双动力源车用空调压缩机传动系统研究

赵强 李胜 徐善勇 刘大维

摘要：为解决传统车用空调压缩机动力源单一的问题，本文设计了一款基于行星齿轮机构的双动力源车用空调压缩机传动系统。详述了双动力源车用空调压缩机传动系统的工作原理，完成了双动力源车用空调压缩机传动系統的参数匹配设计，同时采用机械多体动力学仿真软件ADAMS，对双动力源车用空调压缩机传动系统的工作性能进行分析。分析结果表明，双动力源车用空调压缩机传动系统在发动机熄火状态下，电动机作为空调压缩机的动力源可单独带动空调压缩机完成制冷工作;在发动机工作状态下，对电动机进行适当的控制并通过行星齿轮机构的耦合调速作用可使空调压缩机能够根据制冷需求调节制冷量。该系统的工作状态与预期设想相吻合，达到了双动力源车用空调压缩机传动系统的设计要求与目的。该研究具有实际应用意义。

关键词：双动力源; 涡旋式压缩机; 行星齿轮机构; ADAMS分析

汽车空调可以将车厢内的温度、湿度、空气清洁度控制在最佳状态，为驾驶员提供良好的驾驶条件，以确保安全行车，同时为乘客提供舒适的乘车环境，减少旅途疲劳[1]。空调压缩机在整个制冷循环过程中起着压缩和输送制冷剂蒸汽的作用，是汽车空调制冷系统的心脏[2]。然而传统汽车空调压缩机的动力源为汽车发动机，因此当汽车发动机停机时，汽车空调压缩机会因失去动力而无法工作[3]。其次，若汽车驾驶员在驻车过程中对汽车空调有制冷要求，此时若以汽车发动机怠速运转的方式为汽车空调压缩机提供动力，汽车空调的制冷量很难满足用户需求，并且汽车发动机怠速运转会产生一定的燃油消耗[4]。另外传统汽车空调压缩机的转速与汽车发动机的转速成正比，因此当汽车发动机在较大转速范围内变化时，汽车空调压缩机的转速会随之变化，那么汽车空调的制冷量会变得很难控制，制冷效率也会下降[5-7]。为实现汽车发动机停机时汽车空调的正常运转，冯炜等人[8]提出一种基于双离合器机构的车载空调压缩机双动力驱动装置;弓剑等人[9-10]提出一种热/电双驱动汽车压缩机结构，并通过双驱动汽车压缩机样机试验为实车应用提供了试验数据。上述两种设计方案可在汽车发动机停机时将汽车空调压缩机的驱动模式由汽车发动机驱动切换至电机驱动，从而解决汽车空调压缩机因发动机停机而停止工作的问题，但两者并未考虑汽车空调压缩机如何在汽车发动机工作过程中主动调节制冷量的问题。基于此，本文提出了一种双动力源车用空调压缩机传动系统，解决压缩机因动力源单一而导致在发动机熄火时无法正常工作的问题，并改善了工作过程中无法根据驾驶员的舒适性要求与汽车实时工况对制冷量进行主动调节的问题。该研究具有实际应用价值。

1 双动力源车用空调压缩机结构及工作原理

双动力源车用空调压缩机传动系统总体结构如图1所示。该结构主要由压缩机皮带轮、单结合位置式电磁离合器、行星齿轮机构、电动机、涡旋式压缩机及控制单元等组成。其中，空调压缩机皮带轮通过发动机附件皮带与发动机附件皮带轮相连，皮带轮后端为电磁离合器的主动盘;电磁离合器的从动盘与行星齿轮机构的行星架相连;行星齿轮机构的太阳轮与电动机相连，电动机为空心轴电动机，电动机空套在行星齿轮机构行星架的输入轴上实现同轴布置;行星齿轮机构的齿圈与压缩机的输入端相连。

由图1可以看出，当汽车发动机处于停机状态时，汽车空调控制单元控制电磁离合器结合，同时控制电动机启动;行星齿轮机构行星架经电磁离合器、压缩机皮带轮、发动机附件皮带与发动机附件皮带轮连接，由于等效到行星架上发动机的锁止转矩远大于使空调压缩机工作时等效到行星架上的起动转矩，因此看作行星齿轮机构行星架与发动机均处于停机锁止状态;汽车空调压缩机的转速与电动机转子的转速成比例，比例由行星齿轮机构此时的传动比决定。因此，当汽车发动机处于停机状态时，汽车空调压缩机仅由电动机单独驱动，以保证汽车空调压缩机在发动机停机时可以正常工作。

由图1还可以看出，当汽车发动机处于工作状态时，汽车空调控制单元控制电磁离合器结合，同时控制电动机启动;行星齿轮机构行星架经电磁离合器、皮带轮、发动机附件皮带与发动机附件皮带轮连接，行星齿轮机构行星架的转速与发动机的转速成正比，其值为汽车发动机附件皮带轮与汽车空调压缩机皮带轮的直径比;行星齿轮机构的太阳轮与电动机相连，二者转速相同。汽车空调控制单元进行汽车空调压缩机目标工作性能参数的计算，即根据驾驶员的舒适性要求（汽车空调压缩机转速的期望值）与汽车发动机的实时工况（发动机实际输出转速），调节电动机的转速，以获取行星齿轮机构齿圈（汽车空调压缩机）的目标工作转速。因此，当汽车发动机处于工作状态时，汽车空调压缩机由汽车发动机和电动机共同驱动，行星齿轮机构通过耦合汽车发动机与电动机两者的转速，输出空调压缩机的目标转速，以实现汽车空调压缩机制冷量的调节。

2 双动力源车用空调压缩机传动系统参数匹配设计

2.1 涡旋式压缩机工作性能参数

本设计所选用的压缩机为涡旋式压缩机，其体积和质量相对较小，可使总体结构更加紧凑[11-16]。依据在特定工况下（吸气压力0.28 MPa，排气压力1.6 MPa，过热度5 ℃，过冷度10 ℃）对所选涡旋式压缩机进行测试所获得的实验数据，得到压缩机的制冷量与功耗的性能曲线。同时，由公式T=9 550P/n可得压缩机工作负载转矩随转速的变化曲线，可知该涡旋式压缩机工作负载转矩约为4 N·m。涡旋式压缩机实验数据如表1所示。涡旋式压缩机制冷量与功耗曲线如图2所示，涡旋式压缩机工作负载转矩曲线如图3所示。

2.2 电磁离合器性能参数

本设计所选用的电磁离合器为单结合位置式离合器，用于通断发动机的动力传递，电磁离合器主要性能参数如表2所示。

2.3 行星齿轮机构结构参数

综合考虑配备双动力源车用空调压缩机传动系统的某商用车型的安装空间及行星齿轮机构的结构强度，行星齿轮机构各齿轮参数如表3所示。