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原文传递空气悬架用空气压缩机流场分析与结构优化设计

论文题名：	空气悬架用空气压缩机流场分析与结构优化设计
关键词：	汽车悬架;空气压缩机;流场分析;压力损失;结构优化
摘要：	空气悬架用空气压缩机是空气悬架系统的重要组件之一，其性能的好坏直接关系到汽车行驶的平顺性、工作可靠性和行车安全。空气悬架用空气压缩机属于微型压缩机，气缸空间狭小，组成部件众多，气体在压缩机内高速作业，所以很难通过实验的方法获得压缩机内的气体流动特性。因此本文采用CFD的方法对空气悬架用空气压缩机气缸及干燥过滤罐进行了流场模拟分析。根据空气压缩机所需流量及排气压力等参数指标对空气压缩机进行结构设计，通过ANASYS/Fluent软件对空气压缩机内流场进行流体模型搭建、网格划分、活塞事件设置等进而得到气缸内部流场的变化情况，在此基础上着重分析了转速、阀口面积等参数对气缸内部流场的影响。此外结合多孔介质理论，分析了气体在通过干燥过滤罐时产生的压力损失，并通过对滤芯结构的优化，提升了滤芯性能参数。通过对压缩机进行流场分析，对压缩机参数进行结构优化，对提升压缩机能效具有重要意义，进一步推动了空气压缩机产业化生产。主要的研究工作有以下几个方面：　　（1）基于空气压缩机排气压力与吸入流量的设计需求进行结构设计与三维建模。介绍了空气悬架用空气压缩机的工作原理，以满足空气悬架用空气压缩机排气压力与吸入流量为切入点，明确了空气压缩机的设计目标；对空气压缩机驱动电机进行了参数匹配，对空气压缩机主要部件进行了构型设计；利用SolidWorks软件对空气悬架用空气压缩机进行建模。　　（2）研究空气悬架用空气压缩机气缸的流场特性。以空气悬架用空气压缩机为研究对象，采用SolidWorks软件对空气压缩机气缸的内部流场进行三维建模；在Fluent中对流体模型进行网格划分，在网格划分时采用多区域网格划分，对气缸模型网格分块划分，提升计算精度；研究一种基于层铺动网格设置方法，缩短模型计算时间，降低网格运动出现负体积的概率。通过边界条件设置、EVENTS事件设置对气缸模型实现瞬态模拟，获得了气缸的压力、速度、温度的变化情况。对气缸内流场的分析结果表明，吸排气过程中气缸的流场气体压力、气体的流速、气体温度分布不均匀，在阀口位置的压力、速度与温度变化明显。　　（3）研究不同参数对气缸流场的影响。通过对不同转速下压缩机工作过程中同一位置的压力分布、速度分布等进行分析，得出随着转速的增加，气缸内气体的流速、压力、吸排气质量流量等都会随着增加。通过对不同阀口面积气阀进行数值模拟，得到阀座通流面积越大，气缸的压力损失越小；对不同吸气阀布置形式的气缸有限元模型进行流场分析，得出将气阀安装在活塞上具有较小的压力损失，为优化压缩机结构提供了参考价值。研究了不同余隙容积对压缩机的流场的影响，得出余隙容积越小，压缩过程压力上升快，膨胀过程压力下降快；吸、排气过程气阀开启早，吸、排气时间长。余隙容积小，指示功越大，功率越高。　　（4）分析干燥过滤罐的流场特性。通过搭建内部流场模型，边界条件设置对干燥过滤罐进行了流线分布、速度分布、压力分布的分析，针对在罐体中出现较大的涡旋问题，提出采用双层滤芯结构，通过添加无纺布对滤芯结构进行优化，并研究不同厚度无纺布层的流场流线与压力降，由仿真结果可知，添加无纺布前压降为6KPa，添加无纺布后，压降为280Pa，空气通过干燥过滤罐压降变低，提升了压缩机性能。　　（5）空气悬架用空气压缩机样机试制与性能试验验证。设计并加工空气压缩机试验样机，搭建空气压缩机试验平台，详细介绍试验平台构成，实验结果证明空气压缩机在12V供电电压下，排气压力在2MPa，满足排气压力要求。
作者：	张鉴顺
专业：	车辆工程
导师：	李波
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东理工大学
学位年度：	2022