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详解汽车空调压缩机结构与工作原理(上)

  汽车空调压缩机(Auto Air Conditioning Compressors)是汽车空调制冷系统中的核心部件。随着时下人们对汽车舒适性的要求逐步的提升,各种新式空调系统不断出现,这也促使了空调压缩机制造技术的慢慢的提升。从目前空调压缩机的发展的新趋势来看,结构紧密相连、高效率节约能源以及微振、低噪等特点是空调压缩机制造技术不断追求的目标。

  (1)空调压缩机是汽车空调制冷系统的动力源,促使制冷剂在系统内循环流动。

  (3)提高制冷剂压力后,伴随着温度也提高(超过环境和温度),这样有助于向外界散热。

  根据工作原理的不同,空调压缩机可大致分为定排量压缩机(CC)和变排量压缩机(VD)两大类。在空调制冷系统降压节流装置中,通常以OT表示膨胀管,丁XV表示膨胀阀,这样就能形成四种不同的组合,即COOT, VDOT, CCTXV和VDTXV四种制冷循环。

  定排量压缩机的排气量是随着发动机转速的提高而成比例地提高,其不能根据制冷负荷的大小自动改变排气量,而且对发动机油耗的影响比较大。它的控制方式一般通过采集蒸发器表面或出风口的温度信号,当温度达到设定的温度,压缩机电磁离合器电路切断,压缩机停止工作。当温度上升后,电磁离合器电路接通,压缩机开始工作。定排量压缩机也受空调系统压力的控制,当系统管路内压力过低或过高以及发动机冷却液温度过高时,发动机ECU都会自动切断压缩机继电器控制信号(对压缩机起保护作用),使压缩机停止工作。

  变排量压缩机能够准确的通过设定的温度自动调节功率输出。空调控制管理系统不采集蒸发器表面或出风口的温度信号,而是根据空调管路内压力的变化信号控制压缩机的压缩比来自动调节出风口温度。在制冷的全过程中,压缩机始终是工作的,制冷强度的调节完全依赖装在压缩机内部的压力调节阀来控制。当空调管路内高压端的压力过高时,压力调节阀缩短压缩机内活塞行程以减小压缩比,这样就会降冷强度。当高压端压力下降到某些特定的程度,低压端压力上升到某些特定的程度时,压力调节阀则增大活塞行程以提高制冷强度。

  此外,根据工作方式的不同,空调压缩机通常能分为往复式和旋转式两大类,常见的往复活塞式压缩机有曲轴连杆式和轴向活塞式。轴向活塞式压缩机有摆盘式和斜盘式两种。常见的旋转式压缩机又可分为旋转叶片式(简称旋叶式)、转子式、螺杆式和涡旋式等。

  汽车空调压缩机的生产大多分布在在日本、美国以及德国等国的几大公司中,例如日本电装、松下、东芝、三菱重工以及美国德尔福等公司,其中以日系厂家产量最大,这一些企业在中国大多有合资或独资生产厂。另外,重庆建设车用空调器、空调机厂等企业也占有一定的压缩机市场份额。

  曲轴连杆式压缩机是一种早期应用比较广泛的制冷压缩机,现在大、中型客车中仍然在接着使用。此类压缩机的活塞在汽缸内不断地运动,改变了汽缸的容积,从而在制冷系统中起到了压缩和输送制冷剂的作用。压缩机的工作过程可分为压缩、排气、膨胀、吸气四个过程,如图1所示。

  当活塞处于最下端位置I-I(称为下止点)时,汽缸内充满了从蒸发器吸入的低压、低温制冷剂蒸气,吸气过程结束。活塞在曲柄连杆机构的带动下开始向上移动时,吸气阀关闭,汽缸的工作容积逐渐减小。密闭在汽缸内的蒸气的压力和温度因容积的减小而逐步升高。当活塞向上移动到位置II-II时,汽缸内的蒸气压力升高到略高于排气管路中的压力,排气阀门便自动打开,开始排气。制冷剂蒸气在汽缸内从进气时的低压、低温升高到排气时的高压、高温的过程称为压缩过程。

  活塞继续向上运动,汽缸内的蒸气压力不再升高,而是不断地经过排气阀向排气管路(压缩机高压侧管路或称为高压管路)输出,直到活塞运动到最高位置III-III(称为上止点)时排气过程结束。蒸气从汽缸向排气管路输出的过程称为排气过程。

  当活塞运动到上止点位置时,由于压缩机的结构及制造工艺等原因,活塞顶部与气阀座之间有一定的间隙。该间隙所形成的容积称为余隙容积。排气过程结束时,由于余隙的存在,在汽缸余隙容积内有少数的高压蒸气。当活塞开始向下移动时,排气阀关闭,但吸气管路(压缩机进气管路,也称为低压管路)内的低压蒸气不能立即进入汽缸,而是首先将残留在汽缸内的高压蒸气容积增大而膨胀,使其压力下降,直至汽缸内的压力下降到稍低于吸气管道中的压力时为止。活塞位置由III-III移动到IV-IV的过程称为膨胀过程。

