汽車制動空壓機微振動的研究

江新軍，馮杰

(臺州中際汽車零部件有限公司，浙江臨海317000)

0 引言

在汽車 (制動)空壓機行業，我國至今還沒有國家標準。現行的行業推薦標準QC/T 29078-92［1］與國際標準相比，差距甚大。另外，在理論與標準、標準和實際的比較中，振動、容積效率 (充氣系數ηv)、噪聲控制等指標，差距亦甚大。理論、標準、實際之間的不對應性，不利于產品技術的進步。本文作者以微振動領域的角度，對汽車空壓機的若干技術進行透視、分析，探討產品技術 (容積效率)進步的可能性。

1 汽車空壓機的微振動現象

1.1 噪聲與微振動

噪聲產生聲波，對舌簧閥片閉合有一定的影響，可能共鳴，可能振動傳遞，影響了充氣系數。當轉速2 500 r/min以上時，噪振聲混合明顯，相對波長較短，頻率高，傳遞快。機內閥片，特別是舌簧閥片，其自身結構就是音頻簧片的引用。他們在工作時既會各自產生聲音，又會相互傳遞聲波，產生微波動，從微觀角度，影響了閉合。

噪聲或微振動的發生，源于氣體的壓縮運動和進、排氣時氣流的聲音和振動，源于機械動力的轉動或潤滑不足發生的聲音和振動。通過聲波和其他振動頻率相互干涉，對缸體材料自身產生微顫動。振動和氣動速度的不一致性、運動方向的不協調性，導至了閥片受力時而相向，時而反向，影響了充氣效率。

噪聲不僅影響產品性能，而且對作業人員也有不利的影響。據報道，噪聲通過耳感進入大腦，使之反應遲鈍，偶有驚訝感或誤操作;容易使作業人員疲倦，從而影響了作業質量，產生安全隱患。

實踐證明，噪聲聲級與功率成正比。功率與壓力成正比。但功率與壓力并非越大越好。在同樣功率下，壓力過大排氣量下降［2］，壓縮消耗多。在同樣壓力下，比功率過大容積效率下降［1］。

根據GB/T 13928［3］的規定，設計產品振動烈度須小于45 mm/s。設計時，除在行程、缸徑、軸跳動等方面予以烈度控制外，有條件時，還要針對舌簧閥片有貫性自振和消音難的特性，在波長 (閥片厚度不一定是均一的)、形狀和區間振頻等方面予以進一步設計，從頻率的角度，處理噪聲和微振動的關系。用適度的行程來調整頻率和相對波長。

1.2 容積效率 (充氣系數ηv)所揭示的微振動

在國內汽車行業推薦標準QC/T 29078-92［1］中，充氣系數ηv規定為33% ～47%。在國際標準中，也均在60%以下。由于汽車空壓機密封性很好，氣“消耗”并未跑到機外。由此推斷，有一半以上的氣體沒有按設計的路徑運動，或是做了一個循環動作。因此，將研究的重點集中在閥片和閥門上。

閥片與閥門之間的閉合度，是一個難以觀測的節點。空壓機工作時，不少產品的轉速n≥3 000 r/min，機內氣壓已達1.2 MPa以上。但目前，空壓機內各種閥片與閥門接觸面均光滑平整，看似閉合無縫。從顯微的角度來看，正是這種光滑平整，加之微波微振的滲透，給高壓的氣旋和脈動的氣流留下了迂回的縫隙或間歇性的扁平通道。

功率、振動、壓力、效率與排氣量之間有其必然的協調需求和最佳關系點。從GB/T 13928［3］的表1，3，4中可見，適中的功率和適中的壓力設計，能產生較高的容積效率和最大的排氣量。最佳的組配性能往往振動烈度亦較低。除非產品對壓力指標有技術上的另外要求。

