汽车空调维修：活塞式压缩机原理

活塞式压缩机是目前应用最广泛的压缩机，约占整个汽车空调压缩机市场的80%。其中曲轴连杆式压缩机基本用于大型公共汽车和旅游客车。斜盘式或摆盘式压缩机则绝大部分应用于轿车和中小型客车。

3.1.1 曲轴连杆式压缩机

1.工作原理

曲轴连杆式压缩机对制冷剂蒸气的压缩，是通过活塞在气缸内往复运动来完成的（图2-3）。它的动力是通过带轮从发动机输入的。压缩机的工作过程由压缩、排气、膨胀，进气等四个过程组成。

图2-3 曲轴连杆式压缩机工作原理

a）进气过程 b）排气过程

1—排气阀片 2—阀板 3—进气阀片 4—活塞 5—气缸 6—曲轴连杆

1）压缩过程：进气过程结束后，活塞在曲轴连杆的带动下，开始向上运动。此时进气阀片和排气阀片都关闭。随着气缸容积不断减小，蒸气压力不断升高，温度也不断增加，当气缸内压力略超过排气阀片的弹性力时，它便打开，开始排气过程。

2）排气过程：排气阀打开后，被压缩的气体不断排出，虽然活塞仍不断向上运动，但气缸内的蒸气压力已不再升高。直到曲轴连杆活塞运动到上止点为止，排气过程结束。

3）膨胀过程：由于进气阀结构和制造安装工艺等原因，在压缩机活塞的顶部和阀板间存在一间隙，该容积称为余隙容积。由于它的存在，排气过程结束时，仍然有一定数量的高压蒸气残留在余隙里。当活塞开始从上止点下移时，余隙内的高压蒸气首先膨胀，排气阀片在排气腔内压力作用下关闭。活塞继续下行，余隙内蒸气不断膨胀，直至压力略低于进气腔内压力时，进气阀片打开，开始进气。

4）进气过程：当余隙容积内的剩余气体膨胀，压力略低于进气腔内压力时，进气阀片打开，蒸气被吸入气缸内，随着活塞的下移，气缸容积不断扩大，低压蒸气不断被吸入。由于进气惯性和阀片弹性的惰性，活塞下移到下止点并往上移动的一段时间后，进气阀片方关闭，停止进气。这样压缩机便进入下一个循环。压缩机便是这样周而复始地重复着上述循环过程，把低压制冷剂蒸气变成高压蒸气。

2.布置和结构

图2-4 气缸的布置形式

a）直列式 b）V型 c）W型 d）S型

图2-5 双缸曲轴连杆式压缩机零件分解图

1、12—螺栓 2—密封盘挡板 3—护圈 4—密封盘 5—O形密封圈 6—密封炭环 7—炭环密封圈 8—半圆键 9—进气孔 10—排气阀片 11—缸盖螺栓 13—进气口滤网 14—保护盖（装运和储藏时使用） 15—堵塞 16—气缸盖 17—缸盖垫 18—阀板总成 19—阀板垫片 20—铭牌 21—曲轴箱 22—垫圈 23—加油塞

曲轴连杆式压缩机按气缸的布置形式可分为图2-4所示的直列式，V型、W型和S型。它们的共同特点是气缸轴线垂直于曲轴。双缸压缩机以直列式最为常见。V型压缩机的两列气缸中心与曲轴垂直，其结构比直列式紧凑，刚度大，轴向尺寸小。W型六缸压缩机的轴线是在与曲轴垂直的截面上气缸布置成W形。它在一个连杆头上连接三个连杆，三个气缸轴线为60°相交。这类压缩机以双列并排六缸布置最合理，平衡性好，运转平稳，中型制冷压缩机多采用该种布置形式。还有一种压缩机呈扇形结构，一个截面有四个气缸，因像字母S的形状，所以又称S型布置。它的气缸轴线彼此呈45°角相交。这种压缩机一般用于大型制冷机，汽车空调上用得不多。

图2-5是双缸曲轴连杆式压缩机的零件分解图，主要零件有连杆、曲轴、活塞、缸体。缸盖、曲轴箱，进、排气机构中有阀板、阀片。阀板上开有进排气孔，气缸盖和缸垫将进气、排气腔分隔为两部分。其中进气阀片控制着进气孔，排气阀片控制着排气孔。进、排气阀片二者皆为弹簧钢制造，具有很好的弹性和耐疲劳强度。

