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汽车研发:空调压缩机的分类及设计!
文章转载自微信号：汽车大漫谈(ID:gh_30852458f08a)
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汽车空调压缩机的分类及设计
相对于汽车行业的发展，空调的发展相对滞后，作为空调设备的核心部件当属压缩机。压缩机的性能和使用寿命直接影响到空调设备的性能和使用寿命。伴随人们日益增长的物质化需求，在短短百余年间汽车空调压缩机技术不断革新，相关专利也层出不穷。
一、汽车空调压缩机简介
汽车空调压缩机是汽车空调制冷系统的心脏，起着压缩和输送制冷剂蒸汽的作用。在汽车空调的运行中有着十分重要的地位。
汽车压缩机的作用是将从蒸发器出来的低温、低压的气态制冷剂通过压缩转变为高温、高压的气态制冷剂，并将其送入冷凝器。
汽车空调压缩机内部设计有汽缸，汽缸上有由薄钢片制成的单向阀，并用冷冻油密封。平时发动机转动时压缩机不做功，只有在开启空调机时电磁离合器才把压缩机与皮带轮吸合，气缸压缩制冷剂循环工作。
二、汽车空调压缩机的分类
压缩机分为不可变排量和可变排量两种。根据工作原理的不同，空调压缩机可以分为定排量压缩机和变排量压缩机。
定排量压缩机的排气量是随着发动机的转速的提高而成比例的提高，它不能根据制冷的需求而自动改变功率输出，而且对发动机油耗的影响比较大。
变排量压缩机可以根据设定的温度自动调节功率输出。空调控制系统不采集蒸发器出风口的温度信号，而是根据空调管路内压力的变化信号控制压缩机的压缩比来自动调节出风口温度。
另一方面根据工作方式的不同，压缩机一般可以分为往复式和旋转式，常见的往复式压缩机有曲轴连杆式和轴向活塞式，常见的旋转式压缩机有旋转叶片式和涡旋式。
这种压缩机的工作过程可以分为4个，即压缩、排气、膨胀、吸气。曲轴旋转时，通过连杆带动活塞往复运动，由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面构成的工作容积便会发生周期性变化，从而在制冷系统中起到压缩和输送制冷剂的作用。
但由于其无法实现较高转速，机器大而重，不容易实现轻量化；排气不连续，气流容易出现波动，而且工作时有较大的振动，已经很少有小排量压缩机采用这种结构形式，曲轴连杆式压缩机目前大多应用在客车和卡车的大排量空调系统中。
轴向活塞式压缩机可以称为第2代压缩机，常见的有摇板式或斜板式压缩机，这是汽车空调压缩机中的主流产品。
斜板式压缩机的主要部件是主轴和斜板。各气缸以压缩机主轴为中心圆周布置，活塞运动方向与压缩机的主轴平行。
斜板式压缩机比较容易实现小型化和轻量化，而且可以实现高转速工作。它的结构紧凑，效率高，性能可靠，在实现了可变排量控制之后，目前广泛应用于汽车空调。
旋转叶片式压缩机的气缸形状有圆形和椭圆形2种。在圆形气缸中，转子的主轴与气缸的圆心有一个偏，合距，使转子紧贴在气缸内表面的吸、排气孔之间。在椭圆形气缸中，转子的主轴和椭圆中心重合。
作为第3代压缩机，由于旋转叶片式压缩机的体积和重量可以做到很小，易于在狭小的发动机舱内进行布置，加之噪声和振动小以及容积效率高等优点，在汽车空调系统中也得到了一定的应用。但是旋转叶片式压缩机对加工精度要求很高，制造成本较高。
涡旋式压缩机可以称为第4代压缩机。涡旋压缩机结构主要分为动静式和双公转式两种。涡旋式压缩机以其结构紧凑、高效节能、微振低噪以及工作可靠性等优点，在小型制冷领域获得越来越广泛的应用，也因此成为压缩机技术发展的主要方向之一。
下表为各代压缩机的比较：
前两代压缩机的转速受到自身的设计所限制，在应用中无法实现高速运转和持续续航；第三代产品虽然解决了转速问题，但是产生了高额造价和成本；第四代压缩机虽然解决了上述问题，但随着新时代环保要求和效能的需求不断提升，第四代压缩机中的技术创新一直在不断进行。
