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1、汽車空調(diào)變排量壓縮機電動控制閥的研制 石偉林 ( 合肥江航飛機裝配有限公司航空普宸汽車零部件分公司，合肥 230035) 摘要:電動控制閥由波紋管控制件、殼體件、活門桿件、彈簧、密封件線圈等零部件組成，因?qū)刂崎y的核心關(guān) 鍵件波紋管組件研制生產(chǎn)的困難，目前國內(nèi)還沒有別的廠家自主研制成功。本公司根據(jù)多年的敏感元件生產(chǎn)經(jīng) 驗，對控制閥進(jìn)行了國產(chǎn)化研制。經(jīng)過批產(chǎn)考驗，其研制的產(chǎn)品性能滿足要求，形成了自主設(shè)計的產(chǎn)品。 關(guān)鍵詞:壓縮機; 控制閥; 波紋管 Study on electric － driven control valve of air conditioner compress

2、or with capacity adjusting for automobiles Shi Weilin ( Aviation Puchen Automobile Parts Branch，AVIC Hefei Jianghang Aircraft Equipment Co． LTD，Hefei 230035，China) Abstract: Electric － driven control valve is consisted of bellows control part，shell，valve leader，spring，loop and sealing part． I

3、t is not developed and fabricated successfully in China because the bellows as a core part of it can not be processed． Based on many year experience in producing sensitive elements，we successfully developed the control valve and could meet the perform- ance requirements． Keywords: Compressor，Contr

4、ol － Valve，Bellows 引言 系統(tǒng)壓縮機的兩大主流。壓縮機的排量能隨汽車 運行狀況和外界環(huán)境條件而自行調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能、 降噪和實現(xiàn)車室環(huán)境最優(yōu)化控制的目的，是汽車 空調(diào)技術(shù)的一個重大進(jìn)步［1］。 就壓縮機而言，由定排量向變排量發(fā)展是必 然趨勢。隨著能源的逐步緊缺，特別是在目前，汽 車的動力仍然依賴于石油資源的情況下，節(jié)能環(huán) 保是每個車廠必須考慮的問題。因此，空調(diào)定排 量壓縮機將逐漸被變排量壓縮機所替代，并形成主 流。在這種情況下研究控制閥就顯得意義重大。 在國外，從上世紀(jì)八十年代開始，一些大的汽 車制造商、配套商對氣動控制閥開始進(jìn)行研制，至 今此類控制閥技術(shù)已經(jīng)成熟穩(wěn)定

5、，且品種多樣，象 DENSO、SANDEN 公司就擁有成熟的變量閥技術(shù)。 1 1940 ～ 1955 年，美國在一些豪華轎車上安裝 了采用 2 缸或 4 缸的往復(fù)式壓縮機驅(qū)動的汽車空 調(diào)系統(tǒng)，開創(chuàng)了汽車空調(diào)系統(tǒng)和汽車空調(diào)壓縮機 研究和生產(chǎn)的先河。1952 年通用( GM) 公司開始 采用的回轉(zhuǎn)型壓縮機，這種壓縮機采用了兩級皮 帶輪傳送比，以增加汽車在低速運行時的制冷量， 從而成為變排量壓縮機發(fā)展的開端。1955 ～ 1962 年，通用( GM) 公司又研制了 5 缸搖板式壓縮機， 并于 1962 年成功研制了斜盤式壓縮機以替代搖 板式壓縮機。到 19 世紀(jì) 80 年代，隨著人們對壓 縮機

6、的重量、噪音等要求的不斷提高，市場上開始 出現(xiàn)新型小而輕的搖式壓縮機，同時結(jié)構(gòu)緊湊的 6 缸、10 缸斜盤式壓縮機也開始出現(xiàn)，并受到歡 迎。進(jìn)而，斜盤式壓縮機的運行機理開始被應(yīng)用 在無級變排量壓縮機的設(shè)計和制造上。另外，回 轉(zhuǎn)型壓縮機以其容積效率高、運行平穩(wěn)、磨損件 少、可實現(xiàn)無級變排量等優(yōu)點，也越來越受到人們 的注意，與斜盤式壓縮機一起，成為當(dāng)前汽車空調(diào) 在 2001 年 6 月 份，美 國 Delphi 公 司 為 雷 諾 ( Renault) 公司的新一代汽車 Laguna 配備的電動 控制型變排量壓縮機在歐洲上市，主要消費對象 是歐洲中上層開車族［1］。這是電動控制閥首次

