趙強(qiáng) 李勝 徐善勇 劉大維

摘要：為解決傳統(tǒng)車用空調(diào)壓縮機(jī)動(dòng)力源單一的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款基于行星齒輪機(jī)構(gòu)的雙動(dòng)力源車用空調(diào)壓縮機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。詳述了雙動(dòng)力源車用空調(diào)壓縮機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，完成了雙動(dòng)力源車用空調(diào)壓縮機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，同時(shí)采用機(jī)械多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，對(duì)雙動(dòng)力源車用空調(diào)壓縮機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的工作性能進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，雙動(dòng)力源車用空調(diào)壓縮機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)作為空調(diào)壓縮機(jī)的動(dòng)力源可單獨(dú)帶動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)完成制冷工作;在發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂撇⑼ㄟ^(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)的耦合調(diào)速作用可使空調(diào)壓縮機(jī)能夠根據(jù)制冷需求調(diào)節(jié)制冷量。該系統(tǒng)的工作狀態(tài)與預(yù)期設(shè)想相吻合，達(dá)到了雙動(dòng)力源車用空調(diào)壓縮機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求與目的。該研究具有實(shí)際應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：雙動(dòng)力源; 渦旋式壓縮機(jī); 行星齒輪機(jī)構(gòu); ADAMS分析

汽車空調(diào)可以將車廂內(nèi)的溫度、濕度、空氣清潔度控制在最佳狀態(tài)，為駕駛員提供良好的駕駛條件，以確保安全行車，同時(shí)為乘客提供舒適的乘車環(huán)境，減少旅途疲勞[1]。空調(diào)壓縮機(jī)在整個(gè)制冷循環(huán)過(guò)程中起著壓縮和輸送制冷劑蒸汽的作用，是汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的心臟[2]。然而傳統(tǒng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)的動(dòng)力源為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，因此當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)，汽車空調(diào)壓縮機(jī)會(huì)因失去動(dòng)力而無(wú)法工作[3]。其次，若汽車駕駛員在駐車過(guò)程中對(duì)汽車空調(diào)有制冷要求，此時(shí)若以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的方式為汽車空調(diào)壓縮機(jī)提供動(dòng)力，汽車空調(diào)的制冷量很難滿足用戶需求，并且汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生一定的燃油消耗[4]。另外傳統(tǒng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，因此當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化時(shí)，汽車空調(diào)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨之變化，那么汽車空調(diào)的制冷量會(huì)變得很難控制，制冷效率也會(huì)下降[5-7]。為實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)汽車空調(diào)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，馮煒等人[8]提出一種基于雙離合器機(jī)構(gòu)的車載空調(diào)壓縮機(jī)雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置;弓劍等人[9-10]提出一種熱/電雙驅(qū)動(dòng)汽車壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)雙驅(qū)動(dòng)汽車壓縮機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)為實(shí)車應(yīng)用提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。上述兩種設(shè)計(jì)方案可在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)將汽車空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)模式由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)切換至電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而解決汽車空調(diào)壓縮機(jī)因發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)而停止工作的問(wèn)題，但兩者并未考慮汽車空調(diào)壓縮機(jī)如何在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中主動(dòng)調(diào)節(jié)制冷量的問(wèn)題?；诖耍疚奶岢隽艘环N雙動(dòng)力源車用空調(diào)壓縮機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，解決壓縮機(jī)因動(dòng)力源單一而導(dǎo)致在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)無(wú)法正常工作的問(wèn)題，并改善了工作過(guò)程中無(wú)法根據(jù)駕駛員的舒適性要求與汽車實(shí)時(shí)工況對(duì)制冷量進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)的問(wèn)題。該研究具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 雙動(dòng)力源車用空調(diào)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

