汽車空調(diào)變排量壓縮機(jī)電動(dòng)控制閥的研制

1、汽車空調(diào)變排量壓縮機(jī)電動(dòng)控制閥的研制石偉林( 合肥江航飛機(jī)裝配有限公司航空普宸汽車零部件分公司，合肥 230035)摘要:電動(dòng)控制閥由波紋管控制件、殼體件、活門桿件、彈簧、密封件線圈等零部件組成，因?qū)刂崎y的核心關(guān) 鍵件波紋管組件研制生產(chǎn)的困難，目前國(guó)內(nèi)還沒有別的廠家自主研制成功。本公司根據(jù)多年的敏感元件生產(chǎn)經(jīng) 驗(yàn)，對(duì)控制閥進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化研制。經(jīng)過批產(chǎn)考驗(yàn)，其研制的產(chǎn)品性能滿足要求，形成了自主設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。關(guān)鍵詞:壓縮機(jī); 控制閥; 波紋管study on electric driven control valve of air conditioner compressor with capaci

2、ty adjustingfor automobilesshi weilin( aviation puchen automobile parts branch，avic hefei jianghang aircraft equipment co ltd，hefei 230035，china)abstract: electric driven control valve is consisted of bellows control part，shell，valve leader，spring，loop and sealing part it is not developed and fabric

3、ated successfully in china because the bellows as a core part of it can not be processed based on many year experience in producing sensitive elements，we successfully developed the control valve and could meet the perform- ance requirementskeywords: compressor，control valve，bellows引言系統(tǒng)壓縮機(jī)的兩大主流。壓縮機(jī)的排

4、量能隨汽車運(yùn)行狀況和外界環(huán)境條件而自行調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能、 降噪和實(shí)現(xiàn)車室環(huán)境最優(yōu)化控制的目的，是汽車 空調(diào)技術(shù)的一個(gè)重大進(jìn)步1。就壓縮機(jī)而言，由定排量向變排量發(fā)展是必 然趨勢(shì)。隨著能源的逐步緊缺，特別是在目前，汽 車的動(dòng)力仍然依賴于石油資源的情況下，節(jié)能環(huán) 保是每個(gè)車廠必須考慮的問題。因此，空調(diào)定排 量壓縮機(jī)將逐漸被變排量壓縮機(jī)所替代，并形成主 流。在這種情況下研究控制閥就顯得意義重大。在國(guó)外，從上世紀(jì)八十年代開始，一些大的汽 車制造商、配套商對(duì)氣動(dòng)控制閥開始進(jìn)行研制，至 今此類控制閥技術(shù)已經(jīng)成熟穩(wěn)定，且品種多樣，象 denso、sanden 公司就擁有成熟的變量閥技術(shù)。11940 1955 年

5、，美國(guó)在一些豪華轎車上安裝了采用 2 缸或 4 缸的往復(fù)式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車空 調(diào)系統(tǒng)，開創(chuàng)了汽車空調(diào)系統(tǒng)和汽車空調(diào)壓縮機(jī) 研究和生產(chǎn)的先河。1952 年通用( gm) 公司開始 采用的回轉(zhuǎn)型壓縮機(jī)，這種壓縮機(jī)采用了兩級(jí)皮 帶輪傳送比，以增加汽車在低速運(yùn)行時(shí)的制冷量， 從而成為變排量壓縮機(jī)發(fā)展的開端。1955 1962 年，通用( gm) 公司又研制了 5 缸搖板式壓縮機(jī)， 并于 1962 年成功研制了斜盤式壓縮機(jī)以替代搖 板式壓縮機(jī)。到 19 世紀(jì) 80 年代，隨著人們對(duì)壓 縮機(jī)的重量、噪音等要求的不斷提高，市場(chǎng)上開始 出現(xiàn)新型小而輕的搖式壓縮機(jī)，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊的6 缸、10 缸斜盤式壓縮機(jī)也開