7、 批量配備裝車，這標(biāo)志著電動控制閥成功應(yīng)用于 市場，接下來是進(jìn)入進(jìn)一步推廣的階段。 收稿日期: 2011 － 07 － 14 作者簡介: 石偉林( 1974 － ) ，男，碩士，高級工程師，主要研究方向: 敏感元件。 制冷技術(shù) 58 Refrigeration 第 10 期 在中國，對控制閥的研制起步較晚，針對這種 情況，我公司決定對控制閥( 包括電動控制閥) 進(jìn) 行研發(fā)，實現(xiàn)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，并盡快實現(xiàn)工程 化、產(chǎn)業(yè)化。 變排量壓縮機的應(yīng)用卻是較新的技術(shù)，尤其在國 內(nèi)，應(yīng)是汽車空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展新技術(shù)的前沿。變排 量壓縮機的排量隨汽車室內(nèi)熱負(fù)荷變化進(jìn)行無

8、級 自動調(diào)節(jié)，保持車內(nèi)室溫處于設(shè)置的最佳狀態(tài)。 無離合器循環(huán)所帶來的喘振現(xiàn)象，因而運行平穩(wěn)， 因根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)對制冷劑的有效需求量能隨時調(diào) 節(jié)壓縮機排量，避免了壓縮機離合器的頻繁離合， 同時帶來了發(fā)動機的負(fù)荷降低、噪音減少、振動下 降、壽命延長、舒適性好的效果。 氣動控制閥的工作原理如圖 1。 產(chǎn)品工作原理與技術(shù)要求 2 汽車空調(diào)系統(tǒng)仍然是一個傳統(tǒng)的應(yīng)用最廣泛 且成熟的系統(tǒng)，并沒有新的應(yīng)用技術(shù)在里面，壓縮 機為空調(diào)系統(tǒng)的核心控制部分，但對壓縮機而言， 圖 1 變排量壓縮機工作原理示意圖 Fig． 1 Schematic of work principle of the ca

9、pacity － adjustable compressor 當(dāng)空調(diào)負(fù)荷增大，則壓縮機吸氣壓力相應(yīng)地 升高，與之相連通的控制閥閥波紋管組件腔的壓 力也相應(yīng)地升高，使波紋管組件收縮，控制閥中的 錐閥開啟度增大，球閥關(guān)小，進(jìn)入搖板腔的高壓氣 體流量減小，機體內(nèi)的壓力降低，搖板腔與吸氣腔 體的壓力差減小，致使擺盤傾角增大、活塞位移加 長，壓縮機排量增大; 反之，當(dāng)空調(diào)負(fù)荷減小，則壓 縮機吸氣壓力相應(yīng)地降低，與之相連通的控制閥 波紋管組件腔的壓力也相應(yīng)地降低，使波紋管組 件伸長，調(diào)節(jié)閥中的錐閥開度減小，球閥開度增 大，進(jìn)入搖板腔的高壓氣體流量增加，機體內(nèi)的壓 力升高，搖板腔與吸氣腔體的壓力差增

10、大，致使擺 盤傾角減小、活塞位移變短，壓縮機排量減小。這 樣，通過控制閥的功能作用，自動調(diào)節(jié)控制壓縮機 的排量，從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)空調(diào)制冷劑的流量，實 現(xiàn)無級自動調(diào)節(jié)制冷量的目的。而定排量壓縮機 須要靠離合器與壓縮機頻繁地發(fā)生吸合與分離作 用，頻繁間歇式地啟動、關(guān)閉壓縮機來調(diào)控制冷劑 循環(huán)流動［2］。 圖 2 電動控制閥結(jié)構(gòu)圖 Fig． 2 Structure of electric － driven control valve 如圖 2，電動控制閥是在氣動控制閥的基礎(chǔ) 上加上電磁驅(qū)動機構(gòu)，使控制閥的運動不再單純 制冷技術(shù) Refrigeration 59 第 1

