开题报告 陈晨

毕业设计(论文)开题报告

学 生 姓 名： 专 业： 设计(论文)题目：

指 导 教 师:

陈晨 学 号： 0601560106 车辆工程

应用于新能源汽车的电动直线压缩机

研究——活塞有限元分析

时岩

2010年3月29日

开题报告填写要求

1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；

2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；

3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；

4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—2005《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。

毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000字左右的文献综述：

文 献 综 述 空压机是一种以内燃机或电动机为动力，通过空压机将自由空气压缩来提高气体压力和输送气体的机械。它将压缩空气供给各类气动工具使用，是一切气动工具的动力来源。空压机种类繁多、用途广泛，因而有“通用机械”之称。近年来，从世界各国的发展来看，汽车工业越来越成为衡量一个国家经济与科技发展程度高低的重要指标[1]。在汽车工业的带动下，汽车主要配件—汽车空压机的需求量也急剧增加，而且空压机对整车系统的动力性能与能耗有着很大的影响。因此对汽车空压机的研究在工程实践中有助于空压机部件与汽车整车系统的合理匹配，从而保证其稳定性与效率[2]。 从目前来看，在中小排气量范围内的压缩机仍以旋转电机驱动的往复式活塞压缩机为主，据统计在100w到7.5kw的小型压缩机中，活塞式压缩机占75%，传统的活塞式空气压缩机主要是由旋转电机驱动，这里需要把旋转运动变换成直线运动，因此少不了必需的转换机构——曲柄连杆。由于曲柄连杆的存在会在活塞上形成较大的侧向力，加剧了活塞与气缸的磨损，影响了效率和寿命，整机效率较低，一般为0.30到0.40，而且很难再进一步提高。 在寻求高效节能压缩机的过程中，直线压缩机作为一种理想的替代机型被提了出来，由于其特殊的结构与驱动方式，直线压缩机具有一些显著的优点[3]： (1)消除了有曲柄连杆引起的摩擦损失。另外，如果共振弹簧设计合理，则侧压力引起的摩擦损失小，所以机械效率较高，只需少量或不需润滑油。 (2)由于驱动系统是非刚性的，故内部机构的碰撞很小，延长了压缩机的使用寿命，提高了压缩机的可靠性。 (3)活塞行程可调、在变工况下有较高的效率。直线压缩机的活塞行程不受机械结构本身的，可以在一定范围内自由调节。活塞的行程直接与电机端输入的电压成比例关系，因此可以通过一定的调节与控制装置使得压缩机连续变化的高效工作。 (4)运动部件的减少在降低成本的同时提高了压缩机的可靠性。 (5)总体结构紧凑、体积小。直线压缩机采用直线电动机驱动，并将直线电机与压缩机做成一体，活塞驱动力由直线电机的电磁驱动系统提供。由于电机直接产生直线运动，不存在传统压缩机中将电机旋转运动转化为活塞直线运动的曲柄连杆机构，支撑部件大为减少，因此在相同的性能下，直线压缩机体积可以做的更小，整体结构更简单、更紧凑。 (6)反应速度快、随动性能好。相对于旋转电机而言，直线电机容易做到无刷无接触运动，使得压缩机的反应速度更快、随动性能更好，这是其他传统驱动装置无法竞争的优点。 正是由于直线压缩机具有的这些传统压缩机无可比拟的优点，使其成为未来在微型压缩机的一个极其重要的研究发展方向。尤其是在微型便携式压缩机领域，在不久的将来，直线压缩机也许会成为微型便携式压缩机领域的一种重要类型。 根据所采用的驱动能源类型来划分直线压缩机，主要有：直线振荡电机驱动的压缩机(简称电磁振动压缩机)、复合次级直线电机驱动的压缩机(简称直线电动压缩机)以及直线步进电机驱动的直线压缩机等三种类型[4]。 