变排量斜盘式汽车空调压缩机的在MSC.ADAMS中的动平衡仿真分析

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　　蒋祖华 王屹
　　(上海交通大学机械与动力工程学院)
　　摘要：变排量斜盘式压缩机的斜盘倾角会随着汽车环境热负荷的变化而在一定范围变化，此外汽车行驶中发动机转速也是变化的，这使得压缩机的动不平衡量不断地改变。因而压缩机新产品的开发离不开数字样机的仿真分析，本文利用MSC.ADAMS动力学仿真软件建立了6Sxx变排量斜盘式汽车空调压缩机的力学仿真模型，在理论分析的基础上，仿真了6Sxx变排量压缩机的动平衡特性，分析了在低、中、高不同主轴转速下和多种斜盘摆角下的动不平衡量，并得出了一些规律性的结论，为产品开发提供了依据。

　　关键词：动平衡 变排量压缩机 仿真 MSC.ADAMS

　　1 前言

　　随着人们对汽车乘坐舒适性要求的提高，变排量空调压缩机逐渐成为汽车空调市场的主力。斜盘式压缩机在不同工况下可通过调节斜盘的倾角来改变气缸的排气量，使车内的环境温度基本不变。斜盘式压缩机结构简单、调节可靠，可达到较高的转速。但由于在不同的排气量下，斜盘不仅摆角发生了变化，且其在主轴的轴向位置也发生了变化，这使得压缩机的动不平衡量不再保持常量;不同转速下压缩机多个气缸往复运动的惯性力和力矩也不断变化，这些动不平衡量使压缩机产生振动，并会影响压缩机的平稳调压。
　　一方面变排量压缩机动平衡的理论分析比较复杂，例如斜盘的旋转惯性力矩因斜盘结构的复杂很难得出准确的数学表达式，往往要经过不少简化。另一方面都通过实验方法又有成本较高、实验结果不易分析的局限性。本文中通过理论分析再结合MSC.ADAMS动力学仿真软件的仿真对上海易处通用机器公司的6sxx六缸变排量压缩机的动平衡进行了研究，仿真了不同转速和斜盘摆角下的动不平衡量，有效的支持了变排量压缩机的结构设计和改进。

　　2 压缩机动平衡问题的理论分析

　　Y
　　Z X

          图1 6sxx变排量压缩机结构示意图

　　图1是6sxx变排量斜盘式压缩机的结构示意图。压缩机的基本构件包括主轴、斜盘、驱动盘、活塞、滑履、驱动臂和气缸体，其中斜盘和主轴间是不固定的，六个活塞均布在斜盘的一侧。当压缩机的吸、排气压力发生变化后，压缩机的控制阀调节斜盘腔内的气压使斜盘的摆角变化，从而使活塞的位移发生变化达到改变压缩机排气量的目的。

　　2.1 压缩机活塞的惯性力和力矩

　　压缩机的动不平衡量由两部分组成，一部分是六个活塞在气缸内往复运动时产生的惯性力和力矩;另一部分是压缩机回转运动部件，主要包括斜盘和配重的回转离心惯性力矩。对于6sxx压缩机，斜盘的几何外形相当复杂不是规则的几何形状，所以用数学表达式准确的分析它的回转离心力矩是比较困难的。对于均布的活塞，尽管同一时刻每个活塞的惯性力和力矩不同，但从整体上分析，所有活塞往复运动产生的合惯性力和合力矩是有规律性的。
　　活塞惯性力和力矩分析中的坐标系设定：OZ轴与压缩机的主轴中心线重合，方向向左
　　;OY轴垂直于主轴中心线，正向向上;OX轴水平向，整个坐标系符合右手螺旋定则。

　　任意N列活塞的总往复惯性力：

    　　[1] (2-1)
m：单列活塞的质量    R：活塞的分布圆半径    ：主轴的角速度
：斜盘的倾角          N：活塞的列数               ：主轴的转角