11、0 期 依靠壓縮機各腔的氣體力來驅(qū)動，通過改變加在 電磁線圈上的電流大小來改變鐵芯推桿的推力及 作用在推桿上的彈簧力，從而改變控制閥相當(dāng)于 氣動閥球閥的開度，以滿足不同制冷劑流量的要 求。與氣動閥相比，電控閥響應(yīng)速度快、精度高， 不僅可以設(shè)計出自動化程度較高的空調(diào)制冷系 統(tǒng)，還可以與汽車其他控制系統(tǒng)融合在一起，提高 轎車整體的自動化程度。 分析控制閥使用要求與工作原理，我們總結(jié) 出其滿足的技術(shù)指標(biāo)要求如下: ( 1) 產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)、尺寸應(yīng)符合壓縮機裝配 要求。 ( 2) 各零件的材料、化學(xué)成分、機械性能等必 須滿足其性能要求和國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。 ( 3) 性能檢測: ( a ) 波紋管

12、腔加某一初始壓 力，球閥腔維持 Pd ( MPa) 壓力時，高壓出口流量 應(yīng)為 2． 58 ～ 2． 75m3 / h，( 線圈電流為 I ( A) ) ; ( b) 在球閥高壓腔施壓 Pd ( MPa) ，高壓出口流量控制 們研制中要注意并關(guān)注的幾個控制點分析如下: ( 1) 控制閥的各性能測試技術(shù)指標(biāo)要求，主 要靠其核心關(guān)鍵件波紋管組件來實現(xiàn)，我們必須 設(shè)計并加工出合適的波紋管組件，以保證成品的 各技術(shù)性能指標(biāo)，并保證我們擁有完全自主知識 產(chǎn)權(quán)。 ( 2) 為保證控制閥與壓縮機的裝配關(guān)系，應(yīng) 控制閥所有閥體的外形尺寸，包括公差影響，設(shè)計 圖樣，確定尺寸公差時既要保證裝配的目標(biāo)要求，

13、又兼顧我們的機械加工生產(chǎn)實際。 ( 3) 控制閥中間閥體的內(nèi)孔與活門桿外徑尺 寸，必須嚴(yán)格控制兩者之間的間隙大小，形位公差 與表面粗糙度要求［3］。 ( 4) 電磁線圈線徑及長度的選擇可參考有關(guān) 設(shè)計與測繪，通過規(guī)范繞制，以保證滿足產(chǎn)品使用 要求，不是研制的難點。 ( 5) 根據(jù)我們自主設(shè)計研制的波紋管組件的 結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計好各控制閥閥體的內(nèi)腔尺寸，保證 波紋管組件在閥體中能自由伸縮及裝配定位。 以上第( 2) ～ ( 5 ) 控制點基本與機械加工等 有關(guān)，各尺寸與公差范圍的要求，在設(shè)計確定產(chǎn)品 圖樣時綜合協(xié)調(diào)考慮，既要保證符合控制閥組裝 調(diào)試的需要，滿足控制閥技術(shù)規(guī)范要求，又能適合

14、 我們國產(chǎn)化大批量生產(chǎn)加工要求即可，在此不多 加論述，第( 1 ) 分析點對關(guān)鍵件波紋管組件的研 為 0． 85m3 / h 時，波紋管腔壓力應(yīng)控制為 P ( MPa) ，( 線圈電流為 I ( A) ) 。 ( 4) 球閥密封性測定 球閥高壓腔施壓 Pd ( MPa) ，波紋管腔壓力調(diào) 整為 Ps1 ( MPa) 時，球閥應(yīng)關(guān)閉，其球閥關(guān)閉的密 封性應(yīng)控制在 5 分鐘內(nèi)，波紋管腔壓力升高不超 過 σPs ( MPa) ，( 線圈電流為 I ( A) ) 。 ( 5) 熱穩(wěn)定性 控制閥經(jīng)某一低溫、某一高溫下各停放一定 時間后，其性能滿足( 3) 、( 4) 條款的規(guī)定。 ( 6)

15、 耐壓性試驗 控制閥應(yīng)能在 P ( MPa) 壓力下停留 2 小時， 試驗后其性能滿足( 3) 、( 4) 條款的規(guī)定。 ( 7) 壽命試驗 s ［4］ 制是我們研制的重點 。 4 波紋管組件的研制 4． 1 波紋管組件的設(shè)計 在波紋管設(shè)計中，作者開拓創(chuàng)新地闡述了一 種設(shè)計思路與程序，并擬定其工作原理的數(shù)學(xué)表 達(dá)，有關(guān)內(nèi)容參見航宇救生雜志 2006 第 1 期《真 空波紋管設(shè)計與制造》［5］。 依據(jù)閥體技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計波紋管組件時 對波紋管零件的調(diào)試特性性能要求我們擬先設(shè)計 推算波紋管受力關(guān)聯(lián)式如下: 虛擬產(chǎn)品現(xiàn)已調(diào)試好，低壓端中的波紋管組 件力 F1 ( 相

