雙動力源車用空調壓縮機傳動系統研究

趙強 李勝 徐善勇 劉大維

摘要：為解決傳統車用空調壓縮機動力源單一的問題，本文設計了一款基于行星齒輪機構的雙動力源車用空調壓縮機傳動系統。詳述了雙動力源車用空調壓縮機傳動系統的工作原理，完成了雙動力源車用空調壓縮機傳動系統的參數匹配設計，同時采用機械多體動力學仿真軟件ADAMS，對雙動力源車用空調壓縮機傳動系統的工作性能進行分析。分析結果表明，雙動力源車用空調壓縮機傳動系統在發動機熄火狀態下，電動機作為空調壓縮機的動力源可單獨帶動空調壓縮機完成制冷工作;在發動機工作狀態下，對電動機進行適當的控制并通過行星齒輪機構的耦合調速作用可使空調壓縮機能夠根據制冷需求調節制冷量。該系統的工作狀態與預期設想相吻合，達到了雙動力源車用空調壓縮機傳動系統的設計要求與目的。該研究具有實際應用意義。

關鍵詞：雙動力源; 渦旋式壓縮機; 行星齒輪機構; ADAMS分析

汽車空調可以將車廂內的溫度、濕度、空氣清潔度控制在最佳狀態，為駕駛員提供良好的駕駛條件，以確保安全行車，同時為乘客提供舒適的乘車環境，減少旅途疲勞[1]。空調壓縮機在整個制冷循環過程中起著壓縮和輸送制冷劑蒸汽的作用，是汽車空調制冷系統的心臟[2]。然而傳統汽車空調壓縮機的動力源為汽車發動機，因此當汽車發動機停機時，汽車空調壓縮機會因失去動力而無法工作[3]。其次，若汽車駕駛員在駐車過程中對汽車空調有制冷要求，此時若以汽車發動機怠速運轉的方式為汽車空調壓縮機提供動力，汽車空調的制冷量很難滿足用戶需求，并且汽車發動機怠速運轉會產生一定的燃油消耗[4]。另外傳統汽車空調壓縮機的轉速與汽車發動機的轉速成正比，因此當汽車發動機在較大轉速范圍內變化時，汽車空調壓縮機的轉速會隨之變化，那么汽車空調的制冷量會變得很難控制，制冷效率也會下降[5-7]。為實現汽車發動機停機時汽車空調的正常運轉，馮煒等人[8]提出一種基于雙離合器機構的車載空調壓縮機雙動力驅動裝置;弓劍等人[9-10]提出一種熱/電雙驅動汽車壓縮機結構，并通過雙驅動汽車壓縮機樣機試驗為實車應用提供了試驗數據。上述兩種設計方案可在汽車發動機停機時將汽車空調壓縮機的驅動模式由汽車發動機驅動切換至電機驅動，從而解決汽車空調壓縮機因發動機停機而停止工作的問題，但兩者并未考慮汽車空調壓縮機如何在汽車發動機工作過程中主動調節制冷量的問題。基于此，本文提出了一種雙動力源車用空調壓縮機傳動系統，解決壓縮機因動力源單一而導致在發動機熄火時無法正常工作的問題，并改善了工作過程中無法根據駕駛員的舒適性要求與汽車實時工況對制冷量進行主動調節的問題。該研究具有實際應用價值。

1 雙動力源車用空調壓縮機結構及工作原理

雙動力源車用空調壓縮機傳動系統總體結構如圖1所示。該結構主要由壓縮機皮帶輪、單結合位置式電磁離合器、行星齒輪機構、電動機、渦旋式壓縮機及控制單元等組成。其中，空調壓縮機皮帶輪通過發動機附件皮帶與發動機附件皮帶輪相連，皮帶輪后端為電磁離合器的主動盤;電磁離合器的從動盤與行星齒輪機構的行星架相連;行星齒輪機構的太陽輪與電動機相連，電動機為空心軸電動機，電動機空套在行星齒輪機構行星架的輸入軸上實現同軸布置;行星齒輪機構的齒圈與壓縮機的輸入端相連。

由圖1可以看出，當汽車發動機處于停機狀態時，汽車空調控制單元控制電磁離合器結合，同時控制電動機啟動;行星齒輪機構行星架經電磁離合器、壓縮機皮帶輪、發動機附件皮帶與發動機附件皮帶輪連接，由于等效到行星架上發動機的鎖止轉矩遠大于使空調壓縮機工作時等效到行星架上的起動轉矩，因此看作行星齒輪機構行星架與發動機均處于停機鎖止狀態;汽車空調壓縮機的轉速與電動機轉子的轉速成比例，比例由行星齒輪機構此時的傳動比決定。因此，當汽車發動機處于停機狀態時，汽車空調壓縮機僅由電動機單獨驅動，以保證汽車空調壓縮機在發動機停機時可以正常工作。

由圖1還可以看出，當汽車發動機處于工作狀態時，汽車空調控制單元控制電磁離合器結合，同時控制電動機啟動;行星齒輪機構行星架經電磁離合器、皮帶輪、發動機附件皮帶與發動機附件皮帶輪連接，行星齒輪機構行星架的轉速與發動機的轉速成正比，其值為汽車發動機附件皮帶輪與汽車空調壓縮機皮帶輪的直徑比;行星齒輪機構的太陽輪與電動機相連，二者轉速相同。汽車空調控制單元進行汽車空調壓縮機目標工作性能參數的計算，即根據駕駛員的舒適性要求（汽車空調壓縮機轉速的期望值）與汽車發動機的實時工況（發動機實際輸出轉速），調節電動機的轉速，以獲取行星齒輪機構齒圈（汽車空調壓縮機）的目標工作轉速。因此，當汽車發動機處于工作狀態時，汽車空調壓縮機由汽車發動機和電動機共同驅動，行星齒輪機構通過耦合汽車發動機與電動機兩者的轉速，輸出空調壓縮機的目標轉速，以實現汽車空調壓縮機制冷量的調節。

2 雙動力源車用空調壓縮機傳動系統參數匹配設計

2.1 渦旋式壓縮機工作性能參數

本設計所選用的壓縮機為渦旋式壓縮機，其體積和質量相對較小，可使總體結構更加緊湊[11-16]。依據在特定工況下（吸氣壓力0.28 MPa，排氣壓力1.6 MPa，過熱度5 ℃，過冷度10 ℃）對所選渦旋式壓縮機進行測試所獲得的實驗數據，得到壓縮機的制冷量與功耗的性能曲線。同時，由公式T=9 550P/n可得壓縮機工作負載轉矩隨轉速的變化曲線，可知該渦旋式壓縮機工作負載轉矩約為4 N·m。渦旋式壓縮機實驗數據如表1所示。渦旋式壓縮機制冷量與功耗曲線如圖2所示，渦旋式壓縮機工作負載轉矩曲線如圖3所示。

2.2 電磁離合器性能參數

本設計所選用的電磁離合器為單結合位置式離合器，用于通斷發動機的動力傳遞，電磁離合器主要性能參數如表2所示。

2.3 行星齒輪機構結構參數

綜合考慮配備雙動力源車用空調壓縮機傳動系統的某商用車型的安裝空間及行星齒輪機構的結構強度，行星齒輪機構各齒輪參數如表3所示。