6、始出現(xiàn)，并受到歡 迎。進(jìn)而，斜盤式壓縮機(jī)的運(yùn)行機(jī)理開始被應(yīng)用 在無級(jí)變排量壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和制造上。另外，回 轉(zhuǎn)型壓縮機(jī)以其容積效率高、運(yùn)行平穩(wěn)、磨損件 少、可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變排量等優(yōu)點(diǎn)，也越來越受到人們 的注意，與斜盤式壓縮機(jī)一起，成為當(dāng)前汽車空調(diào)在 2001 年 6 月 份，美 國(guó)delphi公 司 為 雷 諾( renault) 公司的新一代汽車 laguna 配備的電動(dòng)控制型變排量壓縮機(jī)在歐洲上市，主要消費(fèi)對(duì)象 是歐洲中上層開車族1。這是電動(dòng)控制閥首次 批量配備裝車，這標(biāo)志著電動(dòng)控制閥成功應(yīng)用于 市場(chǎng)，接下來是進(jìn)入進(jìn)一步推廣的階段。收稿日期: 2011 07 14作者簡(jiǎn)介: 石偉林( 1974

7、) ，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向: 敏感元件。制冷技術(shù)58refrigeration第 10 期在中國(guó)，對(duì)控制閥的研制起步較晚，針對(duì)這種情況，我公司決定對(duì)控制閥( 包括電動(dòng)控制閥) 進(jìn) 行研發(fā)，實(shí)現(xiàn)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并盡快實(shí)現(xiàn)工程 化、產(chǎn)業(yè)化。變排量壓縮機(jī)的應(yīng)用卻是較新的技術(shù)，尤其在國(guó)內(nèi)，應(yīng)是汽車空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展新技術(shù)的前沿。變排 量壓縮機(jī)的排量隨汽車室內(nèi)熱負(fù)荷變化進(jìn)行無級(jí) 自動(dòng)調(diào)節(jié)，保持車內(nèi)室溫處于設(shè)置的最佳狀態(tài)。 無離合器循環(huán)所帶來的喘振現(xiàn)象，因而運(yùn)行平穩(wěn)， 因根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)制冷劑的有效需求量能隨時(shí)調(diào) 節(jié)壓縮機(jī)排量，避免了壓縮機(jī)離合器的頻繁離合， 同時(shí)帶來了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷降低、噪音減少、

8、振動(dòng)下 降、壽命延長(zhǎng)、舒適性好的效果。氣動(dòng)控制閥的工作原理如圖 1。產(chǎn)品工作原理與技術(shù)要求2汽車空調(diào)系統(tǒng)仍然是一個(gè)傳統(tǒng)的應(yīng)用最廣泛且成熟的系統(tǒng)，并沒有新的應(yīng)用技術(shù)在里面，壓縮 機(jī)為空調(diào)系統(tǒng)的核心控制部分，但對(duì)壓縮機(jī)而言，圖 1 變排量壓縮機(jī)工作原理示意圖fig 1 schematic of work principle of the capacity adjustable compressor當(dāng)空調(diào)負(fù)荷增大，則壓縮機(jī)吸氣壓力相應(yīng)地升高，與之相連通的控制閥閥波紋管組件腔的壓 力也相應(yīng)地升高，使波紋管組件收縮，控制閥中的 錐閥開啟度增大，球閥關(guān)小，進(jìn)入搖板腔的高壓氣 體流量減小，機(jī)體內(nèi)的壓力降低，

9、搖板腔與吸氣腔 體的壓力差減小，致使擺盤傾角增大、活塞位移加 長(zhǎng)，壓縮機(jī)排量增大; 反之，當(dāng)空調(diào)負(fù)荷減小，則壓 縮機(jī)吸氣壓力相應(yīng)地降低，與之相連通的控制閥 波紋管組件腔的壓力也相應(yīng)地降低，使波紋管組 件伸長(zhǎng)，調(diào)節(jié)閥中的錐閥開度減小，球閥開度增大，進(jìn)入搖板腔的高壓氣體流量增加，機(jī)體內(nèi)的壓力升高，搖板腔與吸氣腔體的壓力差增大，致使擺 盤傾角減小、活塞位移變短，壓縮機(jī)排量減小。這 樣，通過控制閥的功能作用，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制壓縮機(jī) 的排量，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)制冷劑的流量，實(shí) 現(xiàn)無級(jí)自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷量的目的。而定排量壓縮機(jī) 須要靠離合器與壓縮機(jī)頻繁地發(fā)生吸合與分離作 用，頻繁間歇式地啟動(dòng)、關(guān)閉壓縮機(jī)來調(diào)控制冷

