摘 要

随着生产力的提高和社会经济的发展，汽车工业的发展也越来越迅速，人民的生活水平也得到了极大的提高。与此同时，有车一族的数量也越来越多，人们对于汽车的要求不仅仅是安全性、可靠性，也在舒适性方面对汽车有了高要求。因此，车用空调也从一种奢侈品变为了如今汽车的必需品。而伴随着汽车拥有量的增加，汽车产生的油耗、环保等问题也日益突出。有研究发现了：随着汽车质量的减小，排放的废气量也会随之减小。所以汽车的轻量化已经是必不可免的了，汽车要在保证自身性能不受损失的条件下尽可能减小各零件的质量。因此空调的轻量化也是迫在眉睫的。本文主要是设计一种小尺寸的活塞式压缩机缸体。

关键词：汽车空调；小尺寸；压缩机缸体

Abstract

With the improvement of productivity and the development of social economy, the development of the automobile industry has become more and more rapid, and the living standards of the people have also been greatly improved.At the same time, there are more and more car owners. The demand for cars is not only safety, reliability, but also high requirements for comfort.Therefore, car air conditioners have also changed from the same luxury to the necessity of today#39;s cars.With the increase in the number of cars, the fuel consumption and environmental protection problems caused by automobiles have become increasingly prominent.Some studies have found that as the quality of the car decreases, the amount of exhaust gas emitted will also decrease.Therefore, the lightweight of the car is inevitable, and the car should be as small as possible to ensure the quality of each part without losing its performance.Therefore, the weight reduction of air conditioners is also imminent. This paper mainly designs a small size piston compressor cylinder.

Key Words：Car Air Conditioner；Small size；Compressor cylinder

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 汽车空调的发展 1

1.1.1汽车空调系统的作用 2

1.1.2汽车空调系统的工作过程 2

1.2 活塞式空调压缩机的结构与原理 2

1.3国内外的研究现状 3

1.4本章小结 4

第2章 活塞式压缩机缸体的设计方案 5

2.1活塞式压缩机缸体材料的选定 5

2.2初始条件 6

2.2.1初步计算 6

2.2.2变比热容时计算 7

2.2.3 CO₂作为制冷介质时计算 8

2.2.4最终结果 11

2.3冷却方式 12

2.4润滑方式 12

2.5本章小结 12

第3章FLUENT的仿真模拟 13

3.1 FLUENT软件介绍 13

3.2利用GAMBIT建立计算模型 13

3.3利用FLUENT进行缸体内流动与换热的仿真计算 17

3.4本章小结 23

4总结与展望 24

4.1总结 24

4.2展望 24

参考文献 24

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 汽车空调的发展

第一台汽车是由德国人在1986年制造的，因此卡尔本茨也被成为现代汽车之父，他还和别人创立了奔驰汽车公司。汽车技术也在之后的百余年里迅速地发展，成功代替马车等畜力驱动的工具成为了人们出行的交通工具，在生活上为人们提供了极大的便利。汽车空调技术的水平虽然不足汽车的技术水平但是也随着汽车的发展有了很大的提高。空调之父威利斯·哈维兰·卡里尔在1902年发明了当时社会上的第一台名为空气调节系统的机器，简称空调^[1]。实际上，这第一台空调的设计是为了调节机器设备的温度，而并非在汽车上运用为人服务。

而汽车空调系统的发展过程大致可以分为以下几个阶段：

单一供暖空调阶段：美国在1925年出现了一台加热汽车的冷却液从而达到取暖目标的车用空调。然后美国到了1927年出现了新的供暖系统，它的功用仅仅是为汽车室内进行供暖。

冷暖一体化汽车空调阶段：冷暖一体化汽车空调系统最先出现在人们的视野里是于1954年应用于名为NASH的轿车上，美国通用汽车公司率先发明了这种技术。这种空调将控制开关置于前排的控制面板中，便于人们的操纵。此时汽车空调系统才完整地具备了控制调节汽车室内温度、湿度的功能。该方式也是目前应用于低档车中使用量最多的一种，汽车也具备了改变温度、湿度，过滤空气中的杂质，除霜等一系列对空气进行调节的功能。