16、關(guān)參數(shù): 被壓縮長度為 L1 ，鋼度為 K) ; 受通過鋼球、活門桿作用的錐簧力及電磁力 F2 ; 受高壓端 Pd ( MPa) 氣壓推力約 F3 ; 則鋼球上的合 力 F 約為: 控 制 閥 應(yīng) 能 經(jīng) 受 P1 ( kPa ) 交 變 壓 力 下 200000 次循環(huán)，控制閥在試驗前后的變化量不應(yīng) 超過 7kPa 壓力。 ( 8) 線圈電流為 I2 ( A) 時，在球閥高壓腔施壓 Pd ( MPa) ，高壓出口流量應(yīng)為 0。 ( 9) 線圈絕緣電阻不小于 30MΩ，通 以 AC 500V 電壓 1 分鐘，無擊穿現(xiàn)象。 研制分析 3 根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)要求也可看出

17、，我 制冷技術(shù) 60 Refrigeration 第 10 期 經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化、驗算后確定的有關(guān)參數(shù)情況 介紹如下: 波紋管的有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù): 內(nèi)徑 φd ( mm) ; 外徑 ΦD ( mm ) ; 有 效 波 紋 數(shù) N 個; 毛 坯 壁 厚 t ( mm) ; 波距約 h ( mm) ; 波峰寬度約 h1 ( mm) ; 總 長 L( mm) 。 依照波紋管的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，列舉有關(guān)特性 F = F1 － F2 － F3 。 控制閥裝配時高壓斷輸入 Pd ( MPa) 氣體壓 力，低壓端輸入壓力 Ps ( MPa) 根據(jù)用戶選擇的壓

18、力要求進(jìn)行控制調(diào)試，閥體低壓腔中的波紋管組 件受輸入低壓作用，當(dāng)壓力到達(dá)控制范圍內(nèi)時啟 動并產(chǎn)生位移，分析此技術(shù)要求應(yīng)包含: 特性控制點 1: 控制裝配時波紋管組件的壓 縮量，控制波組件的可壓縮空間，可根據(jù)波紋管調(diào) 壓范圍要求及受總力、波紋管有效面積、剛度等來 計算) ，根據(jù)球閥的特點，此位移為 X( mm) 。 特性控制點 2: 在用戶選定壓力范圍內(nèi)的壓 差對波紋管組件的作用力使波組件產(chǎn)生的位移一 般不超過 X1 ( mm) ，否則球閥將可能完全關(guān)閉，此 項要求控制好波紋管組件在一定的波紋管結(jié)構(gòu)尺 寸下對應(yīng)剛度的大小。 因此，依據(jù)波紋管受到的總力大小，依據(jù)上述 兩控制點要求，設(shè)計合適的

19、波紋管結(jié)構(gòu)尺寸，確定 好波紋管控制參數(shù)，組配成波紋管組件后，對產(chǎn)品 特性進(jìn)行試驗，檢驗是否符合設(shè)計要求。 波紋管及組件設(shè)計圖樣如圖 3、圖 4。 參數(shù): 有效面積 A( mm2 ) ; 控制的剛度范圍 K ( N / 1 mm) ; 有效位移空間約 S1 ( mm) ; 耐 PX ( MPa) 。 依據(jù)閥的性能要求，波紋管的特性參數(shù)，設(shè)計 出波紋管組件的特性控制參數(shù)為: ( 1) 組件剛度為 K( N / mm) ，其中的彈簧剛度 K2 則應(yīng)為 K2 = K － K1 ( N / mm) 。 ( 2) 可壓縮位移空間 S( mm) 。 說明: 波紋管零件的有效位移空間應(yīng)大于

20、組 件的可壓縮位移空間，因為波紋管零件組合成組 件，抽真空后，波紋管會收縮，其位移為: － 6 S2 = PA 10 / K ( mm) 其中: P: 壓力( Pa) ; A: 有效面積( mm2 ) ; K: 剛度( N / mm) 。 4． 2 波紋管組件的生產(chǎn)加工與檢驗 波紋管的生產(chǎn)加工過程、其他裝配零件的加 工過程、波組件的裝配過程等在此均不作詳 述［6］。 圖 3 波紋管組件結(jié)構(gòu)圖樣 Fig． 3 Structure of bellows assembly 波紋管結(jié)構(gòu)尺寸及技術(shù)要求( 略) 如下。 圖 5 波紋管線性曲線圖 Fig． 5