　　对于6sxx变排量压缩机，往复惯性力不仅随主轴的转速而变且随斜盘倾角不同而变化。
　　通过对2-1式的分析可以发现：除了仅有一列活塞时往复惯性力不为零外，当活塞列数为两列和两列以上时，只要活塞是均布的，则活塞的总往复惯性力等于零。

　　任意N列活塞的总往复惯性力矩：
　　(2-2)
　　总往复惯性力矩在YOZ平面内的分量：
     　　(2-3)

　　总往复惯性力矩在XOZ平面内的分量：
         　　(2-4)
　　总往复惯性力矩的X向分量使压缩机在YOZ平面有倾覆的趋势，引起扭转振动;总往复惯性力矩的Y向分量使压缩机在XOZ平面受倾覆力矩，有倾覆趋势。活塞的总往复惯性力矩不会在压缩机的主轴向产生扭转振动
　　压缩机的回转惯性力矩是指斜盘及与斜盘装配在一起的配重装置，由于斜盘不与主轴轴线成垂直而使分布在不同轴向平面内的偏心质量产生的离心惯性力所形成的惯性力矩。它们随着斜盘倾角和主轴转速的增加而增大。因斜盘和配重结构的复杂，故回转惯性力矩难以用准确的数学表达式描述。

　　2.2 活塞总往复惯性力的理论证明

　　活塞的总往复惯性力规律可通过计算来验证，但仅仅通过枚举法验证是不严密的，而一些涉及此内容的文献也没能给出严密的理论证明。本文使用一种巧妙且简单的方法给予了严格的证明。

　　当N≥2时，求证：
　　证明：

　　我们构造如下N个复数：



　　显然这N个复数的模均是“1”，它们的相位角分别是


不论

                               
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为何值，这N个复数的矢量都均匀分布在单位圆上。


　　实际上是N个复数向量的实部和

　　而等模均布在单位圆上的N个矢量的实部之和必为0，即：

=0
　　命题得证


　　3 在MSC.ADAMS软件中的动平衡仿真分析

　　MSC.ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)是世界上应用最广泛、最权威的机械动力学仿真分析软件，利用MSC.ADAMS建立的虚拟样机在计算机上实现机械系统的动力学、静力学和运动学仿真分析。它可以快速、方便的建立完全参数化的机械系统模型，并拥有强大的后处理能力和良好的交互性。
　　在该变排量压缩机的仿真分析中我们选取了斜盘倾角和主轴转速各三种(共九种工况)，即5、12、20度小、中、大三种斜盘倾角和600rpm、2000rpm、5000rpm低、中、高三种压缩机主轴转速来分析压缩机的动不平衡量。由于5、12、20分别是该压缩机在工作中实际斜盘角度变化中的最小角、变化范围的中间角度和实际变化可达的最大角，且600rpm、2000rpm和5000rpm分别是该型压缩机实际工作的最小转速、最常用工作转速和高工作转速，故在MSC.ADAMS中分析这几种工况下的动不平衡量是有典型性的。
　　以下是这几种不同工况下的动不平衡力矩的变化曲线.X向和Y向是压缩机主轴两个径向方向，Z向是压缩机的轴向。力矩的方向用它们的主矢方向表示。
　　在压缩机斜盘倾角5、12度时，X和Y两径向的动不平衡力矩的变化趋势几乎是一样的，这点从图2和图3可以看出。同样的斜盘倾角，在不同主轴转速下,相同方向的不平衡力矩
　　的周期性变化规律是一致的，但是最值和变化幅值不同，故在图2、3、4和5中仅给出了变化规律而没有标明具体的转速和坐标刻度值。不同工况下的数据可从表1中得到。