雙動(dòng)力源車用空調(diào)壓縮機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)主要由壓縮機(jī)皮帶輪、單結(jié)合位置式電磁離合器、行星齒輪機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)、渦旋式壓縮機(jī)及控制單元等組成。其中，空調(diào)壓縮機(jī)皮帶輪通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)附件皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)附件皮帶輪相連，皮帶輪后端為電磁離合器的主動(dòng)盤(pán);電磁離合器的從動(dòng)盤(pán)與行星齒輪機(jī)構(gòu)的行星架相連;行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪與電動(dòng)機(jī)相連，電動(dòng)機(jī)為空心軸電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)空套在行星齒輪機(jī)構(gòu)行星架的輸入軸上實(shí)現(xiàn)同軸布置;行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒圈與壓縮機(jī)的輸入端相連。

由圖1可以看出，當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，汽車空調(diào)控制單元控制電磁離合器結(jié)合，同時(shí)控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng);行星齒輪機(jī)構(gòu)行星架經(jīng)電磁離合器、壓縮機(jī)皮帶輪、發(fā)動(dòng)機(jī)附件皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)附件皮帶輪連接，由于等效到行星架上發(fā)動(dòng)機(jī)的鎖止轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于使空調(diào)壓縮機(jī)工作時(shí)等效到行星架上的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此看作行星齒輪機(jī)構(gòu)行星架與發(fā)動(dòng)機(jī)均處于停機(jī)鎖止?fàn)顟B(tài);汽車空調(diào)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成比例，比例由行星齒輪機(jī)構(gòu)此時(shí)的傳動(dòng)比決定。因此，當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，汽車空調(diào)壓縮機(jī)僅由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，以保證汽車空調(diào)壓縮機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)可以正常工作。

由圖1還可以看出，當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，汽車空調(diào)控制單元控制電磁離合器結(jié)合，同時(shí)控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng);行星齒輪機(jī)構(gòu)行星架經(jīng)電磁離合器、皮帶輪、發(fā)動(dòng)機(jī)附件皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)附件皮帶輪連接，行星齒輪機(jī)構(gòu)行星架的轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，其值為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)附件皮帶輪與汽車空調(diào)壓縮機(jī)皮帶輪的直徑比;行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪與電動(dòng)機(jī)相連，二者轉(zhuǎn)速相同。汽車空調(diào)控制單元進(jìn)行汽車空調(diào)壓縮機(jī)目標(biāo)工作性能參數(shù)的計(jì)算，即根據(jù)駕駛員的舒適性要求（汽車空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的期望值）與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)工況（發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速），調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以獲取行星齒輪機(jī)構(gòu)齒圈（汽車空調(diào)壓縮機(jī)）的目標(biāo)工作轉(zhuǎn)速。因此，當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，汽車空調(diào)壓縮機(jī)由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，行星齒輪機(jī)構(gòu)通過(guò)耦合汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)兩者的轉(zhuǎn)速，輸出空調(diào)壓縮機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)汽車空調(diào)壓縮機(jī)制冷量的調(diào)節(jié)。

2 雙動(dòng)力源車用空調(diào)壓縮機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

2.1 渦旋式壓縮機(jī)工作性能參數(shù)

本設(shè)計(jì)所選用的壓縮機(jī)為渦旋式壓縮機(jī)，其體積和質(zhì)量相對(duì)較小，可使總體結(jié)構(gòu)更加緊湊[11-16]。依據(jù)在特定工況下（吸氣壓力0.28 MPa，排氣壓力1.6 MPa，過(guò)熱度5 ℃，過(guò)冷度10 ℃）對(duì)所選渦旋式壓縮機(jī)進(jìn)行測(cè)試所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到壓縮機(jī)的制冷量與功耗的性能曲線。同時(shí)，由公式T=9 550P/n可得壓縮機(jī)工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，可知該渦旋式壓縮機(jī)工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩約為4 N·m。渦旋式壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。渦旋式壓縮機(jī)制冷量與功耗曲線如圖2所示，渦旋式壓縮機(jī)工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線如圖3所示。

2.2 電磁離合器性能參數(shù)

本設(shè)計(jì)所選用的電磁離合器為單結(jié)合位置式離合器，用于通斷發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞，電磁離合器主要性能參數(shù)如表2所示。

2.3 行星齒輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

綜合考慮配備雙動(dòng)力源車用空調(diào)壓縮機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的某商用車型的安裝空間及行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，行星齒輪機(jī)構(gòu)各齒輪參數(shù)如表3所示。