萬(wàn) 騰，王 剛，王文靜，袁洪印，周記國(guó)

（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(zhǎng)春 130000）

1 引言

隨著我國(guó)人民生活水平的不斷提升，汽車(chē)已成為交通出行必不可少的交通工具，據(jù)統(tǒng)計(jì)截至2018年底我國(guó)汽車(chē)保有量總計(jì)達(dá)到2.4億輛，且生活用車(chē)的數(shù)量還在不斷增長(zhǎng)，汽車(chē)工業(yè)已逐漸成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)代化的汽車(chē)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(chē)載空調(diào)系統(tǒng)作為行車(chē)的必備系統(tǒng)，通過(guò)壓縮機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)的制冷功能要求。空調(diào)壓縮機(jī)作為機(jī)械產(chǎn)品使用中會(huì)因傳動(dòng)、環(huán)境、氣液流動(dòng)等多種因素引起振動(dòng)問(wèn)題，在一定程度影響汽車(chē)的駕駛質(zhì)感。從現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)汽車(chē)技術(shù)來(lái)看，空調(diào)壓縮機(jī)振動(dòng)問(wèn)題較為普遍，汽車(chē)企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的研究和優(yōu)化，保證汽車(chē)整體技術(shù)的提升。

2 汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)相關(guān)技術(shù)

2.1 壓縮機(jī)種類(lèi)

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

2.2 汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)技術(shù)對(duì)比

2.2.1 軸向活塞壓縮機(jī)

以斜盤(pán)式壓縮機(jī)為代表，氣缸橫置進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，是現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)，具有可靠性好、技術(shù)成熟和易于安裝的特點(diǎn)。整機(jī)質(zhì)量較輕，優(yōu)質(zhì)的斜盤(pán)式壓縮機(jī)工作平穩(wěn)，噪聲振動(dòng)較少。但是由于汽缸數(shù)量多，啟動(dòng)過(guò)程沖擊載荷較大，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，裝配過(guò)程調(diào)整繁瑣，裝配不良的壓縮機(jī)故障多，振動(dòng)和噪音比較明顯。

2.2.2 渦旋式壓縮機(jī)

渦旋式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，整機(jī)體積較小，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容積率高達(dá)90%，低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容積率也能達(dá)到80%，適合應(yīng)用于高速場(chǎng)合，同時(shí)運(yùn)行十分平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)沖擊較小，運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲也比較少。但整機(jī)對(duì)于密封性和零件加工精度的要求較高，設(shè)計(jì)過(guò)程難度較大。

2.2.3 旋轉(zhuǎn)葉片式壓縮機(jī)

旋轉(zhuǎn)葉片式壓縮機(jī)具有相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，整機(jī)體積小質(zhì)量輕，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)較少，能應(yīng)用于高速場(chǎng)合使用。但由于對(duì)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(yùn)行常出現(xiàn)葉片不能充分伸展的問(wèn)題，影響正常使用，現(xiàn)階段推廣應(yīng)用相對(duì)較少。

圖1 空調(diào)壓縮機(jī)的工作流程

2.3 軸向活塞壓縮機(jī)原理

本文以比較常用的軸向活塞壓縮機(jī)為例，通過(guò)試驗(yàn)說(shuō)明壓縮機(jī)的振動(dòng)特征和產(chǎn)生的因素。

軸向活塞壓縮機(jī)主要包括電磁離合器、皮帶輪、主軸、斜盤(pán)、活塞、擋板和閥片等關(guān)鍵部件。在壓縮機(jī)使用過(guò)程中，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞給皮帶輪，帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)斜盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于斜盤(pán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和不對(duì)稱(chēng)性，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程會(huì)帶動(dòng)活塞一同運(yùn)動(dòng)，活塞會(huì)隨著斜盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)往復(fù)伸縮。斜盤(pán)每旋轉(zhuǎn)一周，每個(gè)活塞的上下兩端氣缸完成一次進(jìn)氣、壓縮、排氣、膨脹的工作過(guò)程，而在如此往復(fù)的過(guò)程中，完成汽車(chē)空調(diào)制冷所需的制冷劑生成與輸送功能。

3 壓縮機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的原因分析

汽車(chē)的空調(diào)壓縮機(jī)是汽車(chē)振動(dòng)的來(lái)源之一，直接影響到汽車(chē)的駕駛和乘坐感受，尤其在汽車(chē)怠速狀態(tài)下，感受更為明顯，因此研究振動(dòng)問(wèn)題的引發(fā)原因是十分必要的。根據(jù)壓縮機(jī)使用的實(shí)際情況分析，引發(fā)振動(dòng)的主要因素大體分為機(jī)械、空氣動(dòng)力、電磁3個(gè)方面，具體細(xì)分因素如表1所示。

