汽車空調壓縮機的機構模擬

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汽車空調壓縮機的機構模擬

2011 / 07 / 13

車輛研究測試中心工程分析中心 / 黃偉智

隨著人們對汽車舒適性的要求越來越高，各種新式空調系統不斷出現，同時推動了空調壓縮機製造技術的不斷進步。車用空調如圖一所示，主要由壓縮機、冷凝器、蒸發器、四通閥四大關鍵部件組成，而在這四大主要部件中，又以壓縮機最為重要。

資料來源 : http://www.staycoolwrexham.co.uk/howacworks.html

圖一. 車用空調系統示意圖

壓縮機是空調器制冷系統的動力核心，它可進行如圖二所示，將吸入的低溫、低壓之制冷劑蒸氣，通過壓縮提高溫度和壓力，配合車用冷媒的作用，並通過熱功轉換達到冷卻的目的。

圖二. 壓縮機整個行程的壓力-體積對應關係

壓縮機為高速運轉之構件，雖然故障出現不一定會直接導致行駛安全的事故，但故障出現導致功能喪失的比例也很高，而故障事故的發生通常和設計不良有關。主要常見的故障現象包含出現異音及洩漏，產生異音的原因為電磁離合器因轉速變化過快使軸承損壞，或傳動履帶鬆脫所導致，另外洩漏也是空調失效的常見問題，通常伴隨壓縮機潤滑油流失，而出現異常之磨損，將進一步造成使用壽命之降低。

壓縮機內部結構如設計合理，則能使運作過程之噪音低、振動小，能耗也降低，大幅提升空調壓縮機的壽命，反之若設計不當，則容易衍生各種問題，增加使用的成本。一般而言，目前市面上的壓縮機可分為往複式和旋轉式二種，常見的往複式壓縮機有曲軸連桿式和軸向活塞式，而常見的旋轉式壓縮機有旋轉葉片式和渦旋式。

其中曲軸連桿式和軸向活塞式為目前常用的形式，有其設計及使用上的優點，一般而言，曲軸連桿式之技術較為成熟，且結構簡單維修容易，缺點為轉速較難提高，且通常整個壓縮機的體積較大，難減重，應用上較偏向大型車輛。軸向活塞式壓縮機較能實行減重、高轉速及輕量化，但後續拆檢及維修相較於曲軸連桿式壓縮機較為不容易，於目前各式小型車輛上常見此種機構的使用。雖然二者同為往覆式機構，但曲軸連桿式之驅動主軸和活塞運動方向垂直，而軸向活塞式乃以一斜盤機構，藉由旋轉的方式使行星盤產生上下之軸向運動，其主軸方向和活塞運動方向平行，乃其特點。

圖三為曲軸連桿式之機構以某一常見之定轉速下之機構模擬示意圖，可以清楚理解該機構之運作原理，圖四為圖三中曲柄連桿之某端點反力-時間歷時圖，藉由本受力曲線的獲得，可得圖五所示構件之應力歷時曲線，而可以進一步求算該構件之疲勞性能，再配合如圖六及圖七所示，各曲柄連桿機構之曲柄及活塞之加速度-時間歷時圖，以及曲柄連桿機構之系統動能時間歷時圖，則可以事先得知該系統運作時之動力特性，以及能耗之大小。

圖八為軸向活塞式之機構以某一常見之定轉速下之機構模擬示意圖，圖九為圖八中某連桿之端點反力-時間歷時圖，同樣的藉由本受力曲線的獲得，可得知各該構件之疲勞性能，以確認是否有更改設計或材質等之需要，再配合如圖十及圖十一所示之各活塞加速度-時間歷時圖，以及該機構某連桿及活塞之動能-時間歷時圖，同樣的可以得知該系統運作時之動力特性，以及能耗之大小，方便設計者評估此系統運行的效率，以及是否有必要藉由調整設計以輸出更合適的功率。

透過電腦輔助虛擬分析，可分析曲軸連桿式以及軸向活塞式壓縮機之機構運動，能求得各構件的動態行為，以及結合點之端點受力狀態，適合評估壓縮機的運動狀態、能耗及是否有潛在的疲勞問題。可有效協助業者於開發初期，確認各相關構件是否配置正常，以及達到省料減重的功能，並能於設計開發之初，通過此手法得知系統特性，快速進行諸如構件尺寸及履帶匹配等之調整，以確實提升產品的性能，而透過此合理化的設計，能改善或減輕以上所提及的壓縮機故障現象。