自动控制空调系统：汽车空调的技术随着科技的发展也在不断进步。冷暖一体化汽车空调系统并不能做到自动调节，仍然需要驾驶员手动操纵，这在工作量上给驾驶员造成了负担。与此同时对于温度和湿度的控制也不是很理想。1964年美国通用汽车公司第一次讲自动控温的汽车空调系统应用于凯迪拉克轿车上。这种空调系统能按照预先设定的温度，根据汽车内各种传感器反馈的信息自动地调节车内的温度和湿度，从而满足驾驶员和乘客的舒适性要求。

微机控制空调系统：美国通用汽车公司和日本五十铃公司联合开发微机控制空调系统。 两家公司于1973年建立项目进行研究，并在1977年成功地将其运用到自己生产的汽车当中。微机控制系统极大地节省了汽车的燃料消耗，调高了空调的自动化调节精度水平，让汽车的整体性能和舒适性有了很大地进步。这是因为微机控制系统能根据汽车内外环境的变化，自动地调节汽车空调系统的工作状况，满足了空调运行和汽车运行时的高度统一。这一发展让汽车空调技术达到了一个新的高度，标志了汽车空调已经进入了第四代产品。

我国的汽车空调产业初步发展于上世纪70年代，第一批装载有汽车空调的汽车是由长春一汽生产的红旗轿车。随着经济的发展和技术的进步，由我国自主研发的上海汽车空调机厂制造的汽车空调系统成功在上海牌轿车SH760A轿车上实现了应用^[2]。1994年，采用R134a作为制冷剂的空调系统首次应用于国产的桑塔纳轿车上。

1.1.1汽车空调系统的作用

汽车空调系统主要是为了改变汽车车厢内的温度，使车厢中的温度保持在一个能够令人感到舒适的水平。除此之外，空调还具备了调节汽车内的湿度，营造舒适环境；滤去汽车吸入空气中的灰尘与花粉，保障室内空气的新鲜与环境的安全。

1.1.2汽车空调系统的工作过程

压缩机、膨胀阀、蒸发器、冷凝器、干燥储液器以及管路系统等构成了汽车的空调系统。当汽车的空调系统开启后，将会驱动制冷剂进行制冷过程的循环流动。在这其中，制冷剂先进入蒸发器中形成气态制冷剂，然后经过压缩机内的压缩过程变为高温高压气体排出^[3]。随后流入系统的冷凝器中，进行散热和冷却过程，变为低温高压制冷剂从其中进入干燥槽之中，经过了干燥、过滤等流程。膨胀阀再将其膨胀。通过这个过程，制冷剂变为了低温低压制冷剂，状态发生了剧烈的变化，这是为了制冷剂进入蒸发器后能够迅速地吸热蒸发。湿蒸汽不断地吸收热量发生汽化变为气体制冷剂从而降低流过蒸发器的空气温度。压缩机再将从蒸发器流出的气态制冷吸入并压缩，如此循环，制冷系统在封闭的制冷系统重复地将有限的制冷剂进行压缩、冷凝、蒸发、将汽车车内的空气进行降温。因此，汽车的空调系统中的核心部件是压缩机，只要压缩机一工作，制冷剂就能不断地进行循环，从而达到制冷的效果。而如果压缩机停止了工作，整个空调系统也会停止工作。

1.2 活塞式空调压缩机的结构与原理

压缩机是汽车空调系统中的核心部件，它的功用是将制冷剂从低温低压气体转变为高温高压气体排出并在整个系统中提供制冷剂循环流动的动力。因此整个空调系统的性能很大程度上取决于压缩机的性能。目前有各种类型的压缩机在汽车空调上得到运用，压缩机还可以根据排量能否发生变化，分为变排量和定排量。变排量压缩机能使汽车空调更加具备经济性，因为它能够根据不同的需求从而自动地改变排量。本文主要采用活塞式压缩机，主要的部件为气缸、连杆、密封圈、曲轴、活塞杆等。制冷循环的工作原理是利用逆卡诺循环，制冷剂被压缩机从低压区抽取后再经过压缩过程后输送到高压区进行凝结，最后制冷剂被送入蒸发器，与将要进行冷却的媒介进行热量交换，换热之后制冷剂变成低压气体后回到压缩机内，再被压缩机进行压缩，如此循环完成制冷过程。制热循环的工作原理则是与制冷循环的是相反的。某活塞式空调压缩机外观如图1.1：