10、劑 循環(huán)流動(dòng)2。圖 2 電動(dòng)控制閥結(jié)構(gòu)圖fig 2 structure of electric driven control valve如圖 2，電動(dòng)控制閥是在氣動(dòng)控制閥的基礎(chǔ)上加上電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使控制閥的運(yùn)動(dòng)不再單純制冷技術(shù)refrigeration59第 10 期依靠壓縮機(jī)各腔的氣體力來驅(qū)動(dòng)，通過改變加在電磁線圈上的電流大小來改變鐵芯推桿的推力及 作用在推桿上的彈簧力，從而改變控制閥相當(dāng)于 氣動(dòng)閥球閥的開度，以滿足不同制冷劑流量的要 求。與氣動(dòng)閥相比，電控閥響應(yīng)速度快、精度高， 不僅可以設(shè)計(jì)出自動(dòng)化程度較高的空調(diào)制冷系 統(tǒng)，還可以與汽車其他控制系統(tǒng)融合在一起，提高 轎車整體的自動(dòng)化程度。分

11、析控制閥使用要求與工作原理，我們總結(jié) 出其滿足的技術(shù)指標(biāo)要求如下:( 1) 產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)、尺寸應(yīng)符合壓縮機(jī)裝配 要求。( 2) 各零件的材料、化學(xué)成分、機(jī)械性能等必 須滿足其性能要求和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。( 3) 性能檢測(cè): ( a ) 波紋管腔加某一初始?jí)?力，球閥腔維持 pd ( mpa) 壓力時(shí)，高壓出口流量 應(yīng)為 2 58 2 75m3 / h，( 線圈電流為 i ( a) ) ; ( b) 在球閥高壓腔施壓 pd ( mpa) ，高壓出口流量控制們研制中要注意并關(guān)注的幾個(gè)控制點(diǎn)分析如下:( 1) 控制閥的各性能測(cè)試技術(shù)指標(biāo)要求，主 要靠其核心關(guān)鍵件波紋管組件來實(shí)現(xiàn)，我們必須 設(shè)計(jì)并加工出合

12、適的波紋管組件，以保證成品的 各技術(shù)性能指標(biāo)，并保證我們擁有完全自主知識(shí) 產(chǎn)權(quán)。( 2) 為保證控制閥與壓縮機(jī)的裝配關(guān)系，應(yīng) 控制閥所有閥體的外形尺寸，包括公差影響，設(shè)計(jì) 圖樣，確定尺寸公差時(shí)既要保證裝配的目標(biāo)要求， 又兼顧我們的機(jī)械加工生產(chǎn)實(shí)際。( 3) 控制閥中間閥體的內(nèi)孔與活門桿外徑尺 寸，必須嚴(yán)格控制兩者之間的間隙大小，形位公差 與表面粗糙度要求3。( 4) 電磁線圈線徑及長(zhǎng)度的選擇可參考有關(guān) 設(shè)計(jì)與測(cè)繪，通過規(guī)范繞制，以保證滿足產(chǎn)品使用 要求，不是研制的難點(diǎn)。( 5) 根據(jù)我們自主設(shè)計(jì)研制的波紋管組件的 結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)好各控制閥閥體的內(nèi)腔尺寸，保證 波紋管組件在閥體中能自由伸縮及裝配

