变排量汽车空调压缩机技术特点与振动噪声特性研究

（白城师范学院，吉林白城 137000）

1 引言

汽车作为现代化生活必不可少的交通工具，其驾乘品质已成为人们购买汽车的重要参考因素，除良好的动力系统外，乘坐舒适性也至关重要。汽车空调系统是车内舒适性的可靠保证，随着技术的不断进步，空调压缩机技术也开始向着节能、环保、高效率、轻量化方向发展，变排量汽车空调压缩机就是技术进步的典型代表，其具有转速高、稳定性好、能源利用率高等众多优点。变排量空调压缩机包括曲轴连杆式、旋转斜盘式、涡旋式等多种形式，其中以旋转斜盘式变排量空调压缩机应用最为广泛，本文也以此压缩机为基础展开技术原理及振动噪声原因的论述。

2 变排量空调压缩机的技术特点

变排量空调压缩机能够通过空调系统设定的温度可遍地输出压缩功率，其与传统的定排量空调压缩机存在显著的技术差异，具体表现如表1所示。传统的定排量空调压缩机通过在蒸发器表面或出风口设置的传感器检测温度状态，以此判断压缩机是否需要工作以提供制冷，也就是说传统的压缩机工作方式是不停的开启与关闭，这不利于效率提升和能耗节约。而变排量压缩机工作时主要通过检测空调管路内压力的变化来实现控制，通过预先设定好的控制程序，ECU会根据空调管路内高压端的压力状态，控制压力调节阀来增加会减小压缩比，从而改变制冷的强弱程度。这不仅有利于提高压缩机的工作效率，在控制车内噪声、振动、节能环保等方面也有较大优势。

3 变排量压缩机的工作原理

3.1 工作过程

变排量斜盘式压缩机是现代汽车的空调系统中广泛使用的一种往复式活塞压缩机，其活塞可实现双向动作，其主要的工作流程为：通过主轴带动斜盘运转，从而使斜盘上的活塞实现往复的轴向运动，带动压缩机的气缸做往复运动，此时2个活塞呈相反的运动形式，当前缸活塞回程运动时，启初排气阀处于关闭状态，活塞缸内残留的气体被回程带动产生膨胀现象，使缸内气压急剧减少，吸气阀在气压作用下被打开，低压气体进入气缸直到活塞吸满气为止。当后缸开始压缩工作时，缸内压力和温度逐渐上升，排气阀在压力作用下开启实现排气，直到气体完全排出，如此循环，不断的完成吸气、压缩、排气、膨胀的过程。

3.2 结构特点

变排量斜盘式压缩机的主要结构如图1所示，关键部件包括了驱动轴、斜盘、活塞、排气阀、电磁离合器等等。装配过程中斜盘与主轴呈固定关系，被减少运转过程中的摩擦阻力，斜盘与活塞之间采用带有钢球的滑动结构连接，在斜盘运转的过程中，钢球随斜盘形状位置的变化，能有效将转动转变为直线运动，同时将传统的滑动摩擦转变为滚动摩擦，通过技术的不断改进，钢球连接结构的材料也由传统的铸铁改为了具有更高硬度的铝合金，不仅减轻了压缩机的总体重量，同时也有利于斜盘式压缩机的转速提升。

现阶段的变排量斜盘式空调压缩机主要有两种润滑形式：一是传统的油池润滑，主要依靠吸气枪内的高温高压将冷冻机油分离出实现润滑；另一种是具有油泵结构的强制性润滑，主要应用于新型汽车上，这类压缩机具有更好的制冷能力。

4 变排量压缩机振动噪声影响因素

4.1 机械传动产生的影响

变排量压缩机的机械结构与变通压缩机基本一致，其机械运转过程中由于压缩机中存在高速运转及往复运动的零件，导致运转过程中存在不平衡力，致使传动的摩擦和冲击问题严重，由于斜盘运转的过程中压缩机必须根据车内气温条件调整运转负核，导致压缩机的转速不停变化，此时斜盘不同位置的活塞对斜盘的受力状态均不一，造成了斜盘、钢球、活塞运动中的力和力距不停变化，引起了压缩机的振动问题。同时，活塞和气缸的往复运动，其工作中对气体不断的进行压缩和释放，其中存在的压缩力的突变过程，排气阀的瞬间释放会造成较大的冲击振动，其中机械运转不平衡所产生的振动噪声频率计算公式如下

