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(dòng))空壓機(jī)行業(yè)，我國至今還沒有國家標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)行的行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)QC/T 29078-92［1］與國際標(biāo)準(zhǔn)相比，差距甚大。另外，在理論與標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際的比較中，振動(dòng)、容積效率 (充氣系數(shù)ηv)、噪聲控制等指標(biāo)，差距亦甚大。理論、標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)際之間的不對應(yīng)性，不利于產(chǎn)品技術(shù)的進(jìn)步。本文作者以微振動(dòng)領(lǐng)域的角度，對汽車空壓機(jī)的若干技術(shù)進(jìn)行透視、分析，探討產(chǎn)品技術(shù) (容積效率)進(jìn)步的可能性。

1 汽車空壓機(jī)的微振動(dòng)現(xiàn)象

1.1 噪聲與微振動(dòng)

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(dòng)傳遞，影響了充氣系數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)速2 500 r/min以上時(shí)，噪振聲混合明顯，相對波長較短，頻率高，傳遞快。機(jī)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(shí)既會(huì)各自產(chǎn)生聲音，又會(huì)相互傳遞聲波，產(chǎn)生微波動(dòng)，從微觀角度，影響了閉合。

噪聲或微振動(dòng)的發(fā)生，源于氣體的壓縮運(yùn)動(dòng)和進(jìn)、排氣時(shí)氣流的聲音和振動(dòng)，源于機(jī)械動(dòng)力的轉(zhuǎn)動(dòng)或潤滑不足發(fā)生的聲音和振動(dòng)。通過聲波和其他振動(dòng)頻率相互干涉，對缸體材料自身產(chǎn)生微顫動(dòng)。振動(dòng)和氣動(dòng)速度的不一致性、運(yùn)動(dòng)方向的不協(xié)調(diào)性，導(dǎo)至了閥片受力時(shí)而相向，時(shí)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(bào)道，噪聲通過耳感進(jìn)入大腦，使之反應(yīng)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(shí)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(shè)計(jì)產(chǎn)品振動(dòng)烈度須小于45 mm/s。設(shè)計(jì)時(shí)，除在行程、缸徑、軸跳動(dòng)等方面予以烈度控制外，有條件時(shí)，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(jìn)一步設(shè)計(jì)，從頻率的角度，處理噪聲和微振動(dòng)的關(guān)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(dòng)

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

閥片與閥門之間的閉合度，是一個(gè)難以觀測的節(jié)點(diǎn)?？諌簷C(jī)工作時(shí)，不少產(chǎn)品的轉(zhuǎn)速n≥3 000 r/min，機(jī)內(nèi)氣壓已達(dá)1.2 MPa以上。但目前，空壓機(jī)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(dòng)的氣流留下了迂回的縫隙或間歇性的扁平通道。

功率、振動(dòng)、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(guān)系點(diǎn)。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(shè)計(jì)，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(dòng)烈度亦較低。除非產(chǎn)品對壓力指標(biāo)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(diǎn)，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(dòng)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(shí)用的角度看，只能是一個(gè)區(qū)間。舜間的協(xié)調(diào)，需要精準(zhǔn)的計(jì)算而不能忽視。但必須且只能確定一個(gè)額定區(qū)間。只有這樣，才能在材質(zhì)上、在接觸面上、在整機(jī)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(jī)型閥門周邊設(shè)圈，在接觸時(shí)能增加壓強(qiáng)，是一種進(jìn)步。缺點(diǎn)是一旦有空氣雜質(zhì)或內(nèi)部油霧污點(diǎn)相黏，會(huì)影響閉合效果。作者在返修機(jī)解剖時(shí)見到了這種情況，進(jìn)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(dòng)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(dòng)的頻變

從力學(xué)的角度，彈性和慣性是振動(dòng)的前提。汽車制動(dòng)空氣壓縮機(jī)的微振動(dòng)概念，有其復(fù)合性，是阻尼振動(dòng)。非單純的機(jī)械微振，有聲波和共鳴、互振的組合成分。在其往復(fù)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(yùn)動(dòng)過程，因此，推斷既有縱波又有橫波現(xiàn)象。

