中职汽修专业汽车自动空调实训试验台的设计

秦 胜,陈 同,盛韶英

(安徽省马鞍山工业学校,安徽 马鞍山 243031)

中职汽修专业汽车自动空调实训试验台的设计

秦 胜,陈 同,盛韶英

(安徽省马鞍山工业学校,安徽 马鞍山 243031)

中职学校对汽车空调系统的教学主要是借助于整车进行，但汽车空调安装的空间狭小、部件隐蔽，在上实训课时不方便观察和讲解。为了解决这一问题，决定自行研制适合中职教育特点的汽车自动空调试验台，通过对试验台车型的选择、总体布局设计、框架设计、控制面板的设计、主运动件及传动件的选取，最终实现汽车自动空调试验台的全面设计。首先借助AutoCAD制图软件对试验台整体结构进行设计，再借助现代机械设计手册对要选择的材料强度进行估算，并不断分析、总结，确定最佳设计方案。研究成果一方面弥补了中职学校汽修专业汽车自动空调设备的不足，另一方面也为以后汽车自动空调试验台的研制提供了依据。

中职；汽修专业；汽车自动空调；试验台；设计

1 前 言

安徽省马鞍山工业学校是首批国家中等职业教育改革发展示范创建学校，提升师资队伍实践指导水平、提高毕业生就业能力是重要的创建内容。实训设备研制也是对教师水平提升和学生能力提高的一种方式，恰逢学校汽车专业《汽车空调》课程实训教学设备紧缺，投资不足，根据对当今汽车空调发展状况及企业调查分析，决定自行研制汽车自动空调实训教学试验台。不仅可以弥补学校汽车专业教学资源紧缺现象，同时提升教师的教研业务能力，节约了教学设备投资成本。

汽车自动空调试验台的设计，不仅仅模仿整车上空调具有的空调系统工作过程的演示功能，更重要的应满足部件的重复拆装需求、具有很强的系统调试与检测操作功能，进而模拟整车各种工况进行各种故障诊断与排除。只有这样才能全面培养学生对汽车自动空调系统认知与维护的能力。

为了使学生更好地掌握汽车自动空调系统的组成、布局，该试验台上空调系统元器件的安装位置、结构布局、电路的布置、空调试验台各个部件的布置基本上与原车空调系统位置一致。

2 试验台车型的选择

图1 Passat汽车发动机舱自动空调系统零件图

在车型的选择上，根据中职教育服务当地经济发展要求，以国内及安徽省目前不同品牌汽车保有量为依据，并综合考虑汽车空调试验台研制的时代性、代表性、实用性和经济性，确定以装用自动空调且保有量较多的车型为主。根据市场调查，决定以大众Passat车型为模板研制汽车自动空调试验台。帕萨特(Passat)是德国大众汽车公司设计的一款中型轿车。 Passat以其良好的动力性能、整体设计、安全概念、驾乘舒适性及耐久、耐用性等特点在国内深受广大消费者喜爱[1]。大众Passat是目前国内保有量较多和受欢迎程度较高的中型轿车之一，具有一定的代表性和可以开发利用的前景，从而保证该设计作品是适合社会需求、适应中职汽车专业需求，具有极高的研制价值。为便于开展实训教学，所设计的汽车自动空调试验台应尽量符合实际Passat汽车自动空调系统布置要求，如图1所示[1]。

