汽车制动空压机微振动的研究

江新军，冯杰

(台州中际汽车零部件有限公司，浙江临海317000)

0 引言

在汽车 (制动)空压机行业，我国至今还没有国家标准。现行的行业推荐标准QC/T 29078-92［1］与国际标准相比，差距甚大。另外，在理论与标准、标准和实际的比较中，振动、容积效率 (充气系数ηv)、噪声控制等指标，差距亦甚大。理论、标准、实际之间的不对应性，不利于产品技术的进步。本文作者以微振动领域的角度，对汽车空压机的若干技术进行透视、分析，探讨产品技术 (容积效率)进步的可能性。

1 汽车空压机的微振动现象

1.1 噪声与微振动

噪声产生声波，对舌簧阀片闭合有一定的影响，可能共鸣，可能振动传递，影响了充气系数。当转速2 500 r/min以上时，噪振声混合明显，相对波长较短，频率高，传递快。机内阀片，特别是舌簧阀片，其自身结构就是音频簧片的引用。他们在工作时既会各自产生声音，又会相互传递声波，产生微波动，从微观角度，影响了闭合。

噪声或微振动的发生，源于气体的压缩运动和进、排气时气流的声音和振动，源于机械动力的转动或润滑不足发生的声音和振动。通过声波和其他振动频率相互干涉，对缸体材料自身产生微颤动。振动和气动速度的不一致性、运动方向的不协调性，导至了阀片受力时而相向，时而反向，影响了充气效率。

噪声不仅影响产品性能，而且对作业人员也有不利的影响。据报道，噪声通过耳感进入大脑，使之反应迟钝，偶有惊讶感或误操作;容易使作业人员疲倦，从而影响了作业质量，产生安全隐患。

实践证明，噪声声级与功率成正比。功率与压力成正比。但功率与压力并非越大越好。在同样功率下，压力过大排气量下降［2］，压缩消耗多。在同样压力下，比功率过大容积效率下降［1］。

根据GB/T 13928［3］的规定，设计产品振动烈度须小于45 mm/s。设计时，除在行程、缸径、轴跳动等方面予以烈度控制外，有条件时，还要针对舌簧阀片有贯性自振和消音难的特性，在波长 (阀片厚度不一定是均一的)、形状和区间振频等方面予以进一步设计，从频率的角度，处理噪声和微振动的关系。用适度的行程来调整频率和相对波长。

1.2 容积效率 (充气系数ηv)所揭示的微振动

在国内汽车行业推荐标准QC/T 29078-92［1］中，充气系数ηv规定为33% ～47%。在国际标准中，也均在60%以下。由于汽车空压机密封性很好，气“消耗”并未跑到机外。由此推断，有一半以上的气体没有按设计的路径运动，或是做了一个循环动作。因此，将研究的重点集中在阀片和阀门上。

阀片与阀门之间的闭合度，是一个难以观测的节点。空压机工作时，不少产品的转速n≥3 000 r/min，机内气压已达1.2 MPa以上。但目前，空压机内各种阀片与阀门接触面均光滑平整，看似闭合无缝。从显微的角度来看，正是这种光滑平整，加之微波微振的渗透，给高压的气旋和脉动的气流留下了迂回的缝隙或间歇性的扁平通道。

功率、振动、压力、效率与排气量之间有其必然的协调需求和最佳关系点。从GB/T 13928［3］的表1，3，4中可见，适中的功率和适中的压力设计，能产生较高的容积效率和最大的排气量。最佳的组配性能往往振动烈度亦较低。除非产品对压力指标有技术上的另外要求。

各种阀片与阀门的接触表面是闭合技术的难点，它们的接触是舜间的。但多方向多种力在此汇合，气流快，微振动摩擦程度高，在高温、高压、高频、高振和不恒定的工况下解决闭合问题，从实用的角度看，只能是一个区间。舜间的协调，需要精准的计算而不能忽视。但必须且只能确定一个额定区间。只有这样，才能在材质上、在接触面上、在整机结构上找出解决方案，明显地提高容积效率 (充气系数ηv)。

德美系部分机型阀门周边设圈，在接触时能增加压强，是一种进步。缺点是一旦有空气杂质或内部油雾污点相黏，会影响闭合效果。作者在返修机解剖时见到了这种情况，进气阀犹为明显。阀片和阀门的平面处理，既要考虑高温拍打振动的因素，又要考虑舜间闭合的需求，阻止或减少气体直接回流。曲折相间的磨砂结构，虽然增加了接触面积，但目前仍受制于材料性能。

1.3 微振动的频变

从力学的角度，弹性和惯性是振动的前提。汽车制动空气压缩机的微振动概念，有其复合性，是阻尼振动。非单纯的机械微振，有声波和共鸣、互振的组合成分。在其往复式活塞结构不难发现，排气过程是非匀速、非等压的运动过程，因此，推断既有纵波又有横波现象。

