汽车空调压缩机活塞圆柱度测量新方法

马风雷， 郑永涛

（长春工业大学 机电工程学院，吉林 长春 130012）

0 引 言

汽车空调压缩机的活塞是整个汽车空调压缩机系统的核心部件，活塞的形状精度直接影响活塞的耐磨性、气密性和配合性质，进而影响空调压缩机的工作效率和使用寿命等，为了提高压缩机的工作效率和使用寿命，对活塞的形状精度提出了更高的要求，其中圆柱度误差是衡量活塞形状精度的主要指标之一，它能够反映活塞实际形状与理想形状之间的误差，一般需要控制活塞的这个误差小于2μm［1－2］。

目前，国内各压缩机活塞专业生产厂家主要采用圆柱度仪和三坐标测量机以及塞规等手段进行测量。圆柱度仪和三坐标测量机测量精度高，能够实现自动测量，但需要在一定的环境下进行操作，一般都是在活塞加工完成后再送到质量检测部门进行检测，不能实现加工过程中的现场测量，这样会导致检测不合格的活塞产品返修时很费时，严重影响生产效率［3］。塞规是生产车间中最常用的测量方法，其效率高但测量精度受到限制，达不到小于2μm的要求。因此，亟需研究出一种高精度、高效率的活塞圆柱度误差检测方法。鉴于此，文中提出一种活塞的圆柱度误差测量新方法——电容形面传感法，该方法以电容传感技术为基础，通过采样面一次获得活塞整个表面的面形信息，从而实现活塞的圆柱度误差测量，有效解决了活塞圆柱度误差的高精度和高效率问题。文中依据多导体系统部分电容的性质以及圆柱度误差最小区域评定原则提出电容形面传感法的测量原理，通过三维实体多导体系统模型的部分电容数值分析对该测量原理进行验证，同时基于该原理研制了测量装置，并利用某公司生产的压缩机活塞对该方法进行可行性实验验证。

1 电容形面传感法的测量原理

1.1 测量原理的提出

由电容参数的求解过程可知，多导体系统的部分电容只和系统中所有导体的几何形状、尺寸、相互位置以及介质的介电常数相关，与导体所带电量无关［4－5］。

圆柱度误差最小区域评定方法是符合圆柱度误差定义的一种评定方法，由两同轴理想圆柱面包容实际圆柱面时，具有半径差为最小的两同轴圆柱面构成的区域，即为圆柱度的最小区域，两圆柱面的径向距离（宽度）即为半径差，为实际圆柱面的圆柱度误差值［6－7］。

对于由内圆柱体和外圆环体以及大地组成的多导体静电独立系统，根据多导体系统部分电容的性质和最小区域评定法，文中提出如下测量原理：

1）内圆柱体与外圆环体同轴时，两导体之间的部分电容最小。

2）内圆柱体与外圆环体之间的部分电容介于半径差为最小且包容实际内圆柱面的两同轴理想圆柱体与外圆环体之间部分电容的范围内。

1.2 电容数值分析

使用有限元软件对三维实体多导体系统的部分电容进行数值分析，模型的二维图如图1所示。

图1 分析模型

图中，模型1为理想内圆柱体与外圆环体以及大地组成的三导体系统；模型2为实际内圆柱体和外圆环体以及大地组成的三导体系统；模型3为理想内圆柱体和外圆环体以及大地组成的三导体系统。

模型分析参数见表1。

表1 模型分析参数

模型仿真结果见表2。

3种模型电容数值分析结果如图2所示。

图2 模型电容数值分析结果

由分析结果可知，当内圆柱体与外圆环体同轴时，两导体之间的部分电容最小；内圆柱体与外圆环体之间的部分电容介于半径差为最小且包容实际内圆柱面的两同轴理想圆柱体与外圆环体之间部分电容的范围内。从而验证了文中所提电容形面传感法测量原理的准确性。

根据上述测量原理，测量时，将被测圆柱零件作为一个内电极，它与另一固定圆环体电极构成一个电容器，调节内电极的位置使电容最小，从而保证内电极与外电极同轴。

对于有圆柱度要求零件的通规直径和止规直径与外电极构成的电容器的电容进行标定，如果测得的电容在标定的电容范围之内，就表明被测零件圆柱度误差在规定的误差范围之内，零件合格。否则，被测零件圆柱度误差超出了规定的误差范围，零件不合格。

2 测量装置的研制

根据电容传感法的测量机理，文中自主研制的活塞圆柱度误差测量装置［8］如图3所示。

图3 圆柱度测量误差测量装置

外电极和底座之间使用绝缘层进行绝缘，绝缘层使用粘胶剂固结在底座上，电路安装在底座和圆柱筒测量头的连接部分处。测量时，将活塞放入圆柱筒测量头中，活塞随着弹簧卡头下移，下移过程中弹簧开头不断加紧，随时纠正活塞的轴心位置，当活塞和弹簧卡头都因外力加紧定位后，保证了被测活塞与外电极和底座具有很高的同轴度，即活塞作为内电极与主电极就构成了圆柱形传感器，从而实现一次完成对活塞整个形面的测量。

3 可行性实验验证

某公司生产的空调压缩机的活塞，活塞的外径尺寸为φ35，对圆柱度要求是0.02mm，已知的通规直径为34.99mm，止规直径为35.01mm。

对通规面测量5次，测量结果见表3。

表3 通规面测量数据

考虑试件同轴度误差，选取最小电容数据作为同轴时的测量值，即通规面的电容值为12.470 5pF，理论值为12.459 8pF，误差为0.010 7pF。

对止规面测量5次，测量结果见表4。

表4 止规面测量数据

同样选取最小电容数据12.501 8pF为止规面的电容值，理论值为12.513 2pF，误差为0.011 4pF。

对活塞试件进行测量，测量结果见表5。

表5 活塞试件测量数据

从实验数据可以看出，活塞试件的测量数据值都在通规和止规测量数据值之间，即活塞试件的最小测量数据12.483 6∈［12.470 5，12.501 8］pF，活塞试件的圆柱度误差在允许的范围内，活塞试件合格，从而表明了电容形面传感法的可行性。

4 结 语

1）提出一种汽车空调压缩机活塞圆柱度误差测量的电容形面传感法，研究了该方法的测量原理，并运用ANSYS软件三维实体多导体系统模型的部分电容进行数值分析，结果验证了该测量原理的正确性。

2）结合电容形面传感法的测量原理自主研制了该方法的测量装置，利用某公司生产的空调压缩机活塞对电容形面传感法进行了可行性实验验证，实验结果表明了该方法的可行性。

3）所提出汽车空调压缩机活塞圆柱度误差电容形面传感测量法简单易行，测量精度高，能满足现在生产的需要，同时该方法也可应用于其它类型零件形状误差的测量。

［1］母德强，李晓迪，丁宁.一种曲轴轴径圆度误差测量系统［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2010，31（3）：300－304.

［2］郑鹏，张琳娜，陈明义.现行圆柱度测量方法分析及采样方案新策略［J］.机械强度，2011，33（1）：152－158.

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［8］马风雷，徐众飞.圆柱度误差测量方法所用的测量装置［P］.中国专利，202057295，2011－11－30.