方智祥张巍吴展鹏
广东美芝制冷设备有限公司广东佛山 528300
摘要：由于卡车驻车用挂壁式空调系统不够美观，且有违反交通法规的风险。为解决以上问题，研究并分析了一种置顶式卡车驻车空调系统及其应用的压缩机。该空调系统安装于卡车车厢顶部，由于国家对机动车限高的要求，该系统需设计的尽量低。针对卡车运行时振动较大的
问题，本文设计的系统与压缩机之间采用软管连接，管路抗振能力强。同时，针对卡车驻车空调特殊的应用环境，对其所用的压缩机减振系
统、电机系统及散热系统进行了优化。设计了一种减振效果好、可靠性高的卡车驻车空调用卧式压缩机。
关键词：卧式压缩机；驻车；空调系统；振动
Air conditioning system and compressor design of top mounted truck
parking
FANG Zhixiang ZHANG Wei WU Zhanpeng
Guangdong Meizhi Compressor Co., Ltd. Foshan 528300
Abstract: Because the wall-mounted air conditioning system used for truck parking is not beautiful enough, and there is a risk of violating traffic regulations. In order to solve the above problems, a kind of air conditioning system for truck parking and its application compressor are studied and analyzed. The air conditioning system is installed on the top of the truck compartment. Due to the high national requirements on motor vehicle restrictions, the system needs to be designed as low as possible. To solve the problem of large vibration during truck operation, the system designed in this paper is connected with the compressor with a flexible hose, which has a strong anti-vibration capability. At the same time, the vibration reduction system, motor system and heat dissipation system of the compressor are optimized for the special application environment of the truck parking air conditioning. A horizontal compressor for truck parking air conditioning with good vibration reduction effect and high reliability was designed.
Keywords: Horizontal compressor; Parking; Air conditioning system; Vibration
中图分类号：TB652
DOI:10.19784/jki.issn1672-0172.2020.99.039
1 引言
随着人们生活水平的提高，以及卡车司机逐渐年轻化，卡车舒适性成为卡车司机关注的热点。原装卡车空调需长期保持发动机不熄火，导致耗油大、污染大、噪声大、振动大等问题，卡车司机休息使用时体验差。
卡车驻车空调恰好解决广大司机痛点，其采用卡车电瓶供电，不需发动机运转，拥有较长制冷时间，有效改善驾乘人员的休息环境。但是，市面上部分卡车驻车空调采用挂壁式，存在违反交通法规的风险。
为解决上述问题，本文提出了一种置顶式卡车驻车空调系统，并解决了其应用过程遇到的系统高度过高、噪音振动大、可靠性差以及对应的压缩机设计等相关问题，可供业内人士参考。
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2 置顶式卡车驻车空调系统分析
2.1 系统安装位置
如图1所示，为一种常见的置顶式卡车驻车空调系统安装位置
示意图，由图1可见空调系统安装于卡车顶部。空调与卡车车厢之间
通过螺栓固定。
图1 置顶式空调安装位置示意图
由于系统安装于卡车顶部，为保证卡车总高度不超过国家相关法规限高规定，空调系统总高度通常要求不超过300 mm 。一般要求系统所用压缩机为卧式压缩机，且对应的系统进行优化设计。2.2 空调系统简介2.2.1 系统简介