轴封的形式有多种，图2-6是输入轴轴封的一种形式，它具有使压缩机内的制冷剂和外界隔断的功能。由于轴封和主轴一起旋转，所以采用耐磨、密封性好的炭环和陶瓷环。陶瓷环依靠卡簧定位。油封板、陶瓷环、炭环靠紧，起径向密封作用。另外炭环还兼有轴向密封功能。目前很多压缩机的密封已采用含氟塑料密封件。

由于曲轴连杆活塞组件做高速运动，所以必须保证其充分润滑。压缩机中润滑方式有两种：飞溅润滑和强迫润滑。飞溅润滑的原理是依靠高速旋转的曲轴，将曲轴箱的润滑油带上来，然后将其飞溅到各运动件上。强迫润滑是利用压缩机后端的机油泵，把油通过输油管和曲轴。连杆内的输油孔路强制性地送往需润滑的机件部位。机油泵是一种内啮合的齿轮泵，其内齿由曲轴驱动，外齿固定在后缸体上。

图2-6 轴封结构

1—轴承 2—轴封 3—卡簧 4—密封板 5—O形圈

3.变容量式曲轴连杆压缩机

制冷量大的曲轴连杆式压缩机，往往采用独立驱动方式，用调节发动机转速的方法来调节压缩机的制冷量。

实现容量调节的方法很多，一般是采用卸载装置的机械控制来停止一个直至全部气缸压缩气体的工作。另一方面由于曲轴连杆式压缩机起动转矩较大，便希望压缩机空载起动，即全部气缸停止工作，只将几个气缸的进气阀片强制顶开，这样可减小起动转矩。

图2-7是变容量调节压缩机的原理图。它在排气阀座7和气缸套5之间加进一个卸载阀片6，缸套侧加了一个顶杆4，活塞2下面加了一个转动斜环1。气缸工作时，进气阀片正常工作。若转动斜环，顶杆顶起卸载阀片。此时，卸载阀片处于开启状态。因此，活塞虽然仍在气缸内做往复运动，但并不压缩气体，即这个气缸不处于工作状态。反之，后向旋转斜环，顶杆在弹簧作用下回位，卸载阀片关闭，气缸又转入正常工作态。通过这种办法，便可实现制冷量的调节。

斜环的转动是依靠液压缸中的油压来推动的。图2-8所示的该装置主要包括液压缸、拉杆、弹簧等部分。液压缸中不供油则弹簧将活塞推到右边，拉杆将斜环转到顶杆最低位置。卸载阀片关闭，气缸处于工作状态。若向液压缸供油，活塞克服弹簧力后，向左移动，拉杆将斜环转动到顶开卸载阀片，气缸处于不工作状态。在这种装置中，一个液压缸可控制两个气缸的转动斜环。

图2-7 变容量调节压缩机原理图

a）压缩机正常工作 b）压缩机卸载工作

1—斜环 2—活塞 3—弹簧 4—顶杆 5—气缸套 6—卸载阀片 7—排气阀座 8—排气阀片 9—阀盖 10—进气阀片

图2-8 液压缸控制斜环工作图

3.1.2 摆盘式压缩机

摆盘式压缩机的最大优点是工作平稳、结构紧凑、体积小，适用于在空间狭小的车厢使用。其材料为铝合金，以减轻汽车自重。变容量摆盘式压缩机可以无级自动调节能量的输出，结构简单，相应地空调的舒适性得到提高，能耗也得到降低。

1.工作原理

摆盘式压缩机的工作原理如图2-9所示。

各气缸均以压缩机的轴线为中心，均匀分布，连杆连接活塞和摆盘，两端采用球形万向联轴器，使摆盘的摆动和活塞移动相协调而不致发生干涉。摆盘中心用钢球做支承中心，并用一对固定的锥齿轮限制摆盘只能摇动而不能转动。主轴和楔形传动板连接在一起。

压缩机工作时，主轴带动楔形传动板一起旋转。由于楔形传动板的转动，迫使摆盘以钢球为中心，进行左右摇摆移动。摆盘和楔形传动板之间的摩擦力，使摆盘具有转动的趋势，但是这种趋势被一对锥齿轮所限制，使得摆盘只能左右移动，并带动活塞在气缸内做往复运动。

