而在進、排氣閥開閉中，振幅和頻率明顯變強，表明振動產(chǎn)生了更大的能量，從圖中數(shù)據(jù)可知在進排氣閥開閉過程中機械傳動和高壓氣體的沖擊引起了較為明顯的振動，此時的振動頻率集中在8000～12000 Hz，幅值差超過了20 g。

要計算某個振動頻帶的能量大小可通過下式得出

式中 S（fk）——第k點的幅值

圖3 間隙振動試驗傳感器布置情況

圖4 壓縮機工作階段振動頻率圖

n——點數(shù)

l、m——起始和終止點數(shù)

通過上式可知，振動強度的大小收到振動幅值和頻率的共同影響，且成正比關(guān)系，因此說明在進排氣階段所產(chǎn)生的震動強度更大，對整車可能造成的振動影響更強。

本實驗通過對單一壓縮機試驗獲得，僅能說明振動產(chǎn)生的特征性，具體參數(shù)因個體差異和壓縮機技術(shù)差異會存在不同，僅供參考使用。

4.3 主要部件傳動間隙的影響實驗

軸向活塞壓縮機的主要傳動結(jié)構(gòu)為斜盤與活塞的往復(fù)傳動，斜盤與活塞的連接間隙則會成為傳動過程中的主要振動源，本實驗針對不同的配合間隙而進行，分別選取了10 μm、20 μm、30 μm的不同情況進行振動測試試驗。實驗過程除傳動間隙不一致，其他條件保持一致進行，試驗在空轉(zhuǎn)和穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下分別進行，通過加速度傳感器獲取振動數(shù)據(jù)，如圖6所示。

本實驗進行過程中斜盤為空轉(zhuǎn)狀態(tài)，即壓縮機不真正進行工作，不存在吸氣、排氣等氣體沖擊影響。單純考慮配合間隙帶來的噪聲問題。將壓縮機轉(zhuǎn)運平穩(wěn)后，速度保持在3000 r/min，取完整的一個運轉(zhuǎn)周期測量不同間隙的振動情況，獲得數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖5 閥體的振動頻率及振幅試驗

由圖7可知，隨著配合間隙的增大，振動的幅值成比例增大，同時振動的均勻性更加不良，說明在較大的傳動間隙下，斜盤與活塞在傳動過程中會出現(xiàn)更為明顯的沖擊載荷，導(dǎo)致瞬時的振動幅度激增。說明良好的裝配工藝是減小機械振動的有效手段，從理論上來說平穩(wěn)的傳動過程不僅有利于減小沖擊載荷，更有利于提升機械結(jié)構(gòu)的使用壽命。

5 壓縮機振動抑制方法

5.1 機械振動抑制

機械振動主要由裝配工藝、潤滑條件、零件狀態(tài)等因素決定，因此，要減輕機械振動帶來的影響，首先應(yīng)從生產(chǎn)廠家的加工和裝配工藝著手，對于汽車生產(chǎn)廠家而言，壓縮機的選購是汽車空調(diào)壓縮機振動情況優(yōu)化的基礎(chǔ)保證，優(yōu)質(zhì)壓縮機多出自知名企業(yè)，由于具備良好的生產(chǎn)加工、裝配條件，且有實力不斷的對產(chǎn)品進行優(yōu)化升級，更有利于保證壓縮機機型性能和平穩(wěn)性，此外保持壓縮機良好的潤滑狀態(tài)，及時更換和補充潤滑油、及時更換磨損零件，也有利于減少機械振動問題的發(fā)生。

5.2 進排氣閥振動抑制

圖6 空轉(zhuǎn)試驗臺的裝配情況

從上述實驗可知，進、排氣過程閥片的振動也是導(dǎo)致壓縮機振動的重要因素，除進、排氣過程不可避免的壓縮氣體沖擊外，進排氣閥片的開閉也會產(chǎn)生明顯的振動影響，壓縮機振動性能的優(yōu)化應(yīng)考慮合理選擇發(fā)片結(jié)構(gòu)并優(yōu)化開閉技術(shù)?，F(xiàn)階段應(yīng)用于汽車壓縮機的常見閥片包括環(huán)片閥片和簧片閥片兩種，環(huán)片閥片應(yīng)用較為廣泛、工作性能可靠，但同時因厚度大導(dǎo)致工作過程容易產(chǎn)生沖擊，同時摩擦問題較為嚴重，開閉動作相對緩慢，這都是產(chǎn)生震動的不利因素。簧片閥片的厚度更薄，僅為0.1～0.2 mm左右，質(zhì)量輕、慣性小、有利于快速閉合并減少振動問題的發(fā)生。

5.3 振動傳遞的抑制

除在壓縮機技術(shù)上抑制振動問題外，很多振動的產(chǎn)生仍是不可避免的，在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中還應(yīng)加強將壓縮機的振動問題在轉(zhuǎn)配過程中進行過濾，采用更合理的裝配模式減少振動傳導(dǎo)到車身的情況，并進一步降低振動向駕駛室內(nèi)的傳遞，從而優(yōu)化汽車的駕駛和乘坐感受。

圖7 壓縮機工作階段振動頻率圖

6 結(jié)語

通過對汽車壓縮機技術(shù)的研究和產(chǎn)生振動問題的分析與試驗，得到了壓縮機振動問題的主要原因和振動問題相關(guān)數(shù)據(jù)，除必須的進、排氣過程和壓縮空氣沖擊產(chǎn)生的振動外，壓縮機振動問題可考慮從機械加工精度、裝配工藝、進排氣閥片技術(shù)等很多方面進行優(yōu)化，但相關(guān)試驗研究方法和獲得的數(shù)據(jù)仍具有一定的片面性，僅希望能通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析為汽車壓縮機振動抑制問題提供解決問題的思路。