3 空调试验台总体布局设计

为便于展开实训教学与操作方便，将空调系统主要部件装配在试验台主框架上，再将制作好的厢式面板与试验台架组合后，即基本形成汽车自动空调试验台总体布局。见图2所示。

4 试验台台架的设计

根据试验台架总体布局，对汽车自动空调试验台台架进行精心设计，包括各总成部件的位置布置、便于拆装、空间布局、材料选取和便于操作等方面[2-4]。

首先，试验台架内部用来安装空调系统的各个总成部件，在整体布局上力求与实车的空间位置相符合，使学生通过试验台操作实训后能直接从事车辆上的空调系统维护与维修工作；第二，要易于拆装，有利于学生进行空调系统总成拆装实训，在教学过程中避免浪费时间；第三，既要节省空间，又不能过于密集，以防各部件的工作相互影响，使空调系统无法正常工作。尤其是蒸发器与冷凝器，空调工作时蒸发器需要从外部吸收热量，而冷凝器需要释放热量，若它们的吸、放热不能充分进行，制冷效果就会受到影响；第四，对试验台架制作的原材料有一定的要求，除了具有一定的强度、能够承受一定的载荷，还要考虑材料的经济性，通过已有的试验台和综合评定，确定选用45号钢为台架的主要原材料，该材料的强度和价格均适合。台架的各连接处采用焊接方法或螺栓紧固，其强度不低于材料的强度，可以达到固定空调系统零部件和支撑空调系统台面的要求。第五，因试验台的制作是为了方便教学，在教学中要进行移动或固定，所以台架尽量小巧，并在台架下安装带锁止装置的滑轮。

图2 自动空调试验台总体布局

4.1 台架框架的设计

台架框架是汽车空调系统零部件的支撑，也是整个空调系统试验台的外型，其设计合理与否对空调试验台的使用效果有直接影响，设计过程比较复杂。本试验台设计分为两大部分，即空调测控试验台和空调控制电路显示板[5]。

根据Passat汽车自动空调实车安装情况，将空调系统的各主要部件粗略连接，根据连接后的整体长、宽、高及各主要部件的尺寸，结合校内现有试验台架的特点，同时便于学生实训操作，初步设计台架的长、宽、高，本试验台架长为1 900 mm、宽为800 mm、一端高为800 mm、另一端高为560 mm。为了安装空调控制面板和空调控制电路显示板，根据控制面板尺寸，在台架的上平面距离高度为560 mm一端700 mm处焊接一根长为800 mm的横梁；为了安装空调系统各总成部件及提高台架的强度，按需求增加多根梁，台架主框架设计图见图3、图4、图5所示。为了便于教学，使试验台可以随时移动，在台架四角下面各安装一个直径为40 mm的橡胶轮，此橡胶轮既能转向又能使试验台停驻，同时适当地起到减震缓冲作用[2-4]。

4.2 电动机、空调压缩机支撑架的设计

电动机、压缩机支撑架是在纵向位置上支撑、固定和调节电动机与压缩机的架子。共采用3根梁，其中一根长为720 mm的方管横梁和两根长为740 mm的50 mm×50 mm的角钢纵梁焊接于主框架上，每根角钢纵梁上开有2个螺栓孔和两个延伸孔，其中螺栓孔用来固定空调压缩机，延伸孔用来调节和安装电动机。

图3 台架主框架图 图4 台架主框架C向视图

由于汽车上空调压缩机固定在发动机机体侧面，可通过张紧轮调节压缩机皮带的张紧度。而本试验台用电动机取代了发动机，也没有设置张紧轮；同时在空调试验台上，空调压缩机与空调系统的高低压管路连接，不便于移动，所以只有通过调整电动机的位置来调节压缩机皮带的张紧度，通过在支撑电动机的角钢上设置延伸孔来实现，延伸孔的尺寸为长90 mm，宽10 mm，支撑钢梁的结构与尺寸如图6所示。

4.3 冷凝器、电动风扇架的设计

在汽车上，冷凝器一般安装在发动机散热器的前面，其功能是将压缩机送来的高温、高压气态制冷剂向外释放热量冷凝成为高温(50～55 ℃)、高压(1 100～1 400 kPa)液态制冷剂[6]。鉴于冷凝器的扁平结构形状和质量轻的特点，本试验台的冷凝器和电动风扇均通过垂直方管直接安装在主框架的一端。如图7(a)、(b)所示。

图5 台架主框架B-B向视图

图6 电动机-压缩机支撑梁

(a) 冷凝器架设计图(D-D) (b) 电动风扇支架设计图(E-E)

图7 冷凝器、电动风扇架设计图

4.4 暖风水加热器架的设计

图8 暖风水加热器架设计

汽车暖风装置的热量来源于发动机冷却液循环时吸收的混合气燃烧热[6]，而试验台上用电动机取代了发动机，没有冷却液的循环流动。为了实现试验台的供暖功能而设置水箱，在水箱内安装加热电阻，当需要供暖时，加热电阻通电，将水箱内的水加热，在电动水泵的泵吸作用下，热水进入热交换器循环，实现供暖。为了防止加热时烫坏其它部件，在试验台中部一侧，焊接角钢支架，用来支撑加热水箱。见图8所示。

