高压空气压缩机的轻量化设计

摘要

汽车作为人们日常生活中的主要交通工具，在为我们带来便利的同时，也加剧了对能源的消耗，更成为了危害环境的主要污染源，为应对现状，世界各国关于汽车制动能回收技术的研究不断涌现出来。汽车制动能回收的方式多种多样，汽车制动能回收技术是将汽车制动过程中产生的制动能转化为电能或机械能储存，其方式多种多样，空气压缩机作为制动能回收的新型方式是近年来研究的热点，该技术中高压空气压缩机是至关重要的一个环节，压缩机的各项性能指标会直接影响制动能回收的效果。随着汽车能源再利用技术的发展，更加体现出研发高压空气压缩机的重要性和必要性。近些年长期存在汽车制动能回收技术落后于汽车行业发展的现状有了较大的改善，与此同时一种新型轻量化的高压斜盘式空气压缩机系统应运而生，该系统稳定可控，且可满足超高压、轻量化的要求。　　压缩机作为新型储能元件，应用在汽车制动能回收再利用系统的混合动力汽车上，本文以传统压缩机的工作原理为基础，采用双侧气缸布置方案且气缸直径逐渐减小的多级压缩方式，配合分级冷却的方式展开。主要研究工作如下：　　（1）对高压斜盘式空气压缩机的性能分析。主要包括热力学、运动学和动力学三个方面。从气缸内气体状态着手分析，对压缩机热力学研究，利用龙格库塔法分析法确定了温度、压强等关键参数。为了深入了解高压斜盘式压缩机的性能，对其运动学和动力学分析，明确了速度、柱塞力和动不平衡量等重要参数，利用MATLAB完成压缩机上述参数的优化，确定最优运动和力学状态。　　（2）对轻量化的高气压斜盘式压缩机的总体结构进行三维研究与设计。在初步确定压缩机的构型采用斜盘式、气缸布置方式为双侧五列十缸的方案后，进一步确定轻量化的高压压缩机的斜盘转角、气缸直径等主要结构参数。在此基础上主要从材质的选择、结构的优化两方面对压缩机进行三维设计，包括外箱体、压缩旋转部分、柱塞、阀体四部分的轻量化创新设计。在满足刚度、温度等指标下总重量减轻15%以上，并通过仿真分析以验证结构和选材的合理性。　　（3）对多级压缩产生的热量问题配合分级冷却系统进行设计。为轻量化传统多管路冷却，创新性地将每级冷却过程在同一个安装单片阀的冷却管路，确定了冷却管路的直径、长度等各项参数，再利用ANSYS进行实验仿真验证经冷却后气体最终排气温度处于温度标准的极限范围内，相比其他冷却方式时间更短，冷却效率高。　　仿真分析表明，整个设计过程和结构的研究都是正确合理的，可以满足技术标准的要求，该设计和分析也能够为以后压缩机的制造和在汽车制动能回收上的应用提供技术支持。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内发展现状

1.3 国外发展现状

1.4 研究内容和关键技术

1.5 本章小结

2 高压斜盘式空气压缩机的理论基础

2.1 压缩机类型和结构选择

2.1.1 斜盘式压缩机种类、特点及应用场合

2.1.2 斜盘式压缩机的高气压设计中气缸布置方案

2.2 高压斜盘式压缩机工作机理分析

2.3 高压斜盘式空气压缩机增压和压力比的分配

2.3.1 单级压缩与多级压缩两种增压方式的特点及应用场合

2.3.2 多级压缩增压方式的压力分配

2.4 本章小结

3 高压斜盘式压缩机的性能分析

3.1 高压斜盘式压缩机热力学分析

3.1.1 工作循环过程热力学分析

3.1.2 排气温度评估

3.2 高压斜盘式空气压缩机运动学分析

3.2.1 主轴与斜盘之间运动的几何关系

3.2.2 柱塞的运动学参数的确定

3.2.3 基于MATLAB下的各运动学参数分析

3.2.4 柱塞与斜盘接触点的运动

3.2.5 各级气缸内压强分析

3.3 高压的斜盘式空气压缩机的动力学分析

3.3.1 柱塞的受力分析

3.3.2 活塞的质量对压缩机动平衡的影响

3.4 本章小结

4 轻量化的高压空气压缩机方案设计

4.1 压缩机主要结构参数确定

4.1.1 压缩机中斜盘倾角的确定

4.1.2 压缩机的转速确定

4.1.3 压缩机各级工作容积和活塞直径的确定

4.2 轻量化的高压空气压缩机总体设计

4.3 压缩机的关键零部件结构设计

4.3.1 旋转和压缩部分设计

4.3.2 柱塞组件设计

4.3.3 气阀和阀体设计

4.3.4 外箱体设计

4.4 本章小结

5 高压空气压缩机的高效级间冷却级管路设计与仿真

5.1 冷却管路布置原则

5.2 新型冷却管路设计方案

5.3 冷却管路模型求解与仿真

5.3.1 数学模型建立

5.3.2 分级冷却中冷却管路仿真分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、攻读硕士期间的学术论文及研究成果

个人简历

攻读硕士期间的学术论文及研究成果