电磁振动压缩机利用电磁力和机械共振原理，直接推动活塞往复振动压缩气体。按电磁驱动方式的不同，又可以分为动圈式、动铁式和动磁式，统称电磁振动式，其电机类型属于直线振荡电机。 动铁式直线压缩机主要是采用动铁式直线同步振荡电动机驱动的往复式活塞压缩机。动子用铁芯材料做成，通过支撑件与活塞、弹簧连接在一起，置于强磁场中。当励磁线圈通以交流电，就能产生交变磁场，从而吸引铁芯轴向运动，进而推动活塞往复运动。这种压缩机动子质量轻、惯性小、振动频率低，与相同体积的其他压缩机相比能产生较大的驱动力，压缩比也较大，但动子在磁场气隙中的运动是不稳定的，容易偏离气隙中心轴线，从而在活塞上产生很大的径向力，增加了活塞与气缸之间的摩擦和磨损，应用中性能无法与其他类型的压缩机相比，将逐渐被淘汰[5]。 动圈式直线压缩机是利用导线在磁场中受到安培力作用的原理而设计的，主要采用动圈式直线振荡电动机来驱动。根据动圈式直线振荡电动机励磁方式的不同，动圈式直线压缩机又可以分为线圈通电励磁以及永久磁铁直接励磁的两种结构形式的直线压缩机。 动圈式直线压缩机的动子部分由线圈通过支撑件与活塞、弹簧连接在一起，当它加载交流电，在磁场中就能切割磁力线，推动气缸中的活塞作轴向往复运动。电机的振荡频率严格受交流电源频率控制，在设计时，通过弹簧和活塞部件的准确计算，保证系统的共振频率和电源的频率一致，以达到用最小的电磁力来产生最大的活塞行程的目的，同时通过两个弹簧不同的预压缩来保证活塞在要求的范围内运动[6]。这种压缩机设计容易，能较好的控制活塞行程，并且动圈上不存在径向力和扭矩，空载时不存在轴向力，磁场能提供稳定的磁通，不存在磁滞损耗。目前永磁材料的性能不断提升，而价格则不断下降，因此采用永磁材料励磁的动圈式直线压缩机有很大的发展前景。但总体来说，由于动圈式直线振荡电机的磁路轴向气隙较小，行程长时，电机驱动力相对较小，且存在连接动圈的飞线，使其在长时间运行时可靠性下降，了动圈式的使用，一般不适用于较大功率及寿命要求较高的压缩机。 动磁式直线压缩机是一种被广泛应用的结构类型，由动磁式直线振荡电机驱动。这种振荡电机的动子部分由永磁体组成，通过支撑件与活塞、弹簧连接在一起，定子部分由内外轭铁与励磁线圈组成。振荡电动机工作磁场由两部分组成，一部分是由励磁线圈产生的交变磁场，一部分是由永久磁铁产生的恒定磁场，在两个磁场的相互作用下，产生轴向的往复电磁驱动力，进而推动气缸中的活塞压缩气体做功[7]。 该种压缩机与以上两种类型的压缩机相比，磁路结构比较复杂，并且设计时需要考虑永久磁铁的非线性磁导、磁场的边端效应、电涡流损失等因素的影响，电磁力的计算也比较复杂，增加了设计和开发的难度。但是经过合理的设计计算，能使结构更紧凑、体积更小、动力更大、效率更高。特别是近年来有限元方法的迅速发展，大大简化了磁场计算的难度，而且近年来，随着高能永磁体的开发成功，少量的磁铁就能提供高的磁通量，使动磁式直线压缩机更加高效和紧凑、质量更小，有利于谐振弹簧的设计[8]。 由于动磁式直线振荡电机的诸多优点，使其在工业、民用、军事、航天等领域有着更为广泛的发展空间，引起了众多研究机构的研究开发兴趣，是目前最有发展前途并被广泛研究和开发的机型。 活塞是直线电动压缩机的重要零件之一，其设计质量的好坏直接关系到整机的性能。若用传统的设计方法，必需经过反复的试验、试制、修改才能定型，占用设计人员的大部分时间和精力，严重影响了新产品的开发周期[9]。运用有限元技术对活塞进行优化设计，从而使活塞具有较高的强度和较轻的质量，提高了活塞的性能，降低了研制费用。使用ANSYS对活塞进行有限元分析需要三步，分别是前处理——建模与网格划分、加载设置求解、后处理。第一，建议不要使用自底向上的建模方法，而要使用自顶向下的建模方法[10]。充分熟悉BLC4，CYLIND等几条直接生成图形的命令，通过这几条命令参数的变化，布尔操作的使用，工作平面的切割及其变换，可以得所需要的绝大多数实体模型，由于涉及的命令少，增加了使用的熟练程度，可以大大加快建模的效率。第二，对于比较复杂的模型，一开始就在局部坐标下建立，以方便模型的移动[11]。