汽车真空泵.

文献综述

前言

汽车的制动性是汽车的主要性能之一，是汽车高速行驶的重要保障，关系到人们的生命及安全财产。对于普通乘用车和轻型商用车，其制动系统主要采用液压作为传动媒介，与可以提供动力源的气压制动系统相比，它无法为驾驶员提供制动助力。因此，为了提高汽车的制动性能，减轻驾驶员的劳动强度，现代乘用车与轻型商用车的制动系普遍加装助力装置，即采用具有助力功能的伺服制动系统。

伺服制动系统是指在人力液压制动的基础上加设一套由其他能源提供制动力的助力装置，使人力与动力可兼用，即兼用人力和机械动力作为制动能源的制动系。而真空助力器是伺服制动系统中最常用的助力装置，因此，伺服制动系统也称作真空助力制动系统。真空助力器依靠其内部真空腔与大气压的压力差来提供助力，因此真空腔必需保持在一定真空度，才能对外输出制动助力。传统的汽油发动机在工作时，其进气歧管处产生较高的真空度，可以为真空助力器不断地提供真空源，保证伺服制动系统的正常运行。但现在为满足环保要求而新开发的汽油直喷发动机，其进气歧管处真空度较低，无法提供足够的真空来源。另外，在混合动力汽车上，由于发动机不能全时工作，也无法保证足够的真空度；而对于纯电动车，更是完全需要外部真空源来保证制动性能。因此，需要提供一种新的方案来解决汽车制动系统的助力问题，保证汽车的制动性能不因发动机结构的改变而降低。

真空泵即是给助力器提供负压的装置。整车对于真空泵，其主要求有：体积小、功耗小、响应速度快、真空度较高、NVH 性能优越、干式运转、性能可靠、造价较低等。目前比较成熟的真空获得设备类型有：液环式真空泵、往复式真空泵、旋片式真空泵、滑阀式真空泵、罗茨式真空泵、爪型式真空泵、涡旋式真空泵、螺杆式真空泵和分子式真空泵。考虑到车用电子真空泵的特点，开发可行性最高的是往复式真空泵和旋片式真空泵。相比而言，旋片式真空泵由于其动平衡性能较好，其振动噪声小，因此本课题选择对旋片式真空泵进行设计研究。[1]

主题

发展及其现状

自1909年盖德(W.Gaede)发明旋片泵并取得德国专利,1936年又发明气镇泵, 1941年取得专利以来,旋片真空泵得到广泛应用和不断完善"60年代末,国际上出现了提高转速、直联的小型化趋势,70年代初出现了直联系列产品,到80年代初,又推出了改进的系列产品,有多种可供用户选配的附件,可以保护泵,或保护环境,泵本身结构也有改进而使可靠性提高"在泵的结构方面,为了能在停泵时防止返油,有的设有能自动切断油路的止回阀,有的设有进气通道截止阀,有的为了能在泵开气镇运转突然停电时自动切断气路来保持泵口处于真空状态而设有油

泵和控制结构"在附件方面,有消雾器、气味过滤器、阻挡碎玻璃等杂物用的入口过滤器、灰尘过滤器、蒸汽凝结阱、化学阱，有控制泵温以提高水蒸气抽除率和保护泵的温控水量调节阀"到了80年代末,90年代初,又推出了油过滤器、能监视油温、油压、油质等的电子显示器,甚至可以与计算机联接,进行自动控制,采用强制润滑和风冷,使泵的连续工作入口压力达10kPa,甚至更高,同一台泵的适用范围因而更大。在转子与定子的相对位置上,也有人做了研究,例如采用偏侧心,下偏心等。最近几年,我国的旋片泵生产取得了很大的进步,但由于加工工艺和设备落后,机械的加工水平不足,导致我国的旋片泵的技术水平仍然相对落后,难以满足各大新兴行业的需求。[2]