但空压机工作时的微振动，较多产生于气流和转子或活动部件的动平衡上，气流可产生脉动、涡流，转子不平衡可产生受迫振动。材料和结构的固有频率，因外力的策动，会产生差异性的振动频率和变化。润滑不足，或机内部件在装配的过程中，有细微的不均称的偏心和间歇频率也极易产生微振的频变。

微振动是一种力，是一种渗透力。它的主要传递形式为波，通过介质使物体产生细微位移或振动。弹性、颤动、惯性、振震，都会助推微振波的产生。

为提高产品的性能，有必要对样机进行频谱分析，系统地调整公差标准，但并非公差越小越好。在结构上解决节点问题，在材料上解决组配问题，提高振动烈度标准要求［3］。

要重视振动频率对汽车制动用空压机性能的影响程度。振动也会耗能，从而影响容积效能。水波演示槽实验表明，在一定的转速区间，振动频率的影响程度明显 (因机种不同和安装方法不同会有区别，实验时发现在2 300～2 700 r/min区间影响尤为明显)。目前，振动烈度尚未引入汽车空压机必检的技术指标。振动烈度未端也是产生微振的根源。

微振动应对措施:设计时，对振波强度要相消干涉，以频调波，以缓冲控制微动振。间隙大小可能与振波振频高低有关，为防止微共振，机内转动间隙不能设计为相同而应略有差异。部分机型的层材料，如导流板，在不影响原有性能的前提下，是否寻找采用相对减振、消波、低频的非金属材料，值得研究。

在空压机研发时，要借助频谱分析，研究空压机振动的频变现象。

频变振动也有最佳频率区间。

2 汽车空压机容积效率 (充气系数ηv)提升的方法或途径

2.1 微振动的平衡

要校验好运动件的动平衡与静平衡，否则会造成先天性的振动因素，包括整机加固垫软措施的平衡。侧固定式立式空压机的悬挂式安装，工作起来整机最容易产生大振动烈度，建议在另一端安装防振支架减振。

目前，汽车制动空压机一般不进行平衡机检定。各种活动件的设计间隙，差异亦很大。最小为0.005 mm(活塞销与活塞)，最大为0.6 mm(轴向)，各间隙之间 (即间隙系统)也存在力平衡问题，在材料组配适当的条件下，若间隙力不平衡，间隙差异在磨损后迅速增大。实践证明，整机性能是环环相扣的，平衡能大大地减少间隙磨损。为提升空压机的性能，建议增加平衡检验环节。

锻造的曲轴，经精车和钻油孔后，要用平衡机检定或调整轴转子的质量分布 (见 GB/T 6444-1995中 6.8，7.9，7.24)［4］，确定所有转动件都是最佳转动公差间隙和平衡状态，以减少机械振动。空压机的单缸和双缸在结构平衡上有区别。曲轴平衡块是调节转动平衡的重要手段，不但要进行精确预计算，还要进行模拟实验。单轴双缸的结构设计，使压缩机气体流量在额定转速一定时为单缸的两倍，而且在振动噪声控制上得到很好的控制。在满足容积效率的前提下，若工作振动最小，往往是运动部件的最平衡配置 (见 GB/T 6444-1995中6.1)［4］。

2.2 微振动的测量和频谱分析

目前，汽车空压机一般不进行测振仪检测，除非有客户要求或高端产品需要。简便而经济的测量产品微观情况的测量方法是使用测振仪，通过测量便可知道空压机的振动位移、速率(烈度)和加速度三参数［5］。要求谱线干净，边频少，参数选择符合 ISO10816-3［6］的规定。

机械波 (声波属机械波)的频率由振动源决定，不因介质改变而改变。其传播速度由媒质决定。空压机声波的传播经油、水、铁、空气四种媒质。从声波频率可以判定物体振动的频率。获取、通过机械波波形曲线，可以了解到波的振幅、波长、振动位移、备质点振动加速度的测方向。通过频谱分析，对照产品技术标准，便可确定产品所处的状态和对应的改进措施。排气阀片固有频率值偏高，有利于保证压缩比。进气阀片固有频率值偏低，有利于吸气过程和防止进排气阀片共鸣而影响寿命。

建议将频谱分析的方法和频率指数写入企业技术标准中的试验方法条款，以指导产品微振动状态的持续改进。振动的利用只能在某些区间做实验，利用某些振动的原理，实现以最小的力 (压缩力)获取阀片最大的振幅 (开启量)的目的。

2.3 压力比的改变

空压机的排气效率是由压力比决定的。进气压力通过活塞运动来改变压力比，实现排气。就空压机而言，改变压力比的途径首先是进气空间、排气空间和压力之比。在满足一定的配套指标下，进气孔要大于排气孔。如本公司的CK152双缸机型有三个进气孔，CK173双缸机型的舌簧阀片较长。每片长达10 cm，弹性充足。聂清风［7］对汽车空压机气阀运动规律及容积效率的有限元分析结果表明，阀片的厚薄及其接触的阀孔的形状与大小有关。在同质的情况下 (包括硬度和转速)，孔径与阀片的厚薄有最佳比例关系，频率与振幅有最佳区间与之适配。