13、定位。以上第( 2) ( 5 ) 控制點(diǎn)基本與機(jī)械加工等 有關(guān)，各尺寸與公差范圍的要求，在設(shè)計(jì)確定產(chǎn)品 圖樣時(shí)綜合協(xié)調(diào)考慮，既要保證符合控制閥組裝 調(diào)試的需要，滿足控制閥技術(shù)規(guī)范要求，又能適合 我們國(guó)產(chǎn)化大批量生產(chǎn)加工要求即可，在此不多 加論述，第( 1 ) 分析點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵件波紋管組件的研為 0 85m3 / h 時(shí)，波紋管腔壓力應(yīng)控制為 p( mpa) ，( 線圈電流為 i ( a) ) 。( 4) 球閥密封性測(cè)定球閥高壓腔施壓 pd ( mpa) ，波紋管腔壓力調(diào) 整為 ps1 ( mpa) 時(shí)，球閥應(yīng)關(guān)閉，其球閥關(guān)閉的密 封性應(yīng)控制在 5 分鐘內(nèi)，波紋管腔壓力升高不超 過 ps ( mpa

14、) ，( 線圈電流為 i ( a) ) 。( 5) 熱穩(wěn)定性控制閥經(jīng)某一低溫、某一高溫下各停放一定 時(shí)間后，其性能滿足( 3) 、( 4) 條款的規(guī)定。( 6) 耐壓性試驗(yàn)控制閥應(yīng)能在 p ( mpa) 壓力下停留 2 小時(shí)，試驗(yàn)后其性能滿足( 3) 、( 4) 條款的規(guī)定。( 7) 壽命試驗(yàn)s4制是我們研制的重點(diǎn)。4 波紋管組件的研制4 1波紋管組件的設(shè)計(jì)在波紋管設(shè)計(jì)中，作者開拓創(chuàng)新地闡述了一種設(shè)計(jì)思路與程序，并擬定其工作原理的數(shù)學(xué)表達(dá)，有關(guān)內(nèi)容參見航宇救生雜志 2006 第 1 期真 空波紋管設(shè)計(jì)與制造5。依據(jù)閥體技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)波紋管組件時(shí) 對(duì)波紋管零件的調(diào)試特性性能要求我們擬先設(shè)計(jì)

15、推算波紋管受力關(guān)聯(lián)式如下:虛擬產(chǎn)品現(xiàn)已調(diào)試好，低壓端中的波紋管組 件力 f1 ( 相關(guān)參數(shù): 被壓縮長(zhǎng)度為 l1 ，鋼度為 k) ; 受通過鋼球、活門桿作用的錐簧力及電磁力 f2 ; 受高壓端 pd ( mpa) 氣壓推力約 f3 ; 則鋼球上的合 力 f 約為:控 制 閥 應(yīng) 能 經(jīng) 受p1 ( kpa )交 變 壓 力 下200000 次循環(huán)，控制閥在試驗(yàn)前后的變化量不應(yīng)超過 7kpa 壓力。( 8) 線圈電流為 i2 ( a) 時(shí)，在球閥高壓腔施壓pd ( mpa) ，高壓出口流量應(yīng)為 0。( 9) 線圈絕緣電阻不小于 30m，通 以 ac500v 電壓 1 分鐘，無擊穿現(xiàn)象。研制分析3

16、根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)要求也可看出，我制冷技術(shù)60refrigeration第 10 期經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化、驗(yàn)算后確定的有關(guān)參數(shù)情況介紹如下:波紋管的有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù): 內(nèi)徑 d ( mm) ; 外徑 d ( mm ) ; 有 效 波 紋 數(shù) n 個(gè); 毛 坯 壁 厚 t ( mm) ; 波距約 h ( mm) ; 波峰寬度約 h1 ( mm) ; 總 長(zhǎng) l( mm) 。依照波紋管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，列舉有關(guān)特性f = f1 f2 f3 ?？刂崎y裝配時(shí)高壓斷輸入 pd ( mpa) 氣體壓 力，低壓端輸入壓力 ps ( mpa) 根據(jù)用戶選擇的壓 力要求進(jìn)行控制調(diào)試，閥體低壓腔中的波紋管組 件受輸入低