各種閥片與閥門的接觸表面是閉合技術的難點，它們的接觸是舜間的。但多方向多種力在此匯合，氣流快，微振動摩擦程度高，在高溫、高壓、高頻、高振和不恒定的工況下解決閉合問題，從實用的角度看，只能是一個區間。舜間的協調，需要精準的計算而不能忽視。但必須且只能確定一個額定區間。只有這樣，才能在材質上、在接觸面上、在整機結構上找出解決方案，明顯地提高容積效率 (充氣系數ηv)。

德美系部分機型閥門周邊設圈，在接觸時能增加壓強，是一種進步。缺點是一旦有空氣雜質或內部油霧污點相黏，會影響閉合效果。作者在返修機解剖時見到了這種情況，進氣閥猶為明顯。閥片和閥門的平面處理，既要考慮高溫拍打振動的因素，又要考慮舜間閉合的需求，阻止或減少氣體直接回流。曲折相間的磨砂結構，雖然增加了接觸面積，但目前仍受制于材料性能。

1.3 微振動的頻變

從力學的角度，彈性和慣性是振動的前提。汽車制動空氣壓縮機的微振動概念，有其復合性，是阻尼振動。非單純的機械微振，有聲波和共鳴、互振的組合成分。在其往復式活塞結構不難發現，排氣過程是非勻速、非等壓的運動過程，因此，推斷既有縱波又有橫波現象。

但空壓機工作時的微振動，較多產生于氣流和轉子或活動部件的動平衡上，氣流可產生脈動、渦流，轉子不平衡可產生受迫振動。材料和結構的固有頻率，因外力的策動，會產生差異性的振動頻率和變化。潤滑不足，或機內部件在裝配的過程中，有細微的不均稱的偏心和間歇頻率也極易產生微振的頻變。

微振動是一種力，是一種滲透力。它的主要傳遞形式為波，通過介質使物體產生細微位移或振動。彈性、顫動、慣性、振震，都會助推微振波的產生。

為提高產品的性能，有必要對樣機進行頻譜分析，系統地調整公差標準，但并非公差越小越好。在結構上解決節點問題，在材料上解決組配問題，提高振動烈度標準要求［3］。

要重視振動頻率對汽車制動用空壓機性能的影響程度。振動也會耗能，從而影響容積效能。水波演示槽實驗表明，在一定的轉速區間，振動頻率的影響程度明顯 (因機種不同和安裝方法不同會有區別，實驗時發現在2 300～2 700 r/min區間影響尤為明顯)。目前，振動烈度尚未引入汽車空壓機必檢的技術指標。振動烈度未端也是產生微振的根源。

微振動應對措施:設計時，對振波強度要相消干涉，以頻調波，以緩沖控制微動振。間隙大小可能與振波振頻高低有關，為防止微共振，機內轉動間隙不能設計為相同而應略有差異。部分機型的層材料，如導流板，在不影響原有性能的前提下，是否尋找采用相對減振、消波、低頻的非金屬材料，值得研究。

在空壓機研發時，要借助頻譜分析，研究空壓機振動的頻變現象。

頻變振動也有最佳頻率區間。

2 汽車空壓機容積效率 (充氣系數ηv)提升的方法或途徑

2.1 微振動的平衡

要校驗好運動件的動平衡與靜平衡，否則會造成先天性的振動因素，包括整機加固墊軟措施的平衡。側固定式立式空壓機的懸掛式安裝，工作起來整機最容易產生大振動烈度，建議在另一端安裝防振支架減振。

目前，汽車制動空壓機一般不進行平衡機檢定。各種活動件的設計間隙，差異亦很大。最小為0.005 mm(活塞銷與活塞)，最大為0.6 mm(軸向)，各間隙之間 (即間隙系統)也存在力平衡問題，在材料組配適當的條件下，若間隙力不平衡，間隙差異在磨損后迅速增大。實踐證明，整機性能是環環相扣的，平衡能大大地減少間隙磨損。為提升空壓機的性能，建議增加平衡檢驗環節。