图2-9 摆盘式压缩机工作原理图

1—活塞 2—压块 3—钢球 4—摆盘 5—主轴 6—楔形传动板

该类压缩机与曲轴连杆式一样，均有进、排气阀片，工作循环也具有压缩、排气、膨胀、进气四个过程。当活塞向右运动时，该气缸处于膨胀、进气两个过程，而摆盘另一端的活塞做反向的向左移动，使该气缸处于压缩、排气两个过程。主轴每转动一周，一个气缸便要完成上述的压缩、排气、膨胀、进气的一个循环。一般一个摆盘配有五个活塞，这样相应的五个气缸在主轴转动一周时，就有五次排气过程。

为了使读者对摆盘式压缩机有更深入的了解，下面对日本三电公司的产品SD—5压缩机的结构予以介绍。

图2-10是SD—5摆盘式压缩机的剖视图。

图2-10 摆盘式压缩机剖视图

1—后盖 2—阀板 3—排气阀片 4—排气腔 5—弹簧 6—后盖缸垫 7—主轴 8—轴封总成 9—滑动轴承 10—端面滚子轴承 11—前缸盖 12—楔形传动板 13、18—锥齿轮 14—缸体 15—钢球 16—摆盘滚子轴承 17—摆盘 19—连杆 20—活塞 21—阀板垫 22—进气腔

该压缩机的特点是将摆盘和楔形传动板的滑动配合改为借助于圆柱滚子轴承，传动板与前缸盖接触亦改为借助于滚子轴承，并将楔形传动板掏空，大部分零件也改用铝合金材料。这样改进后压缩机结构更紧凑，重量更轻，寿命更长，价格又低廉。SD—5型压缩机的主要构造如下：主轴和五个气缸轴线平行，缸体14上均布着五个轴向气缸，气缸内的活塞和摆盘被连杆用球形万向联轴器连接，通过滚子轴承10和16，使楔形传动板与前缸盖和摆盘之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，减少了摩擦阻力和零件的磨损，延长了零件寿命。9是一对滑动轴承，它和钢球15一起支承主轴和楔板运动。钢球15还起到摆盘的支点作用。进气腔和楔形板腔有通气孔，使夹带润滑油的制冷剂蒸气先润滑所有的运动部件和油封后，再到气缸中压缩。

目前摆盘式压缩机已在我国得到广泛应用，如许多汽车修理厂都采用价格低廉的三电公司压缩机来替换原有的汽车空调压缩机。(www.xing528.com)

2.变容量摆盘式压缩机的工作原理

与普通摆盘压缩机相比，变容量摆盘压缩机最大的改进是在后端盖上装了一个波纹管控制器和导向器。波纹管放在吸气腔内，受蒸气压控制，通过波纹管的动作来控制排气腔和摆盘室、吸气腔和摆盘室之间的阀门通道。导向器根据摆盘室内压力的大小，自动调节摆盘的倾斜角度的大小。摆盘倾角越大，活塞行程越长，排出的气体亦越多；反之，摆盘倾角越小，活塞行程越短，排气量亦越少。这样制冷量少，耗能亦少。

当发动机转速降低时，蒸发器出来的蒸气压较高，使波纹管压缩。当压力大于0.35MPa时，控制阀开启低压通道。关闭高压通道，这时摆盘室的蒸气进入低压腔，使摆盘室内气压变小，活塞压缩时，两端的压差变大，导向器自动地调节增大摆盘倾角来平衡活塞上增大的力矩，活塞行程变长，排气量增多。蒸发器压力亦增高。这样活塞两端的压差使压缩机满负荷输出压缩蒸气，制冷量最大。

当发动机高转速时，吸气腔的压力降低。当下降至0.3MPa时，控制阀打开高压通道，关闭低压通道，高压蒸气进入摆盘室，使活塞压缩时两端的压差变小，导向器自动调节减小摆盘倾角。这样活塞行程缩短，排气量减小耗能减小。

由于变容量摆盘式可以在吸气压力0.30～0.35MPa之间连续无级调节其输气量，从而实现了压缩机的制冷量、功耗与空调在不同工况下的合理匹配，极大限度地改善了汽车空调的舒适性，并降低了能耗。

3.1.3 斜盘式压缩机

斜盘式压缩机是一种轴向往复活塞式压缩机。目前，它是汽车空调压缩机中使用最为广泛的一种。国内常见的轿车，如奥迪100轿车，捷达轿车，以及二汽生产的富康轿车皆采用斜盘式压缩机，作为汽车空调的制冷压缩机。