图1.1某活塞式空调压缩机外观图

1.3国内外的研究现状

从世界历史范围活塞式压缩机拥有十分悠久的发展历史，在设计，研究，制造和运营方面有着丰富的经验。压缩机的种类有许多，然而，在中小容量范围内，运用最多的是活塞式压缩机，因为它可以实现高转速工作，并且满足小型化和轻量化的要求。活塞式压缩机还具备结构紧凑，体积小，效率高，使用寿命长，性能可靠等优点。变排量实现了自动控制之后，它可以广泛应用于汽车空调之中。

近年来随着有车一族数量的增加，汽车产品产生的环保和油耗等问题日益突出，汽车排放的污染物更是造成环境污染的重要因素。有团队研究表明，汽车的质量减小，其排放的废气量也随着减小。因此随着对环境的保护意识的发展，汽车环保节能趋势也是必不可免的，因此汽车应当采用轻量化等一系列技术来进行节能减排。这也成为了当代汽车人竭力发展的目标。汽车的每个零部件都应该在保证性能不受损失的前提下尽可能减小汽车各个零部件的质量。所以空调压缩机的轻量化也是迫在眉睫的。综合考虑汽车的构造, 汽车车身占了其整车质量的三分之一^[4]，因此对汽车车身材料的研究会是降低汽车质量的关键所在。但是这是要在保证汽车行驶时的安全性和舒适性的情况下，采用适合的材料实现汽车车身的轻量化。

张志杰^[5]等人为了实现汽车空调压缩机的轻量化并且降低成本，提出了对压缩机支架材料改进的设想。他们运用了有限元原理，根据多种材料对压缩机支架进行了强度和模态分析，选择了铝合金中的ADC12铝合金代替了原本采用的FCD45铸钢，不仅满足了汽车使用高端性能要求，而且减轻了压缩机的质量，降低了成本，达到了轻量化的目的，实现了节能减排。蒋硕等^[6]发明了一种新的专利，在缸体主轴轴承孔的外侧设有六处减重孔并形成花形结构，缸体后盖侧外缘为花形结构，缸体的后盖侧外圈表面还设有了六处螺钉孔，螺钉孔长度为a=23.7mm，有效地降低了成本并实现了轻量化。同时赵丰^[7]等采用了热/电双动力压缩机进行了设计，主要是对于压缩机的上端盖、电机部分、还有主体的涡旋盘、轴4个部分进行了建立模型，并对这种新型的活塞式压缩机进行了虚拟的整体装备；更对这种新型的压缩机进行整体的模拟和压缩机的台架实验，最终得到了这种新型压缩机的各种数据，使轿车工作稳定的同时并降低能耗。

在国外,美国的德尔福公司开发研制了六缸和七缸可变排量斜盘式压缩机^[8]包含的外控式无级变排量斜盘式压缩机的整机质量有了很大程度上的降低，因为其中没有电磁离合器，实现了汽车轻量化的目的。Saud Ghani^[9]是对双管换热器进行了一系列实验，发现使用了双管蒸发器和最大DIW流量的冷凝器单元会是压缩机的消耗下降53%，达到了节能减排的目的。

1.4本章小结

这一章的内容主要是介绍了汽车空调的发展历程，并说明了汽车空调的作用以及工作过程，也对汽车空调压缩机各种类型进行了介绍，解释了我们选取活塞式压缩机的原因。最后详细地描述了活塞式汽车空调压缩机的结构与工作原理，还介绍了国内外团队关于汽车空调压缩机节能减排以及轻量化的研究。

第2章 活塞式压缩机缸体的设计方案

缸体是汽车空调压缩机的关键零部件之一。缸体为了满足摩擦工况的需要，需要一定的耐磨性，耐烧性和耐腐蚀性；同时为了能够承受压缩室内的高压气体和螺钉扭力，还应当具有足够的强度。