17、壓作用，當(dāng)壓力到達(dá)控制范圍內(nèi)時(shí)啟 動(dòng)并產(chǎn)生位移，分析此技術(shù)要求應(yīng)包含:特性控制點(diǎn) 1: 控制裝配時(shí)波紋管組件的壓 縮量，控制波組件的可壓縮空間，可根據(jù)波紋管調(diào) 壓范圍要求及受總力、波紋管有效面積、剛度等來 計(jì)算) ，根據(jù)球閥的特點(diǎn)，此位移為 x( mm) 。特性控制點(diǎn) 2: 在用戶選定壓力范圍內(nèi)的壓 差對(duì)波紋管組件的作用力使波組件產(chǎn)生的位移一 般不超過 x1 ( mm) ，否則球閥將可能完全關(guān)閉，此 項(xiàng)要求控制好波紋管組件在一定的波紋管結(jié)構(gòu)尺 寸下對(duì)應(yīng)剛度的大小。因此，依據(jù)波紋管受到的總力大小，依據(jù)上述 兩控制點(diǎn)要求，設(shè)計(jì)合適的波紋管結(jié)構(gòu)尺寸，確定 好波紋管控制參數(shù)，組配成波紋管組件后，對(duì)產(chǎn)品

18、 特性進(jìn)行試驗(yàn)，檢驗(yàn)是否符合設(shè)計(jì)要求。波紋管及組件設(shè)計(jì)圖樣如圖 3、圖 4。參數(shù): 有效面積 a( mm2 ) ; 控制的剛度范圍 k ( n /1mm) ; 有效位移空間約 s1 ( mm) ; 耐 px ( mpa) 。依據(jù)閥的性能要求，波紋管的特性參數(shù)，設(shè)計(jì)出波紋管組件的特性控制參數(shù)為:( 1) 組件剛度為 k( n / mm) ，其中的彈簧剛度k2 則應(yīng)為 k2 = k k1 ( n / mm) 。( 2) 可壓縮位移空間 s( mm) 。說明: 波紋管零件的有效位移空間應(yīng)大于組 件的可壓縮位移空間，因?yàn)椴y管零件組合成組 件，抽真空后，波紋管會(huì)收縮，其位移為: 6s2 = pa 10

19、 / k( mm)其中: p: 壓力( pa) ; a: 有效面積( mm2 ) ; k:剛度( n / mm) 。4 2 波紋管組件的生產(chǎn)加工與檢驗(yàn)波紋管的生產(chǎn)加工過程、其他裝配零件的加 工過程、波組件的裝配過程等在此均不作詳 述6。圖 3 波紋管組件結(jié)構(gòu)圖樣fig 3 structure of bellows assembly波紋管結(jié)構(gòu)尺寸及技術(shù)要求( 略) 如下。圖 5 波紋管線性曲線圖fig 5 linear chart of bellows capacity按批產(chǎn)定檢的方式，對(duì)照閥的技術(shù)要求，我們 對(duì)研制的波紋管組件隨機(jī)抽取了 20 件試驗(yàn)產(chǎn)品， 全部進(jìn)行初始性能檢測(cè)后，再?gòu)闹蟹謩e抽

20、取 4 件 產(chǎn)品進(jìn)行交變溫試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)、抗振性試驗(yàn)、抗 濕試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)，之后再進(jìn)行性能檢測(cè)，其結(jié)果 均符合我們?cè)O(shè)計(jì)規(guī)定要求。通過檢測(cè)波紋管的線性，產(chǎn)品非線性度不超 2% ( 一般控制在 4% 以內(nèi)) ，試驗(yàn)線性曲線如 圖 5。圖 4 波紋管零件圖樣fig 4 pattern of bellows part按照波紋管零件圖樣及總體組件圖樣及技術(shù) 要求，很容易可確定其他上下蓋、彈簧、頂針等的 圖紙尺寸及相關(guān)要求，在此不做介紹。制冷技術(shù)refrigeration61第 10 期任務(wù)是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行裝配調(diào)試。通過設(shè)計(jì)研制裝配調(diào)試的非標(biāo)設(shè)備及有關(guān)工裝，按如下氣路圖和裝 配調(diào)試步驟我們完成了調(diào)節(jié)閥的裝配調(diào)試及檢 測(cè)，檢測(cè)結(jié)果滿足產(chǎn)品研制技術(shù)要求，滿足了設(shè)計(jì) 要求。氣路圖:電動(dòng)控制閥