MSC.adams在汽車空調(diào)壓縮機中的應(yīng)用

引言

　　隨著人們生活水平的提高，對汽車舒適性的要求也越來越高。汽車空調(diào)的質(zhì)量影響到對整車的評價。由于汽車是直接暴露在太陽或風(fēng)雪下，而且汽車行駛的速度變化無常，車內(nèi)的空間有限。這都加大了汽車空調(diào)的設(shè)計難度。一般來說汽車空調(diào)由壓縮機，冷凝器，蒸發(fā)器，和膨脹閥組成。汽車空調(diào)壓縮機是汽車空調(diào)的關(guān)鍵零部件，也是主要的運動部件。采用虛擬樣機技術(shù)可以研究汽車空調(diào)壓縮機的運動規(guī)律和動力性能，為設(shè)計和優(yōu)化提供幫助。

　　虛擬樣機技術(shù)是在產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)中，將分散的零部件設(shè)計和分析技術(shù)融合在一起，在計算機上建造出產(chǎn)品的整體模型，并對該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進行仿真分析，預(yù)測產(chǎn)品的整體性能，進而改進設(shè)計，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

　　本文是采用MSC.ADAMS 軟件對一款汽車空調(diào)壓縮機進行運動，動力分析，從而了解其運動規(guī)律，并計算一些聯(lián)接副的受力情況。

　　1 汽車空調(diào)壓縮機運動機構(gòu)概述

　　汽車空調(diào)壓縮機可分為往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式二大類。往復(fù)式的又分曲軸連桿式，軸向活塞式，和徑向活塞式。其中軸向活塞式又分旋轉(zhuǎn)斜盤式和搖擺斜盤式。旋轉(zhuǎn)式又分刮片式，滾動活塞式，三角轉(zhuǎn)子式，渦旋式，螺桿式。本文主要研究5 缸搖擺斜盤式的汽車空調(diào)壓縮機。

　　搖擺斜盤式的汽車空調(diào)壓縮機的工作原理是通過主軸的旋轉(zhuǎn)帶動斜盤的轉(zhuǎn)動，通過只能進行擺動的行星盤將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運動，活塞在氣缸里對制冷劑進行壓縮。（見圖1）

圖1 空調(diào)壓縮機核心部件裝配圖

　　2 搖擺斜盤式壓縮機運動學(xué)幾何關(guān)系

　　搖擺斜盤式壓縮機通過主軸帶動斜盤作圓周運動，行星盤由于導(dǎo)向桿的運動約束，將主軸的周轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為斜盤表面質(zhì)點的軸向往復(fù)，并通過連桿帶動活塞，構(gòu)成空間上類曲柄滑塊機構(gòu)。

　　本模型中，由于受到行星盤上導(dǎo)向桿的約束，活塞3 的連桿連接行星盤一端的球心始終位于軸線與導(dǎo)向桿軸線所確定的平面內(nèi)，該活塞的運動處于較為特殊的地位，幾何關(guān)系為平面運動。其余活塞1，5，活塞2，4 互為對等關(guān)系，且均屬空間運動學(xué)范疇。

　　3 活塞運動學(xué)公式推導(dǎo)

　　在研究壓縮機時，活塞的運動規(guī)律十分重要。下面以活塞3 為例，對壓縮機的活塞質(zhì)心運動進行公式推導(dǎo)。

　　如圖2 所示，對該幾何關(guān)系構(gòu)建封閉矢量多邊形，l1、l2、l3、s4 均為相應(yīng)的桿矢量，θ1、θ2、θ3、θ4 為桿件的方位角，各桿件矢量方向不影響計算結(jié)果，但方位角均應(yīng)由x 軸開始，并以沿逆時針方向計量為正。

圖2 活塞3 運動幾何關(guān)系

　　由于主軸軸線（即斜盤軸線）和行星盤軸線各自在工作結(jié)合面（粗虛線）上的交點有一偏心距，其偏置的結(jié)果正好使得行星盤中心球狀腔的球心（O 點）落在了主軸軸線（X 軸）上。

　　所以，在固定球輪的頂壓下，行星盤完全繞O 點作擺動，行星盤中心孔腔的球心（O 點）到圓周孔腔（即連桿球鉸鏈落位處）的球心（A 點）之間的距離為曲柄長度，連桿兩球心之間距離為連桿長度，活塞質(zhì)心運動狀態(tài)等效B 點（球鉸鏈球心）運動狀態(tài)。

　　由于在封閉矢量多邊形中，各矢量之和為零：

　　4 通過MSC.ADAMS 對壓縮機進行運動動力分析

　　4．1 分析的基本步驟

　　汽車空調(diào)壓縮機的仿真過程如下：1. 運用UG 的三維實體建模模塊對壓縮機核心運動機構(gòu)進行三維建模，主要包括主軸、斜盤、行星盤、連桿和活塞五大部件，并在UG 環(huán)境下進行裝配。2. 將建好的實體模型以Parasolid 格式輸出，導(dǎo)入ADAMS 中，添加材料屬性，并根據(jù)默認位置關(guān)系附加運動約束，實現(xiàn)模擬運動無干涉。3. 根據(jù)三種給定的不同工況，計算活塞端面的氣體壓力，將氣體力學(xué)方程導(dǎo)入，完成力學(xué)約束的添加。4. 根據(jù)工況，在驅(qū)動軸上賦給指定轉(zhuǎn)速，輸出動力學(xué)特性曲線，包括活塞質(zhì)心位移曲線、活塞質(zhì)心速度曲線、活塞質(zhì)心加速度曲線和活塞端面力曲線。并對獲取的數(shù)據(jù)進行動力學(xué)分析。

　　4．2 零部件的物理參數(shù)

　　其幾何參數(shù)和慣性參數(shù)采用三維CAD 實體建模軟件UG-Ⅱ計算得到，如表1 所示。這對幾何形狀極不規(guī)則，采用計算方法很難得到準(zhǔn)確數(shù)值的物體，如斜盤等，將大大簡化計算過程。

表1 空調(diào)壓縮核心部件力學(xué)參數(shù)

　　4．3 約束的選定

　　在ADAMS 的VIEW 模塊對模型中的零件之間的運動副進行約束定義。下表為運動副的約束定義。

表2 空調(diào)壓縮核心部件運動約束

　　4．4 確定邊界條件（活塞壓力的確定）

　　4．4．1 仿真工況：

　　按試驗要求，如表4.2.3-1 所示，仿真過程將在900rps、5500rps、7000rps 三種轉(zhuǎn)速及各自相對應(yīng)的吸氣壓強、排氣壓強下進行測試。

表3 空調(diào)壓縮機試驗工況

4．4．2 活塞頂部壓力公式推導(dǎo)：

　　根據(jù)氣體方程：多變過程的 P*VN=C 得出：

壓縮過程：P1=Ps*((L+C)/( .5H11G.cm_dis+d3+C)) N
排氣過程：P2=Pd
膨脹過程：P3=Pd*(C/(.5H11G.cm_dis+d3+C)) N
吸氣過程：P4=Ps

　　其中：
L＝壓縮機平均行程
C=余隙
N＝多變指數(shù)
d3=活塞下止點平均位置
.5H11G.cm_dis=活塞質(zhì)心點位置