鍛造的曲軸，經精車和鉆油孔后，要用平衡機檢定或調整軸轉子的質量分布 (見 GB/T 6444-1995中 6.8，7.9，7.24)［4］，確定所有轉動件都是最佳轉動公差間隙和平衡狀態，以減少機械振動。空壓機的單缸和雙缸在結構平衡上有區別。曲軸平衡塊是調節轉動平衡的重要手段，不但要進行精確預計算，還要進行模擬實驗。單軸雙缸的結構設計，使壓縮機氣體流量在額定轉速一定時為單缸的兩倍，而且在振動噪聲控制上得到很好的控制。在滿足容積效率的前提下，若工作振動最小，往往是運動部件的最平衡配置 (見 GB/T 6444-1995中6.1)［4］。

2.2 微振動的測量和頻譜分析

目前，汽車空壓機一般不進行測振儀檢測，除非有客戶要求或高端產品需要。簡便而經濟的測量產品微觀情況的測量方法是使用測振儀，通過測量便可知道空壓機的振動位移、速率(烈度)和加速度三參數［5］。要求譜線干凈，邊頻少，參數選擇符合 ISO10816-3［6］的規定。

機械波 (聲波屬機械波)的頻率由振動源決定，不因介質改變而改變。其傳播速度由媒質決定。空壓機聲波的傳播經油、水、鐵、空氣四種媒質。從聲波頻率可以判定物體振動的頻率。獲取、通過機械波波形曲線，可以了解到波的振幅、波長、振動位移、備質點振動加速度的測方向。通過頻譜分析，對照產品技術標準，便可確定產品所處的狀態和對應的改進措施。排氣閥片固有頻率值偏高，有利于保證壓縮比。進氣閥片固有頻率值偏低，有利于吸氣過程和防止進排氣閥片共鳴而影響壽命。

建議將頻譜分析的方法和頻率指數寫入企業技術標準中的試驗方法條款，以指導產品微振動狀態的持續改進。振動的利用只能在某些區間做實驗，利用某些振動的原理，實現以最小的力 (壓縮力)獲取閥片最大的振幅 (開啟量)的目的。

2.3 壓力比的改變

空壓機的排氣效率是由壓力比決定的。進氣壓力通過活塞運動來改變壓力比，實現排氣。就空壓機而言，改變壓力比的途徑首先是進氣空間、排氣空間和壓力之比。在滿足一定的配套指標下，進氣孔要大于排氣孔。如本公司的CK152雙缸機型有三個進氣孔，CK173雙缸機型的舌簧閥片較長。每片長達10 cm，彈性充足。聶清風［7］對汽車空壓機氣閥運動規律及容積效率的有限元分析結果表明，閥片的厚薄及其接觸的閥孔的形狀與大小有關。在同質的情況下 (包括硬度和轉速)，孔徑與閥片的厚薄有最佳比例關系，頻率與振幅有最佳區間與之適配。

微振動對閥片影響最直接，對壓力比影響最大。閥片的大小、形狀、厚度、厚薄處理又對振動的頻率與振幅產生影響。上述研究還表明:閥片與其接觸的閥孔的形狀與大小直接影響容積效率，從波形圖可知，進氣閥片的啟與閉瞬間微振動明顯，排氣閥片開啟后，在限位片處微振明顯［7］。

2.4 區間的意義

在不恒定的工況下解決活塞的運動、閥片與閥門的閉合和整機舜間協調的優選問題，需要精確的理論計算而不能忽視。理論方法能夠解決論證問題，或理想工況下某項或點的規律問題，包括有限元方法。但至今無法直接解決實際問題。區間的意義在于，在高溫、高壓、高頻、高振和不恒定的工況下解決舜間與協調，使氣路工件得到優選的運動和閉合。在生產制造過程，區間的把關包含以下方面:(1)設計的公差;(2)轉動軸的跳;(3)材質的驗收;(4)功率、轉速與壓力的配合，要測定空壓機最大容積效率時的工作轉速;(5)溫度和潤滑等。

