變排量汽車空調(diào)壓縮機(jī)技術(shù)特點(diǎn)與振動噪聲特性研究

（白城師范學(xué)院，吉林白城 137000）

1 引言

汽車作為現(xiàn)代化生活必不可少的交通工具，其駕乘品質(zhì)已成為人們購買汽車的重要參考因素，除良好的動力系統(tǒng)外，乘坐舒適性也至關(guān)重要。汽車空調(diào)系統(tǒng)是車內(nèi)舒適性的可靠保證，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，空調(diào)壓縮機(jī)技術(shù)也開始向著節(jié)能、環(huán)保、高效率、輕量化方向發(fā)展，變排量汽車空調(diào)壓縮機(jī)就是技術(shù)進(jìn)步的典型代表，其具有轉(zhuǎn)速高、穩(wěn)定性好、能源利用率高等眾多優(yōu)點(diǎn)。變排量空調(diào)壓縮機(jī)包括曲軸連桿式、旋轉(zhuǎn)斜盤式、渦旋式等多種形式，其中以旋轉(zhuǎn)斜盤式變排量空調(diào)壓縮機(jī)應(yīng)用最為廣泛，本文也以此壓縮機(jī)為基礎(chǔ)展開技術(shù)原理及振動噪聲原因的論述。

2 變排量空調(diào)壓縮機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

變排量空調(diào)壓縮機(jī)能夠通過空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定的溫度可遍地輸出壓縮功率，其與傳統(tǒng)的定排量空調(diào)壓縮機(jī)存在顯著的技術(shù)差異，具體表現(xiàn)如表1所示。傳統(tǒng)的定排量空調(diào)壓縮機(jī)通過在蒸發(fā)器表面或出風(fēng)口設(shè)置的傳感器檢測溫度狀態(tài)，以此判斷壓縮機(jī)是否需要工作以提供制冷，也就是說傳統(tǒng)的壓縮機(jī)工作方式是不停的開啟與關(guān)閉，這不利于效率提升和能耗節(jié)約。而變排量壓縮機(jī)工作時主要通過檢測空調(diào)管路內(nèi)壓力的變化來實(shí)現(xiàn)控制，通過預(yù)先設(shè)定好的控制程序，ECU會根據(jù)空調(diào)管路內(nèi)高壓端的壓力狀態(tài)，控制壓力調(diào)節(jié)閥來增加會減小壓縮比，從而改變制冷的強(qiáng)弱程度。這不僅有利于提高壓縮機(jī)的工作效率，在控制車內(nèi)噪聲、振動、節(jié)能環(huán)保等方面也有較大優(yōu)勢。

3 變排量壓縮機(jī)的工作原理

3.1 工作過程

變排量斜盤式壓縮機(jī)是現(xiàn)代汽車的空調(diào)系統(tǒng)中廣泛使用的一種往復(fù)式活塞壓縮機(jī)，其活塞可實(shí)現(xiàn)雙向動作，其主要的工作流程為：通過主軸帶動斜盤運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使斜盤上的活塞實(shí)現(xiàn)往復(fù)的軸向運(yùn)動，帶動壓縮機(jī)的氣缸做往復(fù)運(yùn)動，此時2個活塞呈相反的運(yùn)動形式，當(dāng)前缸活塞回程運(yùn)動時，啟初排氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，活塞缸內(nèi)殘留的氣體被回程帶動產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象，使缸內(nèi)氣壓急劇減少，吸氣閥在氣壓作用下被打開，低壓氣體進(jìn)入氣缸直到活塞吸滿氣為止。當(dāng)后缸開始壓縮工作時，缸內(nèi)壓力和溫度逐漸上升，排氣閥在壓力作用下開啟實(shí)現(xiàn)排氣，直到氣體完全排出，如此循環(huán)，不斷的完成吸氣、壓縮、排氣、膨脹的過程。

3.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

變排量斜盤式壓縮機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，關(guān)鍵部件包括了驅(qū)動軸、斜盤、活塞、排氣閥、電磁離合器等等。裝配過程中斜盤與主軸呈固定關(guān)系，被減少運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的摩擦阻力，斜盤與活塞之間采用帶有鋼球的滑動結(jié)構(gòu)連接，在斜盤運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，鋼球隨斜盤形狀位置的變化，能有效將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，同時將傳統(tǒng)的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，通過技術(shù)的不斷改進(jìn)，鋼球連接結(jié)構(gòu)的材料也由傳統(tǒng)的鑄鐵改為了具有更高硬度的鋁合金，不僅減輕了壓縮機(jī)的總體重量，同時也有利于斜盤式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速提升。