圖2 軸向活塞壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

由表1可知，傳統(tǒng)的軸向活塞壓縮機(jī)，能夠引發(fā)其產(chǎn)生異常振動(dòng)的因素是多種多樣的，總體來(lái)說(shuō)振動(dòng)的最大來(lái)源仍是機(jī)械傳動(dòng)，同時(shí)空氣動(dòng)力振動(dòng)也占據(jù)了較大比例，電磁效應(yīng)產(chǎn)生的振動(dòng)相對(duì)較少。從振動(dòng)強(qiáng)度來(lái)看機(jī)械產(chǎn)生和氣流產(chǎn)生的振動(dòng)更為強(qiáng)烈，更容易聯(lián)動(dòng)壓縮機(jī)殼體產(chǎn)生共振，對(duì)汽車(chē)整體的振動(dòng)情況影響最大。因此在研究中也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)機(jī)械和氣流振動(dòng)的研究力度，保證壓縮機(jī)使用性能的顯著優(yōu)化。

4 振動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)分析

4.1 工作過(guò)程振動(dòng)特征試驗(yàn)

軸向活塞壓縮機(jī)的工作振動(dòng)特征試驗(yàn)意在測(cè)試壓縮機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各個(gè)工作階段的振動(dòng)特點(diǎn)，根據(jù)工作過(guò)程的不同可將壓縮機(jī)的工作大體分為膨脹、吸氣、壓縮、排氣幾個(gè)過(guò)程。試驗(yàn)通過(guò)在壓縮機(jī)上安裝傳感器獲取相關(guān)振動(dòng)數(shù)據(jù)，傳感器布置情況如圖3所示。

通過(guò)壓縮機(jī)的往復(fù)工作，傳感器能夠?qū)崟r(shí)獲取振動(dòng)數(shù)據(jù)，并傳遞給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過(guò)試驗(yàn)獲取傳感器在平穩(wěn)工作狀態(tài)下的振動(dòng)規(guī)律如圖4所示。

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

4.2 閥體振動(dòng)特征試驗(yàn)分析

由于閥體是機(jī)械運(yùn)動(dòng)和氣流變換的集中位置，上文中數(shù)據(jù)證實(shí)閥體開(kāi)閉過(guò)程中會(huì)引發(fā)較為強(qiáng)烈的振動(dòng)問(wèn)題，因?yàn)椴煌ぷ鬟^(guò)程閥體工作產(chǎn)生的振動(dòng)特點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間均不相同，對(duì)整機(jī)造成的振動(dòng)影響也不相同，因此，通過(guò)對(duì)軸向活塞壓縮機(jī)閥體上振動(dòng)幅值、頻率信號(hào)隨時(shí)間的變換進(jìn)行試驗(yàn)，有利于分析壓縮機(jī)的振動(dòng)特點(diǎn)和振動(dòng)頻率范圍，為減輕振動(dòng)對(duì)整車(chē)的影響提供數(shù)據(jù)支持，試驗(yàn)獲得的閥體的振動(dòng)頻率及振幅如圖5所示。

表1 壓縮機(jī)振動(dòng)因素分析

圖4為軸向活塞壓縮機(jī)閥體在穩(wěn)定運(yùn)行單個(gè)周期內(nèi)的振動(dòng)情況數(shù)據(jù)，試驗(yàn)選用加速度傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理。其中加速度傳感器的采樣頻率為20000 Hz，壓縮機(jī)的單個(gè)周期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間接近0.28 s。

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

要計(jì)算某個(gè)振動(dòng)頻帶的能量大小可通過(guò)下式得出

式中 S（fk）——第k點(diǎn)的幅值

圖3 間隙振動(dòng)試驗(yàn)傳感器布置情況

圖4 壓縮機(jī)工作階段振動(dòng)頻率圖

n——點(diǎn)數(shù)

l、m——起始和終止點(diǎn)數(shù)

通過(guò)上式可知，振動(dòng)強(qiáng)度的大小收到振動(dòng)幅值和頻率的共同影響，且成正比關(guān)系，因此說(shuō)明在進(jìn)排氣階段所產(chǎn)生的震動(dòng)強(qiáng)度更大，對(duì)整車(chē)可能造成的振動(dòng)影響更強(qiáng)。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)單一壓縮機(jī)試驗(yàn)獲得，僅能說(shuō)明振動(dòng)產(chǎn)生的特征性，具體參數(shù)因個(gè)體差異和壓縮機(jī)技術(shù)差異會(huì)存在不同，僅供參考使用。