21、 Linear chart of bellows capacity 按批產(chǎn)定檢的方式，對照閥的技術(shù)要求，我們 對研制的波紋管組件隨機抽取了 20 件試驗產(chǎn)品， 全部進(jìn)行初始性能檢測后，再從中分別抽取 4 件 產(chǎn)品進(jìn)行交變溫試驗、耐壓試驗、抗振性試驗、抗 濕試驗、壽命試驗，之后再進(jìn)行性能檢測，其結(jié)果 均符合我們設(shè)計規(guī)定要求。 通過檢測波紋管的線性，產(chǎn)品非線性度不超 2% ( 一般控制在 4% 以內(nèi)) ，試驗線性曲線如 圖 5。 圖 4 波紋管零件圖樣 Fig． 4 Pattern of bellows part 按照波紋管零件圖樣及總體組件圖樣及技術(shù) 要求，很容易可確定其

22、他上下蓋、彈簧、頂針等的 圖紙尺寸及相關(guān)要求，在此不做介紹。 制冷技術(shù) Refrigeration 61 第 10 期 任務(wù)是對產(chǎn)品進(jìn)行裝配調(diào)試。通過設(shè)計研制裝配 調(diào)試的非標(biāo)設(shè)備及有關(guān)工裝，按如下氣路圖和裝 配調(diào)試步驟我們完成了調(diào)節(jié)閥的裝配調(diào)試及檢 測，檢測結(jié)果滿足產(chǎn)品研制技術(shù)要求，滿足了設(shè)計 要求。 氣路圖: 電動控制閥研制產(chǎn)品的裝配調(diào)試 檢驗 5 完成了波紋管組件的研制，完成了其他殼體 零件、線圈零件、彈簧、推桿等零組件的加工，外購 好合適的鋼球、密封圈、過濾網(wǎng)等零件后，最后的 圖 6 成品裝配調(diào)試示意圖 Fig． 6 Structure

23、 of finished product debugging 因此，本文的研制可提供控制閥的設(shè)計者、生 產(chǎn)廠家、讀者以借鑒，有不當(dāng)之處歡迎討論、批評。 裝機試驗 6 把調(diào)好的電動控制閥產(chǎn)品送到某壓縮機廠家 進(jìn)行裝機檢測，并進(jìn)行裝車實地應(yīng)用考查，經(jīng)過一 段時間的實驗，我們研制的產(chǎn)品滿足廠家使用要 求，得到了廠家的認(rèn)可，滿足配套裝車要求。 參考文獻(xiàn) ［1］ 吳寶志，金永康． 汽車空調(diào)［M］． 北京: 宇航出版社， 1992，1 － 5． ［2］吳業(yè)正． 制冷原理及設(shè)備( 第 2 版) ［M］． 西安: 西安 交通大學(xué)出版社，2006． ［3］吳宗澤． 機械設(shè)計實用手

24、冊( 第 1 版) ［M］． 北京: 化 學(xué)工業(yè)出版社，2000． ［4］ 航空制造工程手冊總編委會． 航空制造工程手冊 敏感元件工藝［M］． 北京: 航空工業(yè)出版社，1994． ［5］ 石偉林． 真空波紋管設(shè)計與制造［J］． 航宇救生雜 志，2006( 1) ． ［6］ 于馨之，王寧，聞濟世． 機械設(shè)計、制造工藝、質(zhì)量檢 測與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范全書［M］． 北京: 機械工業(yè)出版社， 1991． 結(jié)論 7 通過本文研究，設(shè)計、試驗、檢驗可以得出: ( 1) 波紋管組件設(shè)計中性能參數(shù)、有關(guān)控制參數(shù) 的選擇、優(yōu)化是關(guān)鍵的，它直接決定著電動閥研制 的成功與否。( 2) 電動控制閥其他零部件的生產(chǎn) 加工不需有專門的高精密設(shè)備，普通機床加上自 制一些非通用設(shè)備，就可完成產(chǎn)品的國產(chǎn)化大批 量生產(chǎn)與檢驗。