  当活塞运动到IV-IV位置时,进气阀自动打开。活塞继续向下运动时,低压蒸气便不断

  地经蒸发器和压缩机吸气阀进入汽缸,直到活塞到达下止点I-I时的位置为止。这一过程称为吸气过程。

  当完成吸气过程后,活塞又从下止点向上止点运动,重新开始压缩过程,如此周而复始循环。压缩机经过压缩、排气、膨胀和吸气四个过程,将蒸发器内的低压蒸气吸入压缩使其压力升高后排入冷凝器,达到抽吸、压缩和输送制冷剂的作用。

  曲轴连杆式压缩机转速较高(可达2000r/min以上)重量相应地轻些,寿命一般较低。

  图2所示为日本丰田日型压缩机结构图。它采用滚子轴承,因而运动阻力小,箱体、连杆、活塞均为铝制,镶有汽缸套,整台压缩机的重量(不带电磁离合器)约为5.4kg,各部件靠飞溅润滑。图3所示为曲轴连杆式压缩机实物图。

  摆盘式压缩机的工作原理如图4所示。汽缸以压缩机的轴线为中心,均匀分布,连杆联接活塞1和摆盘,两端采用球形万向联轴器,使摆盘的摆动和活塞1的移动相协调而不发生干涉。摆盘中心用钢球3作支承中心,并用一对固定的锥齿轮限制摆盘只能摇动而不能转动。主轴5和楔形传动板6联接在一起。

  压缩机工作时,主轴5带动楔形传动板6一起旋转。由于楔形传动板6的转动,迫使摆盘以钢球3为中心,进行左右摇摆移动。摆盘和楔形传动板6之问的摩擦力,使摆盘具有转动的趋势,但是这种趋势被一对锥齿轮所限制,使得摆盘只能左右移动,并带动活塞在汽缸内作往复运动。

  该类压缩机与曲轴连杆式一样,均有吸气和排气阀片,工作循环也具有压缩、排气、膨胀、吸气四个过程。当活塞向右运动时,该汽缸处于膨胀、吸气两个过程,而摆盘另一端的活塞作反向的向左移动,使该汽缸处于压缩、排气两个过程。主轴每转动一周,一个汽缸便要完成上述的压缩、排气、膨胀、吸气的一个循环。一般一个摆盘配有五个活塞,这样相应的五个汽缸在主轴转动一周时,就有五次排气过程。

  如图5所示为SD-5摆盘式压缩机的剖视图。这种压缩机的特点是将摆盘17和楔形传动板12的滑动配合面改为滚子轴承,楔形传动板12与前缸盖11接触面亦改为滚子轴承,并将楔形传动板12掏空,大部分零件也改用铝合金材料。这样改进后压缩机结构更紧凑,重量更轻,寿命更加长,且价格低廉。

  SD-5型压缩机的主要构造为二主轴7和五个汽缸轴线上均匀分布着五个轴向汽缸,汽缸内的活塞20和摆盘17被连杆用球形万向联轴器联接,通过滚子轴承10和16,使楔形传动板,2与前缸盖和摆盘之间的滑动摩擦变为滚动摩擦,减少了摩擦阻力和零件的磨损,延长了零件寿命。轴承9是一对滑动轴承,它和钢球15一起支承主轴7和楔形传动板12的运动,钢球15还起摆盘的支点作用。

  吸气腔和楔形传动板腔有通气孔,使夹带冷冻机油的制冷剂蒸气先润滑所有的运动部件和油封后,再到汽缸中压缩。目前,摆盘式压缩机已得到普遍的应用,如许多汽车修理厂及品牌4S店售后服务部都采用上海三电贝洱公司的压缩机来替换原有的汽车空调压缩机。

  变容量摆盘式压缩机与普通摆盘式压缩机相比,变容量摆盘式压缩机最大的改进是在后端盖上装了一个波纹管控制器和导向器。波纹管放在吸气腔内,受蒸汽气压控制,通过波纹管的动作来控制排气腔和摆盘室、吸气腔和摆盘室之间的阀门通道。导向器根据摆盘室内压力的大小,自动调节摆盘倾斜角度的大小。摆盘倾角越大,活塞行程越长,排出的气体亦越多;反之,摆盘倾角越小,活塞行程越短,排气量亦越少。角度小时制冷量少,耗能亦少。

  当发动机转速变慢降低时,由蒸发器出来的蒸气气压升高,使波纹管压缩。当压力大于0.35MPa时,控制阀开启低压通道,关闭高压通道,这时摆盘室的蒸气进入低压腔,使摆盘

  室内气压变小。活塞压缩时,两端的压差变大,导向器自动调节,以增大摆盘倾角来平衡活

  塞上增大的力矩。这样活塞行程变长,排气量增多,蒸发器压力亦增高。最终,活塞两端的

  当发动机高转速时,吸气腔的压力降低。当下降至0.3MPa时,控制阀打开高压通道,关闭低压通道,高压蒸气进入摆盘室,使活塞压缩时两端的压差变小,导向器自动调节减小摆盘倾角。这样活塞行程缩短,排气量减小,耗能降低。

  由于变容量摆盘式可以在吸气压力0.30~0.35MPa之间连续无级调节其输气量,以此来实现了空调在不同工况下压缩机的制冷量和功耗的合理匹配,极大限度地改善了汽车空调的舒适性,并降低了能耗。

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