4.3 主要部件傳動(dòng)間隙的影響實(shí)驗(yàn)

軸向活塞壓縮機(jī)的主要傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為斜盤(pán)與活塞的往復(fù)傳動(dòng)，斜盤(pán)與活塞的連接間隙則會(huì)成為傳動(dòng)過(guò)程中的主要振動(dòng)源，本實(shí)驗(yàn)針對(duì)不同的配合間隙而進(jìn)行，分別選取了10 μm、20 μm、30 μm的不同情況進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程除傳動(dòng)間隙不一致，其他條件保持一致進(jìn)行，試驗(yàn)在空轉(zhuǎn)和穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下分別進(jìn)行，通過(guò)加速度傳感器獲取振動(dòng)數(shù)據(jù)，如圖6所示。

本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中斜盤(pán)為空轉(zhuǎn)狀態(tài)，即壓縮機(jī)不真正進(jìn)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(lái)的噪聲問(wèn)題。將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)平穩(wěn)后，速度保持在3000 r/min，取完整的一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期測(cè)量不同間隙的振動(dòng)情況，獲得數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖5 閥體的振動(dòng)頻率及振幅試驗(yàn)

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

5 壓縮機(jī)振動(dòng)抑制方法

5.1 機(jī)械振動(dòng)抑制

機(jī)械振動(dòng)主要由裝配工藝、潤(rùn)滑條件、零件狀態(tài)等因素決定，因此，要減輕機(jī)械振動(dòng)帶來(lái)的影響，首先應(yīng)從生產(chǎn)廠家的加工和裝配工藝著手，對(duì)于汽車(chē)生產(chǎn)廠家而言，壓縮機(jī)的選購(gòu)是汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)振動(dòng)情況優(yōu)化的基礎(chǔ)保證，優(yōu)質(zhì)壓縮機(jī)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(shí)力不斷的對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，更有利于保證壓縮機(jī)機(jī)型性能和平穩(wěn)性，此外保持壓縮機(jī)良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，及時(shí)更換和補(bǔ)充潤(rùn)滑油、及時(shí)更換磨損零件，也有利于減少機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題的發(fā)生。

5.2 進(jìn)排氣閥振動(dòng)抑制

圖6 空轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)的裝配情況

從上述實(shí)驗(yàn)可知，進(jìn)、排氣過(guò)程閥片的振動(dòng)也是導(dǎo)致壓縮機(jī)振動(dòng)的重要因素，除進(jìn)、排氣過(guò)程不可避免的壓縮氣體沖擊外，進(jìn)排氣閥片的開(kāi)閉也會(huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)影響，壓縮機(jī)振動(dòng)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(kāi)閉技術(shù)?，F(xiàn)階段應(yīng)用于汽車(chē)壓縮機(jī)的常見(jiàn)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(shí)因厚度大導(dǎo)致工作過(guò)程容易產(chǎn)生沖擊，同時(shí)摩擦問(wèn)題較為嚴(yán)重，開(kāi)閉動(dòng)作相對(duì)緩慢，這都是產(chǎn)生震動(dòng)的不利因素?；善y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(dòng)問(wèn)題的發(fā)生。

5.3 振動(dòng)傳遞的抑制

除在壓縮機(jī)技術(shù)上抑制振動(dòng)問(wèn)題外，很多振動(dòng)的產(chǎn)生仍是不可避免的，在汽車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中還應(yīng)加強(qiáng)將壓縮機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題在轉(zhuǎn)配過(guò)程中進(jìn)行過(guò)濾，采用更合理的裝配模式減少振動(dòng)傳導(dǎo)到車(chē)身的情況，并進(jìn)一步降低振動(dòng)向駕駛室內(nèi)的傳遞，從而優(yōu)化汽車(chē)的駕駛和乘坐感受。

圖7 壓縮機(jī)工作階段振動(dòng)頻率圖

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)汽車(chē)壓縮機(jī)技術(shù)的研究和產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題的分析與試驗(yàn)，得到了壓縮機(jī)振動(dòng)問(wèn)題的主要原因和振動(dòng)問(wèn)題相關(guān)數(shù)據(jù)，除必須的進(jìn)、排氣過(guò)程和壓縮空氣沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)外，壓縮機(jī)振動(dòng)問(wèn)題可考慮從機(jī)械加工精度、裝配工藝、進(jìn)排氣閥片技術(shù)等很多方面進(jìn)行優(yōu)化，但相關(guān)試驗(yàn)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(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)分析為汽車(chē)壓縮機(jī)振動(dòng)抑制問(wèn)題提供解決問(wèn)題的思路。