三、汽车空调压缩机的设计
对汽车空调压缩机有了一定了解之后，让我们来看看空调压缩机常见、易出现的问题以及相应的优化设计方法。
对于整个汽车空调的运行系统来讲，空调压缩机的活塞性能和工况发挥着重要的作用，因此在在设计制造活塞以及处理汽车空调中出现的故障时，首先要熟悉掌握空调压缩机的活塞工作原理，然后才能确保制作质量以及保证故障处理效果。
活塞运转速度非常快，通常会以循环往复的方式进行运转，运转过程中还要承受非常大的机械和温度负荷。由于不同活塞的材料不同，所处位置也不一样，因此温度敏感度也不一样，因此外对活塞产生影响的还有活塞零部件的工作能力和工作条件等。
在设计制造活塞零部件时，需要充分的考虑活塞的结构以及配套零部件的影响。避免活塞的运动受到相关因素的影响。由于活塞和连杆是由活塞销连接起来的，因此活塞的转动过程中，活塞销会受到非常大的温度和机械负荷。因此厂家应该尤其重视活塞销的材料选择和设计。当前的活塞设计通常以组合式为主，这种方法结合了现代化活塞的理念，优化和改进了活塞运行过程中的受力结构，并使其受热结构得到有效改善。
此外，活塞的材料应该选择质量比较轻、强度比较高的，这样可以有效增长活塞的寿命。活塞材料应该选择热膨胀系数比较小的以及形变较小的。并且尽量提高材料的热强度和减魔性。这样可以保证活塞和耦合件之间保持最小的间隙，以减少摩擦带来的热量。
引起压缩机异响的原因很多。例如压缩机电磁离合器损坏，或压缩机内部磨损严重等均可产生异响。
1）压缩机电磁离合器是出现异响的常见部位
压缩机经常在高负荷下从低速到高速变速运转，所以对电磁离合器的要求很高，而且电磁离合器的安装位置一般离地面较近，经常会接触到雨水和泥土，当电磁离合器内的轴承损坏时就会产生异响。
2）除了电磁离合器自身的问题，压缩机传动胶带的松紧度也直接影响着电磁离合器的寿命。
传动胶带过松，电磁离合器就容易出现打滑；传动胶带过紧，电磁离合器上的负荷就会增加。传动胶带松紧度不当时，轻则会引起压缩机不工作，重则会引起压缩机的损坏。当传动胶带工作时，如果压缩机带轮以及发电机带轮不在同一个平面内，就会降低传动胶带或压缩机的寿命。
3）电磁离合器的反复吸合也会造成压缩机出现异响
例如发电机的发电量不足，空调系统压力过高，或者发动机负荷过大，这些都会造成电磁离合器的反复吸合。
4）电磁离合器与压缩机安装面之间应该有一定的间隙
如果间隙过大，那么冲击也会增大，如果间隙过小，电磁离合器工作时就会与压缩机安装面之间产生运动干涉，这也是产生异响的一个常见原因。
5）压缩机工作时需要可靠的润滑
当压缩机缺少润滑油，或者润滑油使用不当时，压缩机内部就会产生严重异响，甚至造成压缩机的磨损报废。
新能源电动汽车已进入快速发展通道，逐步成为汽车行业未来发展热点。空调系统是汽车的重要组成部分，与传统汽车空调系统相比，电动汽车空调需要进行重新设计开发，尤其是压缩机。
目前，电动汽车空调压缩机产品主要型式为涡旋式，使用的制冷剂为Ｒ134ａ，Ｒ407Ｃ和二氧化碳等。电动汽车空调用制冷压缩机产品的设计、研发与生产技术已趋于成熟，成功实现市场化。
就电动汽车空调压缩机单体而言，当前技术研发的重点涉及热泵压缩机应用技术（尤其是低环境温度制热技术）、泵体优化设计、电机优化以及系统集成应用等关键技术，在压缩机（总成）产品与整车安全兼容、产品（含驱动控制器）电气安全、电磁兼容等方面的研究也是持续的热点，目的在于进一步提高压缩机的性能及可靠性。
根据权威机构分析，目前国内每年申请汽车空调压缩机的专利量可达千余件，可以通过审核的相关专利技术寥寥无几，通过专利复合批准的相关专利能够迅速投入市场，应用在行业领域内的更是少之又少，多半专利技术通过购买或者引进国外相关技术为多。而国外相关专利技术从申请，批准到投入市场相对较多，不排除期间存在推广、宣传的差异，同时存在研发角度，革新思路的差距。
如何在汽车空调压缩机方面获得更多的进展，将在汽车空调技术的发展中起到关键性作用。