MSC.adams在汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)中的應(yīng)用

引言

　　隨著人們生活水平的提高，對(duì)汽車(chē)舒適性的要求也越來(lái)越高。汽車(chē)空調(diào)的質(zhì)量影響到對(duì)整車(chē)的評(píng)價(jià)。由于汽車(chē)是直接暴露在太陽(yáng)或風(fēng)雪下，而且汽車(chē)行駛的速度變化無(wú)常，車(chē)內(nèi)的空間有限。這都加大了汽車(chē)空調(diào)的設(shè)計(jì)難度。一般來(lái)說(shuō)汽車(chē)空調(diào)由壓縮機(jī)，冷凝器，蒸發(fā)器，和膨脹閥組成。汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)是汽車(chē)空調(diào)的關(guān)鍵零部件，也是主要的運(yùn)動(dòng)部件。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以研究汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)力性能，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供幫助。

　　虛擬樣機(jī)技術(shù)是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)融合在一起，在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整體模型，并對(duì)該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

　　本文是采用MSC.ADAMS 軟件對(duì)一款汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力分析，從而了解其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并計(jì)算一些聯(lián)接副的受力情況。

　　1 汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)概述

　　汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)可分為往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式二大類(lèi)。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(pán)式和搖擺斜盤(pán)式。旋轉(zhuǎn)式又分刮片式，滾動(dòng)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(pán)式的汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)。

　　搖擺斜盤(pán)式的汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的工作原理是通過(guò)主軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)斜盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)只能進(jìn)行擺動(dòng)的行星盤(pán)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞在氣缸里對(duì)制冷劑進(jìn)行壓縮。（見(jiàn)圖1）

圖1 空調(diào)壓縮機(jī)核心部件裝配圖

　　2 搖擺斜盤(pán)式壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)幾何關(guān)系

　　搖擺斜盤(pán)式壓縮機(jī)通過(guò)主軸帶動(dòng)斜盤(pán)作圓周運(yùn)動(dòng)，行星盤(pán)由于導(dǎo)向桿的運(yùn)動(dòng)約束，將主軸的周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為斜盤(pán)表面質(zhì)點(diǎn)的軸向往復(fù)，并通過(guò)連桿帶動(dòng)活塞，構(gòu)成空間上類(lèi)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

　　本模型中，由于受到行星盤(pán)上導(dǎo)向桿的約束，活塞3 的連桿連接行星盤(pán)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(yùn)動(dòng)處于較為特殊的地位，幾何關(guān)系為平面運(yùn)動(dòng)。其余活塞1，5，活塞2，4 互為對(duì)等關(guān)系，且均屬空間運(yùn)動(dòng)學(xué)范疇。

　　3 活塞運(yùn)動(dòng)學(xué)公式推導(dǎo)

　　在研究壓縮機(jī)時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律十分重要。下面以活塞3 為例，對(duì)壓縮機(jī)的活塞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)進(jìn)行公式推導(dǎo)。

　　如圖2 所示，對(duì)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(jì)算結(jié)果，但方位角均應(yīng)由x 軸開(kāi)始，并以沿逆時(shí)針?lè)较蛴?jì)量為正。

圖2 活塞3 運(yùn)動(dòng)幾何關(guān)系

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

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

　　由于在封閉矢量多邊形中，各矢量之和為零：

　　4 通過(guò)MSC.ADAMS 對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)動(dòng)力分析

　　4．1 分析的基本步驟

　　汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的仿真過(guò)程如下：1. 運(yùn)用UG 的三維實(shí)體建模模塊對(duì)壓縮機(jī)核心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，主要包括主軸、斜盤(pán)、行星盤(pán)、連桿和活塞五大部件，并在UG 環(huán)境下進(jìn)行裝配。2. 將建好的實(shí)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(rèn)位置關(guān)系附加運(yùn)動(dòng)約束，實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)動(dòng)無(wú)干涉。3. 根據(jù)三種給定的不同工況，計(jì)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(dòng)軸上賦給指定轉(zhuǎn)速，輸出動(dòng)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(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)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(shí)體建模軟件UG-Ⅱ計(jì)算得到，如表1 所示。這對(duì)幾何形狀極不規(guī)則，采用計(jì)算方法很難得到準(zhǔn)確數(shù)值的物體，如斜盤(pán)等，將大大簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)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(duì)模型中的零件之間的運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行約束定義。下表為運(yùn)動(dòng)副的約束定義。

表2 空調(diào)壓縮核心部件運(yùn)動(dòng)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(yàn)要求，如表4.2.3-1 所示，仿真過(guò)程將在900rps、5500rps、7000rps 三種轉(zhuǎn)速及各自相對(duì)應(yīng)的吸氣壓強(qiáng)、排氣壓強(qiáng)下進(jìn)行測(cè)試。

表3 空調(diào)壓縮機(jī)試驗(yàn)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(guò)程的 P*VN=C 得出：

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

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