汽车空调涡旋压缩机的阶梯型齿形结构分析

杜涛，孟晓磊，李晨凯，唐景春

（1-安徽东风机电科技股份有限公司，安徽合肥 230601；2-合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009）

汽车空调涡旋压缩机的阶梯型齿形结构分析

杜涛*1，孟晓磊2，李晨凯2，唐景春2

（1-安徽东风机电科技股份有限公司，安徽合肥 230601；2-合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009）

为了减少在不均匀气体温度场及压力场耦合作用下汽车空调涡旋压缩机涡旋盘断齿故障的发生，本文采用不对称圆弧加直线的齿形修正方法，建立了阶梯型涡旋盘三维几何模型。基于ANSYS有限元分析软件，对比分析了几何排量86 ml的阶梯型与常规型涡旋盘结构应力分布的情况。仿真及性能实验结果表明，在气体温度及压力载荷共同作用下，阶梯型涡旋盘的应力集中区域出现在涡旋齿起始端上部，阶梯型结构设计不仅可以降低断齿故障的发生概率，还可以提高涡旋压缩机的等熵效率。

汽车空调；涡旋压缩机；齿形修正；阶梯型结构；热应力仿真

0 引言

涡旋压缩机因具有高效率、高可靠性、低噪音和低成本等优点被广泛应用于汽车空调系统。黄蕾等[1]基于有限元方法对汽车空调涡旋压缩机动涡盘在气体力、温度场、惯性力耦合作用下的应力和应变进行分析，指出温度对其影响更大。李超等[2]、王君等[3]和刘涛等[4]分别采用热-固耦合与流-固耦合方法，在多种载荷耦合作用下，进一步指出温度场引起的涡旋齿轴向变形较大，惯性力使涡旋齿尾部的变形增加，最大变形发生在涡旋齿头部，最大应力发生在涡旋齿头的底部和驱动轴承座孔的内表面。肖庭庭等[5]指出压缩机吸（排）气口余隙容积的优化，有助于提升压缩机的性能。杨广衍等[6]对涡旋真空泵动、静涡旋盘的温度场及其产生的热变形和应力场进行分析，但未考虑惯性力的影响。李超等[7]和DINIZ等[8]对装配后的动静涡旋盘在热-固耦合状态下的变形和应力进行分析，指出静涡旋的变形和应力比动涡旋略大，且装配后涡旋盘的变形由于互相干涉和约束而减小。唐景春等[9]利用焓差法对静涡旋盘结构优化后的热泵型电动涡旋压缩机进行了实验研究，指出最佳中间补气压力与补气孔位置的对应关系。韩坤等[10]和杜涛等[11]在温度和气体力耦合作用下对动涡旋盘应力与应变进行了仿真计算，得出其应力和应变的变化规律。以上研究对象均为中小排量的涡旋机械，而对于较大排量的汽车空调涡旋压缩机涡旋盘结构的研究涉及较少，由于加工刀具的干涉作用，涡圈始端被刀具切削掉一部分，比较薄的涡圈始端在中心腔高温高压气体的作用下，容易形成结构应力集中，导致疲劳断裂现象发生。同时，动、静涡旋盘脱啮时，中心腔有一部分无效容积存在，使排气过程平稳性降低，增加了功率损失和气流脉动噪声[12]。鉴于以上几个原因，有必要对涡圈始端进行修正。现在普遍采用对称圆弧加直线修正方法，将齿头部分增厚以增加其强度，但是对于大排量的汽车空调涡旋压缩机，由于其齿壁较高，中心腔部分的涡旋齿根部仍然存在较大的结构应力，从而发生疲劳损坏的故障。因此，为了减少中心腔齿根部的应力集中现象，本文采用不对称圆弧加直线修正方法，将涡圈始端部分设计为阶梯状，基于ANSYS热-固耦合模块，对涡旋压缩机阶梯状涡旋盘在气体力、温度场和惯性力耦合作用下的结构应力进行分析，并进行86 ml涡旋压缩机的性能对比实验。

1 阶梯型涡旋齿的修正

设图1(a)是静涡盘涡圈始端，图1(b)是与其相啮合的动涡盘涡圈始端。

在静涡盘涡圈上，点Mf1是涡圈外侧渐开线和连接圆弧的交点，该点所对应的涡圈中心线展角为β1，点Mf2是涡圈内侧渐开线和修正圆弧的交点，该点所对应的涡圈中心线展角为β2+π，相应地，动涡盘涡圈上，点Mm1所对应的展角为β2，点Mm2所对应的展角为β1+π。选取静涡盘涡圈修正圆弧和连接圆弧的半径分别为Rf=R和rf=r，为了满足共轭啮合原理，动涡盘涡圈上修正圆弧和连接圆弧半径，由静涡盘涡圈修正画弧和连接圆弧半径决定，即：

在不对称圆弧加直线修正方法中，涡圈始端形状由4个参数决定：修正角β1、β2，连接圆弧半径r和修正圆弧半径R。对于阶梯型涡旋盘，涡旋盘的动、静盘在涡圈起始部分的轴向各有一个台阶，这两个台阶面在动、静涡旋盘工作时需要接触贴合。所设计的86 ml涡旋盘结构参数如表1所示，其几何模型如图2所示。