閥片與閥門的閉合技術，難點在于頻率和微振動摩擦的控制。在高溫、高壓、高頻、高振和不恒定的工況下解決容積效率問題，對工件的材料、運動和協調提出更加嚴格的要求。首先，區間指標必須靠近產品技術標準上限要求。另外，區間指標變異求小而有利于產品質量的一致性或穩定性要求。

2.5 熱量的散發

汽車空壓機工作時，活塞、閥片、曲軸高速運動，在氣體高速摩擦和壓縮的過程中產生的溫度T可達773 K以上的高溫區，汽缸上下溫差可達473～573 K，排氣遇熱幅射和熱擴張壓力，進排氣質量和溫度差異大。在這樣的高溫區下，材料會發生微變形和燒傷，振動頻率隨之發生改變，影響了排氣效能。因此，熱量的散發非常重要。

通常的做法是通過空壓機的水循環系統進行冷卻 (也有風冷或增加風冷的方式)。但水比熱容大，散熱慢，高溫下的水和氧化鐵易與金屬和墊片發生反應。目前，使用含有乙二醇成分的防凍冷卻液來代替水冷卻法，結果多數型號的空壓機工作排氣溫度T下降了30～60 K。液體黏度適中有利于降低微振動。而原水層又有局部消音夾層作用。專用的乙二醇經適當添加改良后，沸點高，冰點低，具有冷卻、防垢、防腐、防銹、消泡性和抗氧化安定性等功能，且配制方便、成本較低，符合環保要求。

有測試條件時，通過熱沖擊極限試驗，來確定冷卻方案的優化。

3 結論

(1)在排除汽車空壓機安裝振動的情形下，從微振動的角度，研究了汽車空壓機在振動、平衡、壓力比和指標區間等方面對容積效率所產生的影響，提出了解決問題的思路、依據和方法，對提升產品性能和經濟指標意義重大。

(2)各類型產品的振動源和微觀現象千差萬別。實踐中，可借助頻譜儀、測振儀、平衡機等檢測手段，借助ANSYS有限元分析軟件，借助國內外相關技術標準，通過實際試驗和實驗數據進行分析，以期提升汽車空壓機的容積效率 (充氣系數ηv)。

(3)目前閥片研究停留在其厚薄和均勻的影響，未對同一閥片在不同厚度時的影響進行研究。片端的厚薄能調節閥片的頻率、振幅、彈性等微振動的狀況。定程板、閥門、閥片不是簡單的平面接觸。高速運動的閥片其四周與中間并非同一平面，運動過程中有多種平面狀態。與閥門接觸時，其中心有渦斜。

【1】中國汽車工業總公司.QC/T 29078-92汽車用空氣壓縮機技術條件［S］.天津:中國汽車技術研究中心標準化研究所，1992.

【2】中國工業機械聯合會.GB/T 13279-2002一般用固定的往復活塞空氣壓縮機［S］.北京:中國標準出版社，2002.

【3】中國工業機械聯合會.GB/T 13928-2002微型往復活塞空氣壓縮［S］.北京:中國標準出版社，2002.

【4】全國機械振動與沖擊標準化技術委員會.GB/T 6444-1995機械振動 平衡術語［S］.北京:中國標準出版社，1995.

【5】蔡學煕，紀盛清.機械振動控制及利用［M］∥成大先.機械設計手冊:第17篇.北京:化學工業出版社，2004:5－9;25;31－32;35;50;121－128.

【6】德國標準化學會.DIN ISO10816-3振動監測的評估標準［S］.北京:中國標準出版社，2009.

【7】聶清風.汽車空壓機氣閥運動規律及容積效率的研究［D］.武漢:武漢理工大學，2003.