　　压缩机的动不平衡力矩包括活塞往复运动产生的往复惯性力矩斜盘、斜盘上的配重等回转构件形成的离心惯性力矩两部分。从表1的仿真数据可见，压缩机轴向(Z)的不平衡力矩在各种工况下均为零，所以压缩机在主轴向不会产生扭转振动。但在两个径向都有惯性力矩，它们将引起压缩机横向的扭转振动，且这种振动随着斜盘倾角和主轴转速的增加而加剧。压缩机的轴向力在各种工况下也为零，这主要是因为压缩机斜盘上等角度分部的多个活塞在同







　　一时刻所处的相位和加速度的方向不同，使所有活塞的往复惯性力的矢量和为零，这也验证了本文前面的证明结果。
　　在斜盘倾角5和12度时，两径向的不平衡力矩的变化的最值和幅值几乎完全一样。这时的斜盘和配重机构由于倾角比较小，它们的轴向尺寸也不大，故这时的不平衡力矩主要是活塞往复运动带来的往复惯性力矩，回转离心惯性力矩次之。随着斜盘倾角的逐渐增大,回转惯性力矩的作用也渐明显，而倾角达到20度这一压缩机的最大极限摆角时，这时斜盘和配重机构的轴向尺寸已经相当大，由此产生的回转离心惯性力矩也很大。在该变排量压缩机的结构设计中，为了减小大倾角和高转速时活塞往复运动产生的较大有害惯性力矩，特使斜盘及与斜盘装配在一起的配重产生的回转离心惯性力矩与活塞产生的往复力矩方向相反。从图4和图5可见，斜盘和配重产生的回转惯性力矩将活塞产生的往复力矩的峰值明显的消弱了，形成一个凹坑，使往复惯性力矩和回转惯性力矩的合力矩曲线成了在一个周期内有两个尖峰的曲线。在斜盘倾角一定时，随着主轴转速的增加，斜盘和配重产生的回转离心惯性力矩对活塞往复移动产生的有害力矩的抵消作用越明显。这也是在表1中斜盘倾角12度时动不平衡力矩的最大值大于20度时对应转速的最大值的原因。
　　此外由于在不同的斜盘倾角和主轴转速下，压缩机的惯性力矩的值是不断变化的，故不能利用在主轴和斜盘上配置平衡质量的方法予以完全平衡。故只能以常用主轴转速(本机型为2000rpm)下的工况为主，适当兼顾不常出现的极高转速，在斜盘上添加配重。

　　4. 结束语

　　对于变排量斜盘式汽车空调压缩机它的动平衡问题主要结论主要有以下几点：
　　1) 压缩机的主轴向的不平衡力和力矩均为零，故没有轴向的扭转振动。
　　2)在低转速、小斜盘倾角下，不平衡力矩主要是活塞的往复惯性力矩;随着转速和斜盘倾角增大回转构件的离心惯性力矩逐渐增大并渐成为主要的不平衡量。压缩机的回转离心力矩在设计时使之与活塞的往复惯性力矩方向相反，起抵消有害的往复力矩作用。
　　3) 压缩机的动不平衡量不能通过在斜盘和主轴上配重予以完全的平衡。
　　总之，将理论分析和仿真分析相结合，在MSC.ADAMS环境中建立变排量压缩机的仿真模型，可高效、方便的分析得出在各种不同的工况下压缩机的动不平衡规律，使在产品开发前期产品几何结构确定后就预测出动平衡情况，节省了物理实验的成本，指导了产品的结构设计。
　　参考文献
　　【1】 太田雅树，小林久和，崛真嘉，滨崎胜. 带有铝制凸轮盘装置的可变容量致冷压缩机[P]. 中国专利：98109242，CN1198512
　　【2】 郁永章，刘勇. 特种压缩机[M]. 出版社：机械工业出版社，1989
　　【3】 钱钖俊，陈弘. 泵和压缩机[M]. 出版社：石油大学出版社，1989
　　【4】 孙桓，傅则绍. 机械原理，第四版[M]. 出版社：高等教育出版社，1990

　　【5】 马国远，郁永章. 摆动斜盘压缩机的力学分析(II)惯性力的平衡[J]. 压缩机技术，1994，第2期



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