图1 涡旋齿不对称圆弧加直线修正

2 有限元模型载荷和约束的施加

在ANSYS软件中，导入动涡旋盘三维几何模型并划分网格，选用Solid单元作为划分网格的单元类型，减少局部应力集中对仿真计算结果的影响[13]。设置涡旋盘的材质为铝合金ADC12，密度2,770 kg/m3，热膨胀系数2.3×10-5/℃，杨氏模量7,100 MPa，泊松比0.33，热导率144 W/(m·℃)。

表1 86 ml涡旋盘结构参数

图1 动涡旋盘三维几何模型

2.1 位移边界条件

根据动涡旋盘的实际工作情况，给有限元模型施加了如下位移条件：约束动涡旋盘主轴承座内孔表面的3个方向的位移，也就是x、y和z方向的位移分别为0。

2.2 动力条件

在涡旋压缩机的工作过程中，动涡旋盘所受载荷有3部分[14]：1）涡旋盘回转以及重力作用下的惯性载荷；2）内部制冷剂压缩气体对涡旋盘侧壁和底盘所产生的压力；3）非均匀温度场产生的热应力。

2.3 工作腔压力和温度的确定

在汽车空调涡旋式压缩机运行过程中，静涡旋盘与动涡旋盘会在同一时刻形成高压、中压以及低压等三对不同的冷媒压力的压缩室。根据GB/T 21360-2008《汽车空调用制冷压缩机性能试验方法》规定[15]，压缩机吸气压力0.28 MPa，排气压力1.8 MPa。第二压缩室的压力值Pi为：

式中：

k——冷媒介质R134a的等熵指数，一般取1.19；

Ps——吸气压力，MPa；

θ——压缩机曲轴转角，rad；

V——吸气腔的容积，m3；

Vi——中间容积腔的体积，m3。

利用ANSYS施加温度和压力载荷时，考虑到汽车空调涡旋压缩机实际运行情况，最低吸气温度取9 ℃，最高排气温度取100 ℃，取压缩机工作时的外部环境温度35 ℃为参考温度。将温度分布简化为柱坐标下沿半径方向呈线性递减变化，施加的温度载荷变化规律为：

式中：

x——柱坐标系下的坐标值；

R——涡旋盘的底盘半径，m。

2.4 位移约束

给有限元模型施加如下位移条件：1）齿顶部与防磨板压紧配合，约束齿顶表面在柱坐标下轴向位移为0；2）约束动涡旋盘主轴承座内孔表面的3个方向的位移，即x、y、z方向的位移分别为0。

3 结构应力仿真结果分析

分别对汽车空调涡旋压缩机的对称圆弧加直线修正动涡盘，以及不对称圆弧加直线修正动涡盘进行热-弹性耦合分析，得到的结构应力分布如图3所示。

图3 动涡旋盘结构应力分布

图3仿真结果显示，对称圆弧加直线修正涡圈的结构应力集中区域位于起始段的根部，涡旋齿起始段发生断裂故障的概率较大；不对称圆弧加直线修正涡圈的结构应力集中区域，位于齿头阶梯上部的内壁表面上，涡旋齿起始段发生断裂故障的概率降低了。

4 压缩机性能对比实验

在汽车空调制冷压缩机性能实验台上，依据综合部分符合性能系数[16]，对几何容积排量为86 ml的涡旋压缩机进行了性能对比实验，实验结果数据见表2。

表2的实验数据表明，具有阶梯型齿形结构的涡旋压缩机，动、静涡旋盘脱啮时，中心腔的无效容积减少，排气附加功率损失降低，在提高等熵效率的同时，制冷剂质量流量、制冷量、制冷系数和容积效率等制冷性能指标，均优于齿形结构采用对称圆弧加直线修正的涡旋压缩机。

表2 国标试验工况下压缩机性能对比实验

5 结论

1）采用阶梯型结构设计的涡旋盘，其涡旋齿起始段的结构应力集中区域，由根部转移到阶梯上部的内壁表面上，降低了断齿故障的发生概率。

2）具有阶梯型齿形结构的涡旋压缩机，附加功率损失降低，等熵效率提高。

3）具有阶梯型齿形结构的大排量汽车空调涡旋压缩机，实际运行时，其各项制冷性能指标都有相应的提高。

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Analysis on Ladder Typological Wraps Structure of Scroll Compressor for Vehicle Air Conditioner

DU Tao*1, MENG Xiaolei2, LI Chenkai2, TANG Jingchun2
(1- Anhui Dongfeng Mechanical and Electrical Technology Company Limited, Hefei, Anhui 230601, China; 2- School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009, China)

In order to reduce scroll wraps fracture failure of the scroll compressor for vehicle air conditioner in the non-uniform temperature and pressure field of refrigerant gas, the modified wraps approach has been completed by the combination asymmetric arc and line. The three-dimensional geometric model of ladder type scroll has been designed subsequently. Based on the finite element analysis software ANSYS, the structure stress distribution of the ladder type has been analyzed and compared with that of the conventional type of scroll plate with displacement of 86 ml. Simulation and performance test results show that, the stress area of ladder type vortex disc is concentrated on initial upper part of scroll wraps under the gas temperature and pressure loads. Therefore, the ladder type structure design not only can reduce probability of wraps fracture failure but also can improve the isentropic efficiency of scroll compressor.

Vehicle air conditioning; Scroll compressor; Wraps modification; Ladder type structure; Thermal stress simulation

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.203

*杜涛（1971-），男，硕士，正高级工程师，研究方向：汽车空调压缩机的研发。联系地址：安徽东风机电科技股份有限公司，邮编：230601。联系电话：13856097346，E-mail：hfdfdt@sina.com。