采用MSC.ADAMS 軟件對一款汽車(chē)空調壓縮機進(jìn)行運動(dòng)

引言

　　隨著(zhù)人們生活水平的提高，對汽車(chē)舒適性的要求也越來(lái)越高。汽車(chē)空調的質(zhì)量影響到對整車(chē)的評價(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)內的空間有限。這都加大了汽車(chē)空調的設計難度。一般來(lái)說(shuō)汽車(chē)空調由壓縮機，冷凝器，蒸發(fā)器，和膨脹閥組成。汽車(chē)空調壓縮機是汽車(chē)空調的關(guān)鍵零部件，也是主要的運動(dòng)部件。采用虛擬樣機技術(shù)可以研究汽車(chē)空調壓縮機的運動(dòng)規律和動(dòng)力性能，為設計和優(yōu)化提供幫助。

　　虛擬樣機技術(shù)是在產(chǎn)品的設計開(kāi)發(fā)中，將分散的零部件設計和分析技術(shù)融合在一起，在計算機上建造出產(chǎn)品的整體模型，并對該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析，預測產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)設計，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

　　本文是采用MSC.ADAMS 軟件對一款汽車(chē)空調壓縮機進(jìn)行運動(dòng)，動(dòng)力分析，從而了解其運動(dòng)規律，并計算一些聯(lián)接副的受力情況。

　　1 汽車(chē)空調壓縮機運動(dòng)機構概述

　　汽車(chē)空調壓縮機可分為往復式和旋轉式二大類(lèi)。往復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斜盤(pán)式和搖擺斜盤(pán)式。旋轉式又分刮片式，滾動(dòng)活塞式，三角轉子式，渦旋式，螺桿式。本文主要研究5 缸搖擺斜盤(pán)式的汽車(chē)空調壓縮機。

　　搖擺斜盤(pán)式的汽車(chē)空調壓縮機的工作原理是通過(guò)主軸的旋轉帶動(dòng)斜盤(pán)的轉動(dòng)，通過(guò)只能進(jìn)行擺動(dòng)的行星盤(pán)將旋轉運動(dòng)轉化為活塞的往復運動(dòng)，活塞在氣缸里對制冷劑進(jìn)行壓縮。(見(jiàn)圖1)

　　圖1 空調壓縮機核心部件裝配圖

　　2 搖擺斜盤(pán)式壓縮機運動(dòng)學(xué)幾何關(guān)系

　　搖擺斜盤(pán)式壓縮機通過(guò)主軸帶動(dòng)斜盤(pán)作圓周運動(dòng)，行星盤(pán)由于導向桿的運動(dòng)約束，將主軸的周轉運動(dòng)轉化為斜盤(pán)表面質(zhì)點(diǎn)的軸向往復，并通過(guò)連桿帶動(dòng)活塞，構成空間上類(lèi)曲柄滑塊機構。

　　本模型中，由于受到行星盤(pán)上導向桿的約束，活塞3 的連桿連接行星盤(pán)一端的球心始終位于軸線(xiàn)與導向桿軸線(xiàn)所確定的平面內，該活塞的運動(dòng)處于較為特殊的地位，幾何關(guān)系為平面運動(dòng)。其余活塞1，5，活塞2，4 互為對等關(guān)系，且均屬空間運動(dòng)學(xué)范疇。

　　3 活塞運動(dòng)學(xué)公式推導

　　在研究壓縮機時(shí)，活塞的運動(dòng)規律十分重要。下面以活塞3 為例，對壓縮機的活塞質(zhì)心運動(dòng)進(jìn)行公式推導。

　　如圖2 所示，對該幾何關(guān)系構建封閉矢量多邊形，l1、l2、l3、s4 均為相應的桿矢量，θ1、θ2、θ3、θ4 為桿件的方位角，各桿件矢量方向不影響計算結果，但方位角均應由x 軸開(kāi)始，并以沿逆時(shí)針?lè )较蛴嬃繛檎?/span>

　　圖2 活塞3 運動(dòng)幾何關(guān)系

　　由于主軸軸線(xiàn)(即斜盤(pán)軸線(xiàn))和行星盤(pán)軸線(xiàn)各自在工作結合面(粗虛線(xiàn))上的交點(diǎn)有一偏心距，其偏置的結果正好使得行星盤(pán)中心球狀腔的球心(O 點(diǎn))落在了主軸軸線(xiàn)(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(cháng)度，連桿兩球心之間距離為連桿長(cháng)度，活塞質(zhì)心運動(dòng)狀態(tài)等效B 點(diǎn)(球鉸鏈球心)運動(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 對壓縮機進(jìn)行運動(dòng)動(dòng)力分析

　　4.1 分析的基本步驟

　　汽車(chē)空調壓縮機的仿真過(guò)程如下：1. 運用UG 的三維實(shí)體建模模塊對壓縮機核心運動(dòng)機構進(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，導入ADAMS 中，添加材料屬性，并根據默認位置關(guān)系附加運動(dòng)約束，實(shí)現模擬運動(dòng)無(wú)干涉。3. 根據三種給定的不同工況，計算活塞端面的氣體壓力，將氣體力學(xué)方程導入，完成力學(xué)約束的添加。4. 根據工況，在驅動(dòng)軸上賦給指定轉速，輸出動(dòng)力學(xué)特性曲線(xiàn)，包括活塞質(zhì)心位移曲線(xiàn)、活塞質(zhì)心速度曲線(xiàn)、活塞質(zhì)心加速度曲線(xiàn)和活塞端面力曲線(xiàn)。并對獲取的數據進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

　　4.2 零部件的物理參數

　　其幾何參數和慣性參數采用三維CAD 實(shí)體建模軟件UG-Ⅱ計算得到，如表1 所示。這對幾何形狀極不規則，采用計算方法很難得到準確數值的物體，如斜盤(pán)等，將大大簡(jiǎn)化計算過(guò)程。

　　表1 空調壓縮核心部件力學(xué)參數

　　4.3 約束的選定

　　在A(yíng)DAMS 的VIEW 模塊對模型中的零件之間的運動(dòng)副進(jìn)行約束定義。下表為運動(dòng)副的約束定義。

　　表2 空調壓縮核心部件運動(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：

　　按試驗要求，如表4.2.3-1 所示，仿真過(guò)程將在900rps、5500rps、7000rps 三種轉速及各自相對應的吸氣壓強、排氣壓強下進(jìn)行測試。

　　表3 空調壓縮機試驗工況

　　4.4.2 活塞頂部壓力公式推導：

　　根據氣體方程：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=壓縮機平均行程

　　C=余隙

　　N=多變指數

　　d3=活塞下止點(diǎn)平均位置

　　.5H11G.cm_dis=活塞質(zhì)心點(diǎn)位置