但空壓機(jī)工作時(shí)的微振動(dòng)，較多產(chǎn)生于氣流和轉(zhuǎn)子或活動(dòng)部件的動(dòng)平衡上，氣流可產(chǎn)生脈動(dòng)、渦流，轉(zhuǎn)子不平衡可產(chǎn)生受迫振動(dòng)。材料和結(jié)構(gòu)的固有頻率，因外力的策動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生差異性的振動(dòng)頻率和變化。潤滑不足，或機(jī)內(nèi)部件在裝配的過程中，有細(xì)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(dòng)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(xì)微位移或振動(dòng)。彈性、顫動(dòng)、慣性、振震，都會(huì)助推微振波的產(chǎn)生。

為提高產(chǎn)品的性能，有必要對樣機(jī)進(jìn)行頻譜分析，系統(tǒng)地調(diào)整公差標(biāo)準(zhǔn)，但并非公差越小越好。在結(jié)構(gòu)上解決節(jié)點(diǎn)問題，在材料上解決組配問題，提高振動(dòng)烈度標(biāo)準(zhǔn)要求［3］。

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

微振動(dòng)應(yīng)對措施:設(shè)計(jì)時(shí)，對振波強(qiáng)度要相消干涉，以頻調(diào)波，以緩沖控制微動(dòng)振。間隙大小可能與振波振頻高低有關(guān)，為防止微共振，機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)間隙不能設(shè)計(jì)為相同而應(yīng)略有差異。部分機(jī)型的層材料，如導(dǎo)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(jī)研發(fā)時(shí)，要借助頻譜分析，研究空壓機(jī)振動(dòng)的頻變現(xiàn)象。

頻變振動(dòng)也有最佳頻率區(qū)間。

2 汽車空壓機(jī)容積效率 (充氣系數(shù)ηv)提升的方法或途徑

2.1 微振動(dòng)的平衡

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

目前，汽車制動(dòng)空壓機(jī)一般不進(jìn)行平衡機(jī)檢定。各種活動(dòng)件的設(shè)計(jì)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(dāng)?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(shí)踐證明，整機(jī)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(jī)的性能，建議增加平衡檢驗(yàn)環(huán)節(jié)。

鍛造的曲軸，經(jīng)精車和鉆油孔后，要用平衡機(jī)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(dòng)件都是最佳轉(zhuǎn)動(dòng)公差間隙和平衡狀態(tài)，以減少機(jī)械振動(dòng)?？諌簷C(jī)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(dòng)平衡的重要手段，不但要進(jìn)行精確預(yù)計(jì)算，還要進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。單軸雙缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使壓縮機(jī)氣體流量在額定轉(zhuǎn)速一定時(shí)為單缸的兩倍，而且在振動(dòng)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(dòng)最小，往往是運(yùn)動(dòng)部件的最平衡配置 (見 GB/T 6444-1995中6.1)［4］。

2.2 微振動(dòng)的測量和頻譜分析

目前，汽車空壓機(jī)一般不進(jìn)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(jì)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(jī)的振動(dòng)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(jī)械波 (聲波屬機(jī)械波)的頻率由振動(dòng)源決定，不因介質(zhì)改變而改變。其傳播速度由媒質(zhì)決定。空壓機(jī)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(dòng)的頻率。獲取、通過機(jī)械波波形曲線，可以了解到波的振幅、波長、振動(dòng)位移、備質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度的測方向。通過頻譜分析，對照產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，便可確定產(chǎn)品所處的狀態(tài)和對應(yīng)的改進(jìn)措施。排氣閥片固有頻率值偏高，有利于保證壓縮比。進(jìn)氣閥片固有頻率值偏低，有利于吸氣過程和防止進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法條款，以指導(dǎo)產(chǎn)品微振動(dòng)狀態(tài)的持續(xù)改進(jìn)。振動(dòng)的利用只能在某些區(qū)間做實(shí)驗(yàn)，利用某些振動(dòng)的原理，實(shí)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(jī)的排氣效率是由壓力比決定的。進(jìn)氣壓力通過活塞運(yùn)動(dòng)來改變壓力比，實(shí)現(xiàn)排氣。就空壓機(jī)而言，改變壓力比的途徑首先是進(jìn)氣空間、排氣空間和壓力之比。在滿足一定的配套指標(biāo)下，進(jìn)氣孔要大于排氣孔。如本公司的CK152雙缸機(jī)型有三個(gè)進(jìn)氣孔，CK173雙缸機(jī)型的舌簧閥片較長。每片長達(dá)10 cm，彈性充足。聶清風(fēng)［7］對汽車空壓機(jī)氣閥運(yùn)動(dòng)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(guān)。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(guān)系，頻率與振幅有最佳區(qū)間與之適配。