斜盘式和摆盘式压缩机同属于轴向往复活塞式压缩机。其结构如图2-11所示。

它们之间的不同是摆盘式的活塞运动属单向作用式，而斜盘式的活塞运动属双向作用式。所以有时又把它们分别称作单向斜盘式压缩机和双向斜盘式压缩机。

1.工作原理

图2-12是一种斜盘式压缩机的剖视图，它的工作原理如下：当主轴带动斜盘转动时，斜盘便驱动活塞做轴向移动，由于活塞在前后布置的气缸中同时做轴向运动，这相当于两个活塞在做双向运动。即前缸活塞向左移动时，排气阀片关闭，余隙容积的气体首先膨胀；在缸内压力略小于吸气腔压力时，吸气阀片打开，低压蒸气进入气缸开始了吸气过程，一直到活塞向左移动到终点为止。当后缸活塞向左移动时，开始压缩过程，蒸气不断压缩，压力和温度不断上升。当压缩蒸气的压力略大于排气腔压力时，排气阀片打开，转到排气过程，一直到活塞移动到左边为止。这样斜盘每转动一周，前后两个活塞各自完成吸气、压缩、排气、膨胀过程，完成一个循环，相当于两个工作气缸。这意味着缸体截面均布三个气缸和三个双向活塞时，当主轴旋转一周，相当于六个工作气缸。所以称这种三缸、三个双向活塞布置的压缩机为斜盘式六缸压缩机。

图2-11 斜盘式与摆盘式压缩机原理和结构比较

a）斜盘式压缩机的活塞双向作用 b）摆盘式压缩机的活塞单向作用

1—回转斜盘 2、4—活塞 3—传动板 5—摆盘

图2-12斜盘式压缩机剖视图

1—主轴 2—压板 3—带轮轴承 4—轴封 5—密封圈 6—前阀板 7—回油孔 8—斜盘 9—吸油管 10—后阀板 11—轴承 12—机油泵 13—活塞 14—后缸盖 15—后气缸 16—钢球 17—钢球滑靴 18—前后活塞球套 19、20—前气缸 21—带轮 22—电磁线圈

2.结构

斜盘式压缩机结构如图2-12所示。

斜盘式压缩机的主要零件有缸体、前缸盖、后缸盖、前阀板、后阀板、活塞。它的斜盘固定在主轴上，钢球用滑靴和活塞的联结架固定。

钢球的作用是使斜盘的旋转运动经钢球转换为活塞的直线运动时，由滑动变为滚动。这样可减少摩擦阻力和磨损，以及延长滑靴的使用寿命。如今斜盘和滑靴都以耐磨质轻的高硅铝合金材料替换了当初使用的铸铁材料，活塞也用硅铝合金。这样既提高了压缩机运动机件的质量，又可提高压缩机的转速。

由于斜盘式压缩机的活塞双向作用，所以在它的两边都装有前、后阀总成，各总成上都装有吸气簧片和排气簧片。且前、后缸盖上有各自相通的吸气腔和排气腔，吸、排气缸用阀垫隔开。

其润滑方式有两种，一种是采用机油泵强制润滑，它用于豪华型轿车和豪华小型巴士车，具有较大制冷量的压缩机。另一种没有油底壳，没有机油泵，而是依靠润滑油和制冷剂一道循环，利用在吸气腔内因压力和温度下降而分离出的润滑油来润滑压缩机各组件，很显然这与摆盘式压缩机类似。

3.变容量斜盘式压缩机

斜盘式压缩机实现容量变化的形式很多，但原理均相差不多，归根到底都是采用电磁三通阀来调节气缸内余隙容积大小，使排气量发生变化，从而达到调节制冷量大小的目的。

如图2-13所示，六缸斜盘式压缩机每缸均配置一个余隙容积变化阀，使用一个电磁阀控制。也有用多个电磁阀控制六个缸排气量的。

图2-13 斜盘式压缩机变容量工作原理

a）全负荷工作 b）部分负荷工作

1—余隙容积调节阀 2—排气腔 3—活塞 4—阀口 5—三通电磁阀 6—回气管 7—工作管

正常负荷工作时，电磁阀与排气腔工作管接通，高压气体将余隙容积变化阀向右推，直至将阀口堵住，此时压缩机为100%的负载，即以正常排气量工作。

当需要降低压缩机的排气量时，电磁阀与回气管和工作管相通。当吸气时，余隙首先将原来左端的高压气体通过工作管、回气管送到吸气气缸。在活塞压缩时，气体推动余隙左移，留下一个空间如图2-12所示。当压缩完毕时，余隙阀内的气体保留下来。当活塞右移时，余隙阀内的高压气体首先膨胀，这样就减少了气缸的吸气量和排气量，相应功耗也就减少。至于每缸排气量的减少量，一般按设计余隙容积减小75%来设计，相应功耗可减小50%。