国内外的旋片泵产品性价比参数相差巨大虽然近几年来,国产旋片泵的性能指标,像：抽气速率、极限真空、用油量!最高使用温度等方面取得了一定的进步。但是在一些用户比较关心的方面,如密封、重量、比功率、使用寿命、外形!噪声等方面,与国外的同类产品相比还存在着很大的差距"与国外产品相比,国产旋片泵存在的问题具体表现在以下几个方面：

(1)抽气效率过低

泵的抽气效率是指实际抽速与理论抽速之比"按照JB/T6533一19975《旋片真空泵》标准规定,2Pa时双级泵的抽气效率不应低于45%,1.5kPa时不低于80%，该项指标表示了泵的抽气能力,旋片泵不合格产品中有80%是因为该项指标过低。

(2)存在喷油漏油现象

不喷油、不漏油是关系着环境保护的重要指标,对于制冷、半导体、电子、食品包装行业来说都是不允许有喷油漏油现象的。当前旋片泵不合格产品中有20%既是因为该问题的存在。

(3)噪声过大

噪声过高也是迫切需要解决的问题之一,旋片泵不合格产品中因为噪声过高而导致不合格的产品占了20%。例如,按照JB/T6533一19975《旋片真空泵》规定,2升旋片泵的噪声不得大于72dB,而实际上现实中有些泵的噪声甚至高于75dB。

（4）轻量化不足

虽然标准中没有对旋片泵重量进行硬性规定，但国产旋片泵在选材及结构设计均不如进口产品，轻量化程度不够。如抽气速率均为2L/s 的国产2XZ-2B 旋片泵，整机重量24Kg，德国莱宝的D8B 重量仅为21.2Kg。

以上三个方面是目前国产旋片泵存在问题比较严重的地方"此外,在极限压力!比功率!用油量!重量!最高使用温度!外观造型上都还有待提高。[3]

工作原理

旋片式真空泵是一种依赖转子和可以在槽内滑动的旋片与定子共同实现空腔体积变换来实现真空的变容积式机械真空泵。其结构如图1：偏心放置在定子中心转子与旋片分割定子的容积，成为A、B、C三个独立的工作腔，分别为吸气腔、压缩腔和排气腔。转子上开有纵向的转子槽，槽内装有沿径向可以自由滑动的旋片。当转子转动时，旋片在离心力及弹簧力作用下从槽中甩出，实现A、B、C三个工作腔的分割。其中，旋片式分割的独立工作腔，称之为基元。随着

转子的转动，基元容积从小到大实现周期性的变换，从而达到抽出气体的目的。

[4]

图 1 旋片式真空泵工作原理示意图

结构组成

旋片式真空泵主要有：泵体、转子、旋片三个主要部件构成，具体结构见图2：[5]

图 2 单旋片式真空泵的结构

（1）泵体是旋片泵的主体,根据其安装结构的不同,可以分为三种类型:整体式(图2a)、中壁压入式(图2b)和组合式(图2c)。整体式结构要求加工精度高,高低真空级的两腔同心度不易保证；中壁压入式结构中,高、低真空腔为一体,中壁经冷却后由压力机装入,结构简单,加工和装配量小,但中壁尺寸公差要求严格;组合

式结构各零件易于加工,加工面多,精度高,废品率低,互换性好,适合于大批量生产。

图 2 旋片式真空泵的泵体

（2）转子是旋片泵的核心部件。转子结构有三种形式:压套式(图3a)、转子盘式(图3b)和整体式(图3c)。其中,整体式结构加工件和装配量小,但旋片槽加工困难,难以达到高精度,适用于大泵；转子盘式结构中如图,两半转子盘用螺钉和锥销紧固后,两转子体之间形成旋片槽,这种结构零件多,加工装配量大,有较高的加工精度；压套式结构如图,两半转子中间用衬块儿保证旋片槽宽,要求加工精度较高,装配较复杂。其中,转子盘式结构最常见。[6]