現(xiàn)階段的變排量斜盤式空調(diào)壓縮機(jī)主要有兩種潤滑形式：一是傳統(tǒng)的油池潤滑，主要依靠吸氣槍內(nèi)的高溫高壓將冷凍機(jī)油分離出實(shí)現(xiàn)潤滑；另一種是具有油泵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)制性潤滑，主要應(yīng)用于新型汽車上，這類壓縮機(jī)具有更好的制冷能力。

4 變排量壓縮機(jī)振動噪聲影響因素

4.1 機(jī)械傳動產(chǎn)生的影響

變排量壓縮機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與變通壓縮機(jī)基本一致，其機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于壓縮機(jī)中存在高速運(yùn)轉(zhuǎn)及往復(fù)運(yùn)動的零件，導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在不平衡力，致使傳動的摩擦和沖擊問題嚴(yán)重，由于斜盤運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中壓縮機(jī)必須根據(jù)車內(nèi)氣溫條件調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)核，導(dǎo)致壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速不停變化，此時斜盤不同位置的活塞對斜盤的受力狀態(tài)均不一，造成了斜盤、鋼球、活塞運(yùn)動中的力和力距不停變化，引起了壓縮機(jī)的振動問題。同時，活塞和氣缸的往復(fù)運(yùn)動，其工作中對氣體不斷的進(jìn)行壓縮和釋放，其中存在的壓縮力的突變過程，排氣閥的瞬間釋放會造成較大的沖擊振動，其中機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡所產(chǎn)生的振動噪聲頻率計算公式如下

表1 定排量壓縮機(jī)與變排量壓縮機(jī)技術(shù)對比

式中 f——系統(tǒng)的不平衡力產(chǎn)生的振動和噪聲的頻率，Hz

n——諧頻階數(shù)

f0——轉(zhuǎn)動頻率，Hz

N——轉(zhuǎn)速，r/min

由此可見，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，系統(tǒng)中因不平衡力產(chǎn)生的振動和噪聲的頻率不斷增強(qiáng)，所引發(fā)的振動噪聲逐漸增多。

4.2 氣流波動產(chǎn)生的影響

圖1 變排量斜盤式壓縮機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

圖2 變排量斜盤式壓縮機(jī)噪聲圖譜

變排量斜盤式壓縮機(jī)由于其自身結(jié)構(gòu)的限制，其在吸氣、壓縮、排氣、膨脹的過程中，是不連續(xù)的，導(dǎo)致在某些位置氣流噴出的同時另一位置會有大量氣體吸入，由于吸排氣過程氣體速度較高，容易造成因氣體體積驟變和氣流相互影響導(dǎo)致的氣流噪聲與振動。盡管現(xiàn)階段很多先進(jìn)的壓縮機(jī)在吸排氣閥上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，有效降低了吸排氣閥的鋼度，增加和吸排過程中的柔性，在一定程度上減少了氣流波動產(chǎn)生的影響，但仍不能完全避免沖擊振動，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)特性的限制，現(xiàn)階段最好的減少壓縮機(jī)噪聲和振動的方式就是減輕氣流波動產(chǎn)生的影響。

4.3 交變磁場產(chǎn)生的影響

在壓縮機(jī)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子的相互作用會產(chǎn)生明顯的電磁噪聲，電磁噪聲也會給變排量壓縮機(jī)帶來一定的噪聲和振動問題，相關(guān)試驗(yàn)表明：斜盤式壓縮機(jī)所產(chǎn)生的電磁噪聲與電機(jī)定子的槽數(shù)直接相關(guān)，因此，合理的電機(jī)選擇與設(shè)計是減少交變磁場產(chǎn)生的影響的主要手段。

4.4 噪聲圖譜分析

變排量斜盤式壓縮機(jī)的噪音圖譜如圖2所示，可見主要的噪聲點(diǎn)集中在2000～3000 Hz，且在啟動階段噪聲存在加大起伏波動。

在噪聲圖譜測量的試驗(yàn)中，壓縮機(jī)的噪聲強(qiáng)度會在小范圍內(nèi)產(chǎn)生跳動和不規(guī)律性，主要是由于氣缸往復(fù)運(yùn)動和吸排氣過程產(chǎn)生的沖擊等綜合影響因素較為隨機(jī)，但總體上還是呈現(xiàn)隨轉(zhuǎn)速增加先增強(qiáng)后減弱的趨勢。

5 振動噪聲問題的優(yōu)化方向

5.1 消聲技術(shù)的應(yīng)用

消聲技術(shù)是控制噪聲問題的有效手段，通過將壓縮機(jī)技術(shù)與聲學(xué)控制技術(shù)相結(jié)合，充分考慮流動、傳熱、振動等綜合因素，利用抗性消聲器原理，在原有的管道上安裝旁接共振腔或突變管道，使原有噪聲頻率在較大的空間變化出出現(xiàn)反射、干涉影響，有效抵消過大噪聲。

