世界各国积极寻求解决方案应对日益加剧的能源和环境问题,燃料电池汽车(Fuel Cell Vehicle,FCV)成为各国竞争的焦点。涡旋式压缩机作为车用燃料电池阴极供气系统空压机的首选机型之一,可对进入电堆空气增压以提高燃料电池的功率密度和效率。目前国内应用于60kW以上的无油涡旋空压机尚未突破,故研制并优化具有自主知识产权的车用燃料电池涡旋空压机,对于我国补强车用燃料电池系统关键部件短板具有重要意义。本文着重解决的是60kW燃料电池用无油涡旋空机开发设计和涡旋齿优化设计问题:介绍了燃料电池用无油涡旋空压机的原理结构与设计理论基础,重点介绍了双涡圈涡旋空压机的几何理论、传热理论及力学模型,详细介绍了燃料电池涡旋空压机的设计理论、设计流程和设计细节,并应用MATLAB、SolidWorks和ADAMS等软件设计了单盘双侧双涡圈并联式机头结构型的PEMFC-SC-60kW型燃料电池空气供给无油涡旋空压机,同时通过建立虚拟样机并通过运动学与动力学仿真进行装配设计、干涉检查与运动件动平衡设计,验证了空压机的运动规律。为了进行燃料电池空气供给无油涡旋空压机运行干涉预判与装配间隙计算,计算了涡旋盘各压缩腔在一个循环内的容积离散值,得到压缩腔不同主轴转角的温度载荷与压力载荷初值,经过均匀化传热计算得到涡旋盘循环平均温度场与气压场,提出了基于均匀载荷的针对涡旋齿变形及应力仿真分析需求的温度和气压场的获取方法,提出了涡旋盘温度场径向分段分布理论并采用试验结合仿真的方法验证了其可行性。提出了指数分段公式计算温度方法并分析验证了其更具简洁性且能满足精度要求。基于ANSYS有限元仿真分析得到温度、气压均匀载荷耦合作用下涡旋盘的变形及应力场,采用型线干涉判定方法,得到涡旋型线修正值,并确定涡旋盘轴向与径向装配间隙。仿真结果表明:定盘应力最大值是153.21MPa,位于涡旋齿始端根部;动盘应力最大值是88.88MPa,位于涡旋齿终端根部;涡旋齿最大径向修正值为0.092mm,70%区域的修正值小于0.030mm,平均值为0.0239mm,所有配合面增加0.010mm附加修正值得到等效径向配合间隙为0.0339mm;动定涡旋盘轴向配合面变形后无干涉,轴向间隙设置为0.010mm。