4.5 汽车进风与空气混合风道总成架的设计

汽车进风与空气混合风道总成包括鼓风机、蒸发器、风道、通风温度传感器、叶板定位电机等。由于这些部件都比较轻，且鼓风机和蒸发器被风道总成包裹，同时防止蒸发器和冷凝器互相干扰，所以在试验台主框架的另一端通过焊接角铁和相应的辅助件，通过螺栓连接来悬吊汽车进风与空气混合风道总成。风道总成基架如图9所示，小吊架结构如图10。

图9 进风与空气混合风道总成架设计

(a)风道总成小吊架1

(b)风道总成小吊架2

(c)风道总成小吊架3

5 试验台控制面板和电路检测面板的设计

控制面板和电路检测面板的布置主要考虑其便于教学演示、易于操作、体现学生操作的方便性和教学过程的直观性，兼顾试验台整体布局的合理美观。因此试验台的控制面板和电路检测面板设置成一个厢式整体，设计图见图11(a)所示。

图11 板面设计

在正面板上设计有自动空调电路原理图及电器部件检测插孔，其上标明每个电器部件的名称，正面板的背面箱盖下安装有空调系统传感器、执行器的输入/输出信号传输线，可以通过空调控制电路图的检测孔，采用万用表直接测试电压、电阻值，用于学生对汽车自动空调电路连接、原理和电路故障检测的模拟学习与实训，适合于初、中级水平的学生使用。在水平面板的下方箱体内布置有12 V电源、继电器电板、空调控制ECU等总成。为便于学生操纵空调及实训故障设置，设计了L型标准信号显示测控台，如图11(b)所示。斜面板上安装有自动空调操作与显示单元E87、OBD-Ⅱ诊断接口、阳光入射光电传感器和环境温度传感器、电源开关等，在空调运行时，借助故障诊仪器可以通过OBD-Ⅱ诊断接口读取空调控制单元内存储的故障码。在侧边板上，设置有空调电脑仪表灯开关、故障设置扭子等，用于空调模拟电路故障的设置。

6 主运动件及传动件的选取

6.1 空调压缩机的选取

通过对大众Passat实车空调系统的了解，为了使试验台更接近实车，本试验台选取大众PassatB5车型装用的DENSO 7SBU16C-4PK-125 mm空调压缩机，该装置为单一功能型全自动调节压缩机[7]，皮带轮外径为125 mm，额定功率为1.8 kW。

6.2 电动机的选取

空调试验台用电动机取代了原车上发动机的功能，带动系统中的空调压缩机进行工作。为了与原车一致，该空调试验台中采用的空调压缩机的功率是1.8 kW，额定转速为1 400 r·min-1，为保证电动机能够驱动空调压缩机，所以选用的电动机的功率应大于空调压缩机的额定功率[8]。考虑到空调系统中电动机的工作环境及就近原则，选用由安徽皖南电机股份有限公司生产的Y系列宽频三相异步电动机。所选用的电动机型号为YP2-100L1-4，其额定电压为380 V、额定电流为5.1 A、额定功率为1.9 kW，额定转速1 420 r·min-1。

6.2.1 电动机容量的确定

(1)计算总传动比

(2)计算传动装置的运动和动力参数

6.2.2 传动皮带的选用

(1)确定设计功率Pd

根据选用压缩机的皮带轮结构，初步选取多楔带[10]。查阅JB/T5983-1992表2，按每天连续运转时间≤6h，得知工作状况系数KA=1.0，而电动机的额定功率为P=1.9kW。计算皮带设计功率Pd=KA×P=1.0×1.9=1.9kW。

(2)选择带型

根据N1=1420、Pd=1.9kW和JB/T5983-1992中图1选择带型为Pj型。

(3)计算传动比

(4)确定带轮有效直径de1、de2

(5)确定皮带有效长度Le和中心距a

①计算初定有效长度L0，选择有效长度Le

查阅设计手册得：0.7(de1+de2)