由上所述可以看出，斜盘式压缩机的容量是有级变化的，这就远不及摆盘式压缩机输气的质量好。与此同时，采用单电磁阀控制多个气缸的方式也不合理，这会引起排气的波动太大。相应地引起制冷量的急剧变化。所以，最好采用多电磁阀来控制多个气缸。这样可根据车内或车外温度来决定变容的缸数。但这样一来控制结构就变得复杂起来。所以，从变容的结构、能耗、空调舒适性来说，摆盘式的整体性能比其他往复式压缩机好得多。

4.斜盘式压缩机的特点

由于斜盘式压缩机无连杆结构，所以工作可靠，结构也很紧凑，体积小，重量轻，排气脉冲比曲轴连杆式小。由于它是轴向卧式结构，所以能方便地直接安装在发动机机体上，而不需要另配机架，这些都是斜盘式压缩机的优点。但是它装配要求高，因为滑靴和钢球、活塞架之间的装配是很精密的，必须采用选配。而安装时，前缸盖、后缸盖、前阀板、后阀板、主轴、活塞等都是用六条螺栓紧固组装，这样不容易保证装配精度；另一方面，由于调整零配件较多，工作量大，技术要求高，这些都对工厂的加工装配提出了很高要求，一般工厂很难办到。这是斜盘压缩机的不足之处。针对上述问题，近年来对斜盘式压缩机有了很多改进，如将前后缸体改为整体式缸体，使制造工艺和装配工艺都得到一定程度的简化。

3.1.4 径向压缩机

径向压缩机又称辐射式压缩机，是往复活塞式压缩机的一种。其特点是在一个截面上有四个气缸对置。曾在20世纪70年代到80年代的通用轿车、福特轿车，以及本田轿车空调上得到普遍应用。

1.工作原理

图2-14是其工作原理图，当曲轴旋转运动时，推动滑块按曲柄位置移动，使直角相交的两对活塞做垂直于曲轴轴线的往复运动。当曲轴运动到图2-14a位置时，上气缸排气完毕，下气缸吸气完毕，右气缸处于膨胀吸气过程，左气缸处于压缩排气过程。从曲轴中，溶解有润滑油的低压制冷剂蒸气，通过在活塞中心的通孔将装在表面的吸气阀片顶开，进入气缸进行吸气；而排气则是通过气缸顶面的排气阀片和阀板排到外壳空间，再从排气孔送到冷凝器。当曲轴转到图2-14b位置时，上缸余隙气体开始膨胀过程和低压蒸气从吸气阀吸气过程；而下缸则为压缩排气过程。当右缸吸气完毕，左缸排气亦结束。图2-14c、d亦加以类推。这样当曲轴旋转一周，则每一个气缸都完成了吸气、压缩、排气、膨胀的循环。

图2-14 径向压缩机工作原理

2.结构构造

虽然径向压缩机的工作原理相同，但不同厂家生产的径向压缩机都互有差异。

美国通用汽车公司生产的Harrison.R型压缩机活塞靠两只轭叉相连，轭叉中心和曲柄中心线相交。气缸体采用铝合金材料，与主轴和活塞组装在一起，不可拆卸。外壳和气缸体紧配合，拆开时需用专用工具。而日本本田公司生产的四缸径向压缩机将四个活塞做成两对整体活塞，把它们嵌装在滑块上，这样既可减少曲轴和滑块之间的运动惯性，又可提高压缩机的转速。

3.径向活塞式压缩机特点

由于该类压缩机采用径向十字形排列，所以轴向尺寸短，平衡性能好，振动小，是往复式活塞压缩机中结构最简单、最紧凑的品种，而且低速性能好，可靠性高。

此种压缩机在应用中的特点如下：

1）低速时容积效率高，功耗小。

2）采用两个对置活塞。从理论上讲，惯性力可以自行抵消，这样振动较小。

3）四缸对置，所以轴向尺寸小，结构紧凑，重量轻，特别适合于小型经济型轿车。

4）由于含有润滑油的低压蒸气是通过曲轴箱后再进入活塞和气缸的，因此整机润滑非常充分、均匀，相应消耗的摩擦功很小。