微振动对阀片影响最直接，对压力比影响最大。阀片的大小、形状、厚度、厚薄处理又对振动的频率与振幅产生影响。上述研究还表明:阀片与其接触的阀孔的形状与大小直接影响容积效率，从波形图可知，进气阀片的启与闭瞬间微振动明显，排气阀片开启后，在限位片处微振明显［7］。

2.4 区间的意义

在不恒定的工况下解决活塞的运动、阀片与阀门的闭合和整机舜间协调的优选问题，需要精确的理论计算而不能忽视。理论方法能够解决论证问题，或理想工况下某项或点的规律问题，包括有限元方法。但至今无法直接解决实际问题。区间的意义在于，在高温、高压、高频、高振和不恒定的工况下解决舜间与协调，使气路工件得到优选的运动和闭合。在生产制造过程，区间的把关包含以下方面:(1)设计的公差;(2)转动轴的跳;(3)材质的验收;(4)功率、转速与压力的配合，要测定空压机最大容积效率时的工作转速;(5)温度和润滑等。

阀片与阀门的闭合技术，难点在于频率和微振动摩擦的控制。在高温、高压、高频、高振和不恒定的工况下解决容积效率问题，对工件的材料、运动和协调提出更加严格的要求。首先，区间指标必须靠近产品技术标准上限要求。另外，区间指标变异求小而有利于产品质量的一致性或稳定性要求。

2.5 热量的散发

汽车空压机工作时，活塞、阀片、曲轴高速运动，在气体高速摩擦和压缩的过程中产生的温度T可达773 K以上的高温区，汽缸上下温差可达473～573 K，排气遇热幅射和热扩张压力，进排气质量和温度差异大。在这样的高温区下，材料会发生微变形和烧伤，振动频率随之发生改变，影响了排气效能。因此，热量的散发非常重要。

通常的做法是通过空压机的水循环系统进行冷却 (也有风冷或增加风冷的方式)。但水比热容大，散热慢，高温下的水和氧化铁易与金属和垫片发生反应。目前，使用含有乙二醇成分的防冻冷却液来代替水冷却法，结果多数型号的空压机工作排气温度T下降了30～60 K。液体黏度适中有利于降低微振动。而原水层又有局部消音夹层作用。专用的乙二醇经适当添加改良后，沸点高，冰点低，具有冷却、防垢、防腐、防锈、消泡性和抗氧化安定性等功能，且配制方便、成本较低，符合环保要求。

有测试条件时，通过热冲击极限试验，来确定冷却方案的优化。

3 结论

(1)在排除汽车空压机安装振动的情形下，从微振动的角度，研究了汽车空压机在振动、平衡、压力比和指标区间等方面对容积效率所产生的影响，提出了解决问题的思路、依据和方法，对提升产品性能和经济指标意义重大。

(2)各类型产品的振动源和微观现象千差万别。实践中，可借助频谱仪、测振仪、平衡机等检测手段，借助ANSYS有限元分析软件，借助国内外相关技术标准，通过实际试验和实验数据进行分析，以期提升汽车空压机的容积效率 (充气系数ηv)。

(3)目前阀片研究停留在其厚薄和均匀的影响，未对同一阀片在不同厚度时的影响进行研究。片端的厚薄能调节阀片的频率、振幅、弹性等微振动的状况。定程板、阀门、阀片不是简单的平面接触。高速运动的阀片其四周与中间并非同一平面，运动过程中有多种平面状态。与阀门接触时，其中心有涡斜。

【1】中国汽车工业总公司.QC/T 29078-92汽车用空气压缩机技术条件［S］.天津:中国汽车技术研究中心标准化研究所，1992.

【2】中国工业机械联合会.GB/T 13279-2002一般用固定的往复活塞空气压缩机［S］.北京:中国标准出版社，2002.

【3】中国工业机械联合会.GB/T 13928-2002微型往复活塞空气压缩［S］.北京:中国标准出版社，2002.

【4】全国机械振动与冲击标准化技术委员会.GB/T 6444-1995机械振动 平衡术语［S］.北京:中国标准出版社，1995.

【5】蔡学煕，纪盛清.机械振动控制及利用［M］∥成大先.机械设计手册:第17篇.北京:化学工业出版社，2004:5－9;25;31－32;35;50;121－128.

【6】德国标准化学会.DIN ISO10816-3振动监测的评估标准［S］.北京:中国标准出版社，2009.

【7】聂清风.汽车空压机气阀运动规律及容积效率的研究［D］.武汉:武汉理工大学，2003.