根据L0=750mm在JB/T5983-1992中表6长度系列中选取Le=750mm。

②中心距a=[a0+(Le-L0)]/2=375mm。

③确定中心距调整量

图12 带轮中心距变动范围

因为Le=750 mm，查阅JB/T5983-1992中表7及图2(图12)得知：Δ=8 mm，δ=10 mm。中心距变动范围为：(a-δ)～(a+Δ)，即365～383 mm。

(6)确定带轮包角系数Ka、带长修正系数KL

因两带轮直径相同，所以带轮包角为180 °，查JB/T5983-1992表8得带轮包角系数为Ka=1.00。根据带的有效长度Le=750 mm，查JB/T5983-1992表9知带长修正系数KL=0.87。

(7)确定带每楔传递的基本功率、传动比引起的功率增量和带的楔数Z

由带轮包角a1=180 °、带长Le=750 mm，小带轮转速为1420 r·min-1，查JB/T5983-1992表10和表11知：带每楔传递的基本功率P0=0.55 Kw，传动比引起的功率增量ΔP0=0 r·min-1。

(8)带传动的失效形式

由于带传动工作时承受拉应力，在长期的拉应力作用下将产生疲劳耗损。摩擦传动带的疲劳耗损形式主要有四种：裂纹、脱层、磨损和断裂。在其传动过程中，这四种疲劳耗损形式具体表现在带的传动故障有多种：带打滑、带体硬化、异常噪音、带振动大等。当带轮接触面间极限摩擦力总和大于有效圆周力时，才能保证传动带不打滑。汽车自动空调实训教学试验台的设计目的是用于教学，其工作时间不长且不连续，每天大约使用2h，每学期大约使用2个月，皮带的使用寿命是足够长的。

7 总 结

本文对汽车自动空调试验台进行了全面设计，首先根据实车上空调零部件布置情况及便于实训操作对试验台总体布局进行确定，然后对试验台主框架、面板进行大致的布局，然后根据各个零部件的结构特点进行支撑架设计和零部件装配位置的确定，使其既接近原车布置，又能满足实训操作需求。本文还根据原车用空调压缩机的参数对电动机的参数进行运算，以选取经济实惠的电动机，并根据电动机与空调压缩机之间的传动要求选取合适的传动皮带。通过对空调试验台主框架、控制面板、检测面板和零部件装配位置设计，更加明确了试验台设计思路，使制作出的试验台更合理、实用和经济，便于学生实训操作。

[1]周艰平,蒋恒军.帕萨特轿车空调系统[J].上海汽车,2001,(12):18-20.

[2]刘伟松,任威.多功能汽车空调试验台的研制[J].科技传播,2013,(02):131-132.

[3]蒋小健.帕萨特轿车空调实验台架的开发与运用[J].科技博览,2011,(37):54-56.

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[责任编辑：王荣荣 英文编辑：刘彦哲]

Design of Practice Test Rig of Automobile Automatic Air Conditioning for Car Mechanic Professional Teaching in Secondary Vocational School

QIN Sheng,CHEN Tong,SHENG Shao-ying

(Anhui Province Maanshan Technical School,Maanshan,Anhui 243031,China)

The teaching about automotive air conditioning system is conducted with the aid of car in secondary vocational school.But there are many problems,such as narrow space,hidden component and difficult to see in the training.To solve these problems,the research group decided to develop auto air conditioning test rig which can fit the secondary vocational education.At first,we select car types,then made a design of the overall layout,the test bench frame and the test bench control panel,then selected the active part and the driving medium.At last we achieved the overall design of the auto air conditioning test rig.We designed the entire structure of the test rig with the aid of Auto CAD,calculated the parameter of material with the aid of the Modern mechanical design manual and determined the best plan of the auto air conditioning test rig.The research achievement,on one hand,makes up the equipment shortage of auto air conditioning in the auto mechanic professional in the secondary vocational school,and on the other hand,provides a reference resource for development of auto air conditioning test rig in the future.

secondary vocational school;car mechanic professional;automobile automatic air conditioning;test rig;design

安徽省职业与成人教育学会课题“中等职业学校机电一体化汽修模块汽车自动空调试验台研制”(BBB12015)

秦胜(1979-)，男，安徽马鞍山人，讲师，硕士，研究方向为汽车运用与维修。

陈同(1977-)，男，高级讲师，本科，研究方向为汽车运用与维修方向。

U 463.85+1

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2015.05.005

来稿日期：2015-05-28