常见的置顶式卡车驻车空调系统，一般采用类似窗机的一体化设计。将压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀装置、控制系统均设计于置顶系统。为保证换热效率以及外部雨水不通过蒸发器进入系统，通常将蒸发器相对其它部件密封。
由于蒸发仅有进出管和外部联通，且进风口位于室内侧，很好的保证外部雨水不会进入驾驶仓内部，且换热效率高。2.2.2 系统设计要点
卡车驻车空调主要在卡车司机户外休息时使用。其使用电源为车载24 V 电源，这就导致了驻车空调电流大，此时要求压缩机要进行特殊的设计，能带走大电流电机产生的高热。由于使用电瓶供电，为保证应用时间更长，系统性能也会进行优化设计。同时，由于卡车使用时颠簸的环境，系统减震与家用空调系统存在较大差异。为保证可靠性，一般系统会进行特殊的减震设计[1]。
置顶式卡车驻车空调由于安装在卡车顶部，司机在卡车驾驶室使用，司机对系统噪音以及从空调传递到驾驶室的噪音较为敏感。这就要求系统要进行特殊的降噪/减震设计。2.3 空调系统设计
2.3.1 系统性能优化设计
为保证空调使用时间更长，空调系统性能优化显得尤为重要[2]。系统性能计算如下式（1）：
EER=Q/W （1）式（1）中：Q ——制冷量，W ——消耗功率。系统运行过程，压焓图如下图2
所示。
图2 系统运行压焓图
根据热力学循环压焓图，有式（2）：
Q=q*（h1’-h4’） （2）式（2）中：Q ——制冷量；q ——单位质量流量；h1’——蒸发器出口焓值；h4’——蒸发器入口焓值。
制冷量与压缩机效率，换热器面积，循环风量关联性较大。而系统消耗功率W 主要为压缩机、风机、变频器消耗。为提升系统能效，系统进行如下设计改善：
（1）冷凝器斜置，最大限度的增大冷凝器的换热面积。蒸发器相对密封，且进风口设置于室内，提升两器换热效率[3]。
（2）压缩机进行高效化设计，且其和变频器优化匹配，保证压缩机变频器的高效率。
（3）室内外风机采用高效率抽风机，保证了两器散热效率的同时，风机最小。
基于上述方案设计的系统，实测性能如下表1所示。
表1 系统性能测试结果
工况
卡车空调
数据名称
单位
平均TD ℃77TS ℃29冷进℃70冷出℃40蒸出℃20干燥器℃40能力(W)2060功率(W)1060EER
(W/W)
1.94
如表1所示，采用卡车空调测试工况，24 V 低电压供电时，系统能效比接近2，处于业内领先水平。该系统应用，最长待机时间约6 h ，
很好的满足了卡车司机的需求。
2.3.2 系统管路减振设计
卡车驻车空调在卡车上使用，卡车行驶时颠簸的环境，如果系统管路仍然采用类似空调系统的管路设计方案，实际使用时很容易导致空调管路振裂[4]。导致系统有可靠性风险。为解决此问题，驻车空调系统与压缩机的连接管路通常采用软管连接。由于软管的采用，软管的柔性减振作用，保证了压缩机吸、排气管不会因为卡车振动大而振裂[5]。很好的避免了因为振动过大而导致的管裂风险。
采用本设计系统，参考JIS D 1601汽车零件振动试验方法标准中的相关条件进行振动测试，系统表现出良好的抗振能力。振动后试验后进行系统分析，系统无任何异常。
3 置顶式卡车驻车空调用压缩机设计
3.1 压缩机设计要求
压缩机应用于置顶式一体式卡车驻车空调系统，受系统高度空间的限制，空调厂商一般要求压缩机总高度130 mm～150 mm。目前立式机种无法满足其安装要求，故开发卧式压缩机对应。由于系统安装于卡车驾驶室顶，对压缩机的噪音、振动（特别是减振）提出了更高的要求。由于卡车电源为24 V，压缩机运转时电流大，这就要求压缩机设计过程充分的利用制冷剂对压缩机降温。同时，卡车颠簸的环境，对压缩机抗振能力提出了更高的要求。
3.2 压缩机降噪、减振设计
由于压缩机安装于卡车驾驶室顶部（压缩机工作时相当于在人头顶工作）。压缩机噪音、振动很容易传导到人耳朵中。特别是振动，传递到系统后，产生噪音，进一步传递到人耳朵，听感特别差。
3.2.1 噪音改善
针对压缩机的结构特性，笔者理论计算了最佳的消音器结构，优化消音器吐出口大小及位置，如图3所示为仿真计算结果，其中A 为原仕样，B/C为优化后的建议采用仕样。
根据理论计算结果，确定本回设计的压缩机的最佳消音频段。并且根据此计算结果，确定消音器孔最佳位置以及孔位大小，具体如下图4所示。
实际装机进行压缩机单体噪音测试，压缩机实测噪音OA值相对原仕样噪音OA值降低2 dB（A），能够满足客户的要求，且听感较好。
3.2.2 振动改善
驻车空调系统安装于卡车驾驶室顶部，系统振动传递到驾驶室内部，导致驾驶室内噪音大，对卡车司机影响尤为明显。改善系统振动，能够很好的改善驾驶室内噪音，能够很好的提升用户满意度，提高产品竞争力。
本回开发的卧式压缩机作为系统振动源，重点分析并改善压缩机振动，从而达到改善系统振动的目的。
卧式压缩机一般为四脚支撑，且存在倾角。对卧式机振动系统作单自由度振动分析[6]，可推导如下：
等效扭转刚度：
（3）其中，，