第三，对于体网格划分，要得到比较漂亮的网格，需要使用扫掠网格划分，而扫掠需要满足严格的条件，因此，复杂的三维实体模型划分网格是一件比较艰辛的工作，需要对模型反复的修改，以满足扫掠条件，或者一开始建模就要考虑到后面的网格划分；体单元大小的控制也是相当熟悉[12]；值得注意的是，在生成网格时，应依次生成单元，即一个接着一个划分，否则，可能会发现有些满足扫接应掠的条件却不能生成扫掠网格[13]。对于有限元模型的加载，相对而言是一件比较简单的工作，但当施加载荷或边界条件的面比较多时，需要使用选择命令将这些面全部选出来，以保证施加的载荷和边界条件的正确性[14]。 主要参考文献： [1] 王建生,王富中,廖振方.直线电动活塞式压缩机的设计方案分析[J].流体机械，1998，28(6)：20-22 [2] 马彦军，任保才.直线电动压缩机的活塞优化设计分析[J].河南理工大学，2008 [3] 邱玉江，任保才.直线电动压缩机活塞的动力学分析[J].焦作工学院，2004 [4] 叶云岳.直线电机原理与运用[M].北京：机械工业出版社，2000 [5] 上官璇峰，李伟.直线电机驱动的活塞式空气压缩机[M].北京：机械工业出版社，2004 [6] 张克危.流体机械原理[M].北京:机械工业出版社，2001 [7] 赵远扬，李连生，束鹏程.压缩机的技术现状及其发展趋势[M].北京：机械工业出版社，2003 [8] 林梅，孙嗣莹.活塞式压缩机原理[M]].北京:机械工业出版社,1987 [9]王迪生，杨乐之.活塞式压缩机结构[M]北京:机械工业出版社,19 [10]《活塞式压缩机设计》编写组.活塞式压缩机设计[M].北京:机械工业出版社,1974 [11]刘晓辉.动磁式直线空气压缩机的研发[D].浙江大学,2008 [12]沈海涛.动圈型直线压缩机原理性样机的优化与设计[D].浙江大学,2006 [13]余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2000 [14]谢洁飞.动磁式直线压缩机理论与试验研究[D].浙江大学,2005. [15] Kim, H., C.-g. Roh, et al. An experimental and numerical study on dynamic characteristic of linear compressor in refrigeration system[J]. International Journal of Refrigeration, 2009, 32(7): 1536-13 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 本毕业设计课题任务的具体内容和要求如下： 1．给定初始设计参数：进气压力～1bar；排气压力～8bar；工作频率～50Hz；行程～20mm；缸径～47mm（单缸）/40mm（双缸）。 2．分析单缸和双缸直线压缩机中的活塞在运动过程中所受的机械应力和热应力。 3．建立活塞的有限元模型，完成不同材料和结构的活塞的有限元分析，掌握适合于直线压缩机工作特点的运动活塞的设计规律。 拟采用的研究手段： 建立活塞动力学的数学模型及有限元模型，以及设定合适的边界条件，在ANSYS软件中对活塞在工作中的受到的各种应力进行分析，并且当活塞的参数和活塞的材料改变时，活塞所受到的应力随参数改变和材料改变的变化规律，并总结出适合直线压缩机工作特点的运动活塞的设计规律，即在不超过材料许用应力的条件下，使活塞的质量最小。 通过对不同材料、不同参数的活塞进行工作应力测量试验，并将试验结果和理论计算进行比较，对理论计算的合理性进行验证。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告

指导教师意见： 1．对“文献综述”的评语： 2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日 所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日