表1 定排量压缩机与变排量压缩机技术对比

式中 f——系统的不平衡力产生的振动和噪声的频率，Hz

n——谐频阶数

f0——转动频率，Hz

N——转速，r/min

由此可见，随着压缩机转速的提升，系统中因不平衡力产生的振动和噪声的频率不断增强，所引发的振动噪声逐渐增多。

4.2 气流波动产生的影响

图1 变排量斜盘式压缩机的主要结构

图2 变排量斜盘式压缩机噪声图谱

变排量斜盘式压缩机由于其自身结构的限制，其在吸气、压缩、排气、膨胀的过程中，是不连续的，导致在某些位置气流喷出的同时另一位置会有大量气体吸入，由于吸排气过程气体速度较高，容易造成因气体体积骤变和气流相互影响导致的气流噪声与振动。尽管现阶段很多先进的压缩机在吸排气阀上进行了优化设计，有效降低了吸排气阀的钢度，增加和吸排过程中的柔性，在一定程度上减少了气流波动产生的影响，但仍不能完全避免冲击振动，由于机械结构和运转特性的限制，现阶段最好的减少压缩机噪声和振动的方式就是减轻气流波动产生的影响。

4.3 交变磁场产生的影响

在压缩机电机运转的过程中，电机转子和定子的相互作用会产生明显的电磁噪声，电磁噪声也会给变排量压缩机带来一定的噪声和振动问题，相关试验表明：斜盘式压缩机所产生的电磁噪声与电机定子的槽数直接相关，因此，合理的电机选择与设计是减少交变磁场产生的影响的主要手段。

4.4 噪声图谱分析

变排量斜盘式压缩机的噪音图谱如图2所示，可见主要的噪声点集中在2000～3000 Hz，且在启动阶段噪声存在加大起伏波动。

在噪声图谱测量的试验中，压缩机的噪声强度会在小范围内产生跳动和不规律性，主要是由于气缸往复运动和吸排气过程产生的冲击等综合影响因素较为随机，但总体上还是呈现随转速增加先增强后减弱的趋势。

5 振动噪声问题的优化方向

5.1 消声技术的应用

消声技术是控制噪声问题的有效手段，通过将压缩机技术与声学控制技术相结合，充分考虑流动、传热、振动等综合因素，利用抗性消声器原理，在原有的管道上安装旁接共振腔或突变管道，使原有噪声频率在较大的空间变化出出现反射、干涉影响，有效抵消过大噪声。

5.1.1 膨胀室消声技术

膨胀室消声技术是结构相对简单的噪声控制技术，主要利用管道直径的突然变化引发管道内部的内声阻抗突变（图3），利用反射声波有效抵消噪声。

由于膨胀室消声在一定特定的频率下无法达到良好的消声效果，因此可考虑采用多节不同长度的扩张室串联的方法，以有效避免部分频率无法消声的问题。

5.1.2 共振腔消声技术

共振腔消声技术也属于抗性消声的一种，其主要是在原压缩机系统的管壁上开具小孔，使小孔外接一个密闭的腔体（图4），当管道中存在振动和噪声时，声波会通过小孔进入腔体，声波状态产生突变，使部分声能反射回声源，同时腔体产生振动使声能的振动转换为热能而损失，从而达到有效消声的目的。

为达到良好的消声效果，共振腔消声的设计也可以采取多节共振器串联的形式，通过将不同共振频率的腔体有机结合，能实现将消声器的共振频率错开的效果，从而有效提升消音质量。

5.2 改善排气阀片技术状态

排气阀是压缩机排气系统的主要噪声产生位置，在正常工作状态下，排气阀根据气体推力和弹簧压力的大小关系，控制压缩气体是否被排出，理论状态下，排气阀的开启与关闭十分迅速，不会在开关过程中出现颤动或撞击噪声等问题。但是在实际使用中，尤其在压缩工作较长时间后，排气阀片在工作时，当排气阀被缸内气体压力开启后，在弹簧力作用下有快速出现关闭趋势，此时未完全排出的气体再次将阀片顶起，导致出现一个形成过程多次开闭的问题，从而产生明显的颤动现象。此外，在长时间的使用下，由于弹簧力变弱，还可能出现，阀片开启后关闭缓慢的问题，导致产生气体“倒流”问题出现，使阀片对阀座产生更大的冲击。

图3 膨胀室消声管道变化图

图4 共振腔消声开孔及腔体布置

因此，对阀片状态的及时检查与保养是减少压缩机排气噪声的有效手段，只有保证排气阀片良好的工作状态，才能在保证压缩机高效工作的同时，最大化的减少振动和噪声。此外，还应对排气阀片进行合理的设计，实验表明，排气阀片的厚度与排气噪声值有直接关系，当阀片厚度由0.38 mm逐渐减小时，所产生的噪声值也对应降低，指导厚度小于0.25 mm后，噪声则继续呈增大趋势，因此，设计中应充分考虑阀片厚度及形状等影响因素，必要时通过模拟软件或实验进行优化，以实现排气阀片工作状态的最优化，并有效降低因此产生的振动和噪声。

6 结语

为满足汽车空调系统不断优化的实际需求，通过多种手段优化压缩机的技术状态是十分必要的，尽管现阶段汽车压缩机技术取得了较大的进步，但是关于减少冲击振动的优化设计仍比较少，还需要专业技术人员继续探索相关技术的解决途径。