2.1活塞式压缩机缸体材料的选定

对于大多数的汽车空调压缩机，大多是采用铸铁铸造成缸体^[10]材料虽然能够满足使用要求，但是其铸造成型的缸体质量大。所以为了汽车轻量化需要采用其他材料进行设计，可以用来实现汽车轻量化的材料有两种：一种是高强度的材料，比如高强度钢：另一种就是轻质材料，有镁合金，塑料，复合材料和铝合金等^[11]。

高强度钢应用的品种有许多。高强度IF钢主要在汽车外壳上得到应用，BH钢则主要应用于车身外覆盖件，DP钢可以用来制造保险杠、车轮等零件。保险杠等安全零件还可以采用CP钢。M钢的在汽车上的应用主要是为了减小成本，比如用其他零件来代替管状零件。

塑料是将合成树脂和一些添加剂混合在一起，在一定要求的工况下，利用仪器将其塑造形成所需的各种形状的高分子材料。现在，塑料在汽车上的运用越来越多，并不仅仅局限于汽车的内饰和外饰上，还有在汽车车身和发动机上的运用。

复合材料则是由金属材料、高分子材料或者陶瓷材料等两种或两种以上的材料通过复合工艺制备的多相材料。它能够根据需求将各种材料的性能进行取长补短，因此具备比原有材料更加优秀的性能。复合材料在汽车上的运用主要是汽车的结构件和覆盖件上。

铝合金的密度小，为2.7g/cm³。铝的耐腐蚀性能好是因为其表面能够形成一层致密的氧化膜。铝的熔点低，还可以根据需求制成各种所需要形状的零件，因此具备优秀的铸造性能。铝合金是在铝中加入一种或多种所需要的元素构成的。它具备良好的塑性性能，强度也比较高，接近或者超过优质钢。铝合金是应用比较早并且随着技术的发展日渐成熟的轻量化材料，它在汽车上的使用量如今呈现出持续增长的趋势。根据国际铝协统计，自从1990年以来，铝合金在汽车中的使用已经翻了一番，在轻型车上的应用则已经增长了两倍^[12]。铝合金应用在汽车上不仅可以达到轻量化和节能减排的目的，而且铝合金零件的回收利用率高。

镁相对于铝比较轻，密度仅为1.74g/cm³是铝的2/3，钢的2/9，可以说是汽车应用上最轻的金属材料了。应用镁合金进行轻量化，汽车的质量比采用铝合金进行轻量化还要低上15%左右^[13]。但是镁合金的价格昂贵，经济性不好，而且对于应力集中也敏感，安全性也不好，它还不能进行废料回收再利用，因此镁合金不适合作为汽车轻量化的材料。

综合以上所有材料的性能进行比较，复合材料、塑料和高强度钢不适合应用于压缩机缸体。镁合金虽然比铝合金轻，但是其制造成本比高，因此最终采用铝合金作为所设计的活塞式压缩机缸体的材料。

2.2初始条件

设空气进入压缩机的状态为p₁=0.1MPa，t₁=20℃，在压缩机内定熵压缩到p₂=0.5MPa,随后进入冷却器，空气离开冷却器时的温度为t₃=30℃，低温热源温度t_c=20℃，将空气视为定比热容的理想气体，定熵指数=1.4。

2.2.1初步计算

T₁=T_c=293.15K

T₃=T₀=303.15K

故压缩比为

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

压缩机耗功为

(2.5)

膨胀机耗功为

(2.6)

空气在冷却器中的放热量为

(2.7)

每千克空气的制冷量为

(2.8)

循环的净功为

(2.9)

故循环的制冷系数为

(2.10)

2.2.2变比热容时计算

将制冷循环中的空气视为变比热容时，进行计算。

1-2定熵压缩过程

当T₁=293.15K时，查工程热力学第五版附表7空气热力性质表

于是 (2.11)

根据在同一表中查得

压缩机耗功为

(2.12)

2-3定压降温过程

由空气热力性质表查得

空气在冷却器中的放热量为

(2.13)

3-4定熵膨胀过程

当T₃=303.15K时，查空气热力性质表

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