微振動(dòng)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(dòng)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(jìn)氣閥片的啟與閉瞬間微振動(dòng)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(yùn)動(dòng)、閥片與閥門的閉合和整機(jī)舜間協(xié)調(diào)的優(yōu)選問題，需要精確的理論計(jì)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(xiàng)或點(diǎn)的規(guī)律問題，包括有限元方法。但至今無法直接解決實(shí)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(yùn)動(dòng)和閉合。在生產(chǎn)制造過程，區(qū)間的把關(guān)包含以下方面:(1)設(shè)計(jì)的公差;(2)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的跳;(3)材質(zhì)的驗(yàn)收;(4)功率、轉(zhuǎn)速與壓力的配合，要測定空壓機(jī)最大容積效率時(shí)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(diǎn)在于頻率和微振動(dòng)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(yùn)動(dòng)和協(xié)調(diào)提出更加嚴(yán)格的要求。首先，區(qū)間指標(biāo)必須靠近產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上限要求。另外，區(qū)間指標(biāo)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(jī)工作時(shí)，活塞、閥片、曲軸高速運(yùn)動(dòng)，在氣體高速摩擦和壓縮的過程中產(chǎn)生的溫度T可達(dá)773 K以上的高溫區(qū)，汽缸上下溫差可達(dá)473～573 K，排氣遇熱幅射和熱擴(kuò)張壓力，進(jìn)排氣質(zhì)量和溫度差異大。在這樣的高溫區(qū)下，材料會(huì)發(fā)生微變形和燒傷，振動(dòng)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(jī)的水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻 (也有風(fēng)冷或增加風(fēng)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(yīng)。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(jī)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(dòng)。而原水層又有局部消音夾層作用。專用的乙二醇經(jīng)適當(dāng)添加改良后，沸點(diǎn)高，冰點(diǎn)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(shí)，通過熱沖擊極限試驗(yàn)，來確定冷卻方案的優(yōu)化。

3 結(jié)論

(1)在排除汽車空壓機(jī)安裝振動(dòng)的情形下，從微振動(dòng)的角度，研究了汽車空壓機(jī)在振動(dòng)、平衡、壓力比和指標(biāo)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(jì)指標(biāo)意義重大。

(2)各類型產(chǎn)品的振動(dòng)源和微觀現(xiàn)象千差萬別。實(shí)踐中，可借助頻譜儀、測振儀、平衡機(jī)等檢測手段，借助ANSYS有限元分析軟件，借助國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過實(shí)際試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以期提升汽車空壓機(jī)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(shí)的影響進(jìn)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(dòng)的狀況。定程板、閥門、閥片不是簡單的平面接觸。高速運(yùn)動(dòng)的閥片其四周與中間并非同一平面，運(yùn)動(dòng)過程中有多種平面狀態(tài)。與閥門接觸時(shí)，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(jī)技術(shù)條件［S］.天津:中國汽車技術(shù)研究中心標(biāo)準(zhǔn)化研究所，1992.

【2】中國工業(yè)機(jī)械聯(lián)合會(huì).GB/T 13279-2002一般用固定的往復(fù)活塞空氣壓縮機(jī)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

【3】中國工業(yè)機(jī)械聯(lián)合會(huì).GB/T 13928-2002微型往復(fù)活塞空氣壓縮［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

【4】全國機(jī)械振動(dòng)與沖擊標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 6444-1995機(jī)械振動(dòng) 平衡術(shù)語［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

【5】蔡學(xué)煕，紀(jì)盛清.機(jī)械振動(dòng)控制及利用［M］∥成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊:第17篇.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:5－9;25;31－32;35;50;121－128.

【6】德國標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì).DIN ISO10816-3振動(dòng)監(jiān)測的評估標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

【7】聶清風(fēng).汽車空壓機(jī)氣閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律及容積效率的研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2003.