5.1.1 膨脹室消聲技術(shù)

膨脹室消聲技術(shù)是結(jié)構(gòu)相對簡單的噪聲控制技術(shù)，主要利用管道直徑的突然變化引發(fā)管道內(nèi)部的內(nèi)聲阻抗突變（圖3），利用反射聲波有效抵消噪聲。

由于膨脹室消聲在一定特定的頻率下無法達(dá)到良好的消聲效果，因此可考慮采用多節(jié)不同長度的擴(kuò)張室串聯(lián)的方法，以有效避免部分頻率無法消聲的問題。

5.1.2 共振腔消聲技術(shù)

共振腔消聲技術(shù)也屬于抗性消聲的一種，其主要是在原壓縮機(jī)系統(tǒng)的管壁上開具小孔，使小孔外接一個密閉的腔體（圖4），當(dāng)管道中存在振動和噪聲時，聲波會通過小孔進(jìn)入腔體，聲波狀態(tài)產(chǎn)生突變，使部分聲能反射回聲源，同時腔體產(chǎn)生振動使聲能的振動轉(zhuǎn)換為熱能而損失，從而達(dá)到有效消聲的目的。

為達(dá)到良好的消聲效果，共振腔消聲的設(shè)計也可以采取多節(jié)共振器串聯(lián)的形式，通過將不同共振頻率的腔體有機(jī)結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)將消聲器的共振頻率錯開的效果，從而有效提升消音質(zhì)量。

5.2 改善排氣閥片技術(shù)狀態(tài)

排氣閥是壓縮機(jī)排氣系統(tǒng)的主要噪聲產(chǎn)生位置，在正常工作狀態(tài)下，排氣閥根據(jù)氣體推力和彈簧壓力的大小關(guān)系，控制壓縮氣體是否被排出，理論狀態(tài)下，排氣閥的開啟與關(guān)閉十分迅速，不會在開關(guān)過程中出現(xiàn)顫動或撞擊噪聲等問題。但是在實(shí)際使用中，尤其在壓縮工作較長時間后，排氣閥片在工作時，當(dāng)排氣閥被缸內(nèi)氣體壓力開啟后，在彈簧力作用下有快速出現(xiàn)關(guān)閉趨勢，此時未完全排出的氣體再次將閥片頂起，導(dǎo)致出現(xiàn)一個形成過程多次開閉的問題，從而產(chǎn)生明顯的顫動現(xiàn)象。此外，在長時間的使用下，由于彈簧力變?nèi)酰€可能出現(xiàn)，閥片開啟后關(guān)閉緩慢的問題，導(dǎo)致產(chǎn)生氣體“倒流”問題出現(xiàn)，使閥片對閥座產(chǎn)生更大的沖擊。

圖3 膨脹室消聲管道變化圖

圖4 共振腔消聲開孔及腔體布置

因此，對閥片狀態(tài)的及時檢查與保養(yǎng)是減少壓縮機(jī)排氣噪聲的有效手段，只有保證排氣閥片良好的工作狀態(tài)，才能在保證壓縮機(jī)高效工作的同時，最大化的減少振動和噪聲。此外，還應(yīng)對排氣閥片進(jìn)行合理的設(shè)計，實(shí)驗(yàn)表明，排氣閥片的厚度與排氣噪聲值有直接關(guān)系，當(dāng)閥片厚度由0.38 mm逐漸減小時，所產(chǎn)生的噪聲值也對應(yīng)降低，指導(dǎo)厚度小于0.25 mm后，噪聲則繼續(xù)呈增大趨勢，因此，設(shè)計中應(yīng)充分考慮閥片厚度及形狀等影響因素，必要時通過模擬軟件或?qū)嶒?yàn)進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)排氣閥片工作狀態(tài)的最優(yōu)化，并有效降低因此產(chǎn)生的振動和噪聲。

6 結(jié)語

為滿足汽車空調(diào)系統(tǒng)不斷優(yōu)化的實(shí)際需求，通過多種手段優(yōu)化壓縮機(jī)的技術(shù)狀態(tài)是十分必要的，盡管現(xiàn)階段汽車壓縮機(jī)技術(shù)取得了較大的進(jìn)步，但是關(guān)于減少沖擊振動的優(yōu)化設(shè)計仍比較少，還需要專業(yè)技術(shù)人員繼續(xù)探索相關(guān)技術(shù)的解決途徑。