一般情况下，压缩机倾角θ较小，且当前置两橡胶垫距离等于后置两橡胶垫距离，即P
1
=P
2
时，有：
（4）
此时，回转振动固有频率f
n
：（5）频率比：（6）阻尼比：（7
）
图3 消音效果理论计算
图4
消音器设计简图
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压缩机加速度响应： （8）
其中：
c 1——橡胶垫轴向的阻尼系数；c 2——橡胶垫水平方向的阻尼系数；
θ——压缩机壳体轴线与水平线的夹角，即压缩机倾斜角度；R 1——前置橡胶垫到压缩机轴线的距离；P 1——前置两橡胶垫距离的一半；R 2——后置橡胶垫到压缩机轴线的距离；P 2——后置两橡胶垫距离的一半；
由多体动力学原理，卧式机底脚法向振动加速度为：
（9）
由此可知，由激励力矩产生的加速度响应在卧式压缩机底脚上会产生一个法向的速度分量，该分量的大小与脚垫距离P 1相关。脚垫距离越近，该法向速度越小。与立式机相比，由于激励力矩带来的法向
加速度分量，卧式机底脚的振动明显偏大。因此，底脚作为压缩机振动传递到系统的路径之一，其对卧式机的影响明显大于立式机。在考虑卧式机减振时，底脚对系统的振动贡献量要着重考虑。
基于上述理论分析，振动改善主要注重振动传递的改善，项目推进过程中，提出了橡胶脚垫+弹簧脚垫方案，具体如图5
所示。
图5 橡胶脚垫+弹簧脚垫简图
如图5所示，该减振脚垫为上下橡胶垫配合中间弹簧，由于弹簧悬空，实际压缩机运转过程中，利用弹簧柔性减振，有利减小压缩机振动向系统传递，减振效果好。如表2所示为同台压缩机采用弹簧脚垫与量产橡胶脚垫对比噪音/振动测试结果。
表2 单体噪音/振动测试结果
仕样测试条件噪音 dB （A ）
主壳体 切向
m/s 2储液器回转
m/s 2量产橡胶垫
ASH a b c 弹簧脚垫ASH
a-1
b-3
c-3
根据测试结果，卧式压缩机单体振动改善明显。由于采用弹簧脚垫，其更主要的作用是减少了压缩机振动向系统的传递。推测采用弹簧减震脚垫，系统减振效果更明显。采用该弹簧脚垫及原橡胶脚垫，压缩机装入系统，在卡车驾驶室内和驾驶室顶部进行对比振动噪音测试，结果如下：
如图6所示为橡胶脚垫（整改前）VS 弹簧脚垫（整改后）驾驶室顶部振动测试结果：曲线A 为改善前测试结果，曲线B 为改善后测试结果。
图6 振动测试结果
根据图6振动频谱测试结果，卡车顶部最大振动由A 降至B ，降低约1 m/s 2。
本设计采用弹簧减振脚垫，振动改善效果明显。如图7所示为橡胶脚垫（整改前）VS 弹簧脚垫（整改后）驾驶室内噪音测试结果：曲线A 为改善前测试结果，曲线B 为改善后测试结果。
图7 噪音测试结果图
根据图7噪音频谱测试结果，卡车驾驶室内部噪音最大值从A 降低到B ，降低约10 dB （A ）。本设计弹簧减振垫采用，卡车驾驶室内部噪音改善明显。
3.3 压缩机本体散热优化设计
由于卡车驻车压缩机为低电压大电流，电流大则电机发热量
大。如果卡车司机在户外暴晒的环境下使用，空调冷凝温度可高达
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55℃，此时电机负荷重，导致发热量更大，如果不能很好的带走电机热量，可能导致电机过热进而损坏电机。
为改善电机散热，卧式压缩机进行了如下针对性的改进：（1）压缩机增加导流腔；（2）增加转子通孔及转子风扇。导流腔简图如图8
所示。
图8 导流腔简图
根据图8所示，由于导流腔的存在，压缩机泵体压缩后的制冷剂导流到电机侧冷却电机后再排出。
如图9
所示为转子风扇示意图。
图9 转子风扇示意图
有转子上开有气体流通孔，在压缩机运转过程中，转子风扇产生负压，可将压缩机泵体排出的制冷剂气体抽吸到上壳体侧，有助于制冷剂冷却端子、插座以及电机，提升了低电压卧式机种的可靠性。3.4 压缩机端子接线可靠性设计
由于驻车卡车的颠簸环境，压缩机端子接线如果不进行优化
设计，很容易因为颠簸的环境使得接线松脱，导致压缩机接电不良无法运转。为解决上述问题，本文设计的压缩机采用如图10所示的线耳式端子上壳体，并配合如11所示的端子连接器使用。
在实际使用过程中，连接器插接于上壳体端子上，外接电源线并弯折线耳，用螺钉将线耳、线接线和连接器固定在一起，保证了
卡车颠簸的环境电源线不会松脱，从而提升了卡车驻车空调特殊应用环境的可靠性。
4 结论
本文通过对置顶式卡车驻车空调系统应用环境进行简要分析，了解了系统设计要点以及其特殊的应用环境，并且有针对性的进行系
统改良设计以及压缩机优化设计。所设计的压缩机及系统适应性好，可靠性高，具有广泛的应用前景，其设计手段，可供业内人士参考。
参考文献
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汽车脚垫什么材质好, 2014(09): 79-83.
图10 线耳式端子上壳体简图
图11 端子连接器简图
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