图 2 转子结构

旋片式真空泵主要尺寸参数的计算

关于泵主要参数和尺寸的设计计算,可以根据经验和公式选取不同参数、比较再选择并把尺寸圆整,最后选定方案,验算有关数值。这里介绍一种计算方法。

S、泵轴转速n、旋片数Z、初选直径比已知名义抽速S、选定几何抽速为th

K。[7]

b、长径比a、容积利用系数v

(l) 几何抽速th S

JB/ T6533-1997 要求泵的几何抽速th S应为名义抽速S的1.0-1.2倍。几何抽

V、转子速度n、旋片数目z和泵腔高度h有关。速的大小与真空泵的吸气容积s

由于国内行业标准规定用几何抽速来考核抽气效率,因此,如果用户要求泵的最大抽速更接近名义抽速,则应选较大的th S 值,对于排气压力较高的泵,更应如此。

z n h A z n V S s ???=??=th

（2）泵轴转速n 的选择

对于同一抽速，转速小则尺寸大,体积大,重量大,材料消耗较大,但温升较低,旋片头部最大线速度较小,对旋片材质和泵油要求较低,橡胶件不易老化。反之,n 大则尺寸小,体积小,重量轻,用料少。普通真空泵转速n 一般在800-1500r/m 之间。

但是车用真空泵与普通真空泵有很大区别，车用真空泵额定转速在4000-5000r/m 之间。怠速时只有2000r/m 。这样应采用比重较小的耐磨的叶片材料，增强冷却，改进泵有性能；同时增加叶片的个数以提高抽速，保证汽车在怠速时也能有效制动。

（3）旋片数自z 的选择

对于4pa 以下极限压力的泵,在每一级中一般多取z=2。采用z=3 的也有,但较少,而且原先用3 片的莱宝DA 系列泵在DB 系列改进型泵中又改用z=2。片数多,加工要难一些,成本要高一些,抽速则可增加一些。对于极限压力为50-500 Pa 的泵,h 值较大,容积利用系数较小,增加片数一可增加抽速,二可使性能稳定。常用3片,对于干式旋片泵则多用4片。

本文设计泵选用2片即z=2。 （4）选择直径比b

直径比是指转子的外径d 与定子内径D 数值的最大值的比值，即b=d/D,抽速一定,b 小则泵的定子尺寸小,偏心距e 大,泵运转时旋片最大伸出长度与留在槽内的长度之比大,旋片受力大,容易磨损或发生故障。在使用中b=0.75-0.90。连续工作人口压力较低的可取小值,反之可取大值。

(5 ) 选择长径比a

长径比是指泵腔高度与定子内径a 数值大小的比值，即 a=L/D 。L 是泵腔长度,对于双级泵指高真空级的长度,D 是泵腔直径,a 值的选取影响旋片头部的最大线速度,与泵温、磨损有关,影响加工工艺性、外形尺寸以及外形的美观。a 值还受进气口结构的限制。通用化规格选择不当,会使泵温较高,外形尺寸大,重量大,一般取a=0.4-1.5,对于大泵取大值,小泵取小值。

选取或计算容积利用系数

v

k 通常总通过合理计算的布置进气口和加进气导

流槽来获得最大容积利用系数。v

k 的计算方法有两种一种是直接从表中查取见

表1。

表1 两旋片时的

v

k 值

b

0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 v

k

0.86 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.84 0.84 0.84 0.84

另外一种方法就是通过公式计算： 对于两旋片

)

1(2sin )(22

2

121k b b v --+-=

ππ??π

式)1arccos(b -=?。

（6）旋片式真空泵泵腔主要尺寸计算如下：

a)泵腔直径D ，转子直径d ，高级缸长L1，偏心距e ，单位为mm 。

3

2v th

7)

1(K z s 1024D b a n -?=π

bD d =

aD L =1

)

(21

d D

e -=

b)旋片圆头最大线速度max v 的验算

3

max 10)(30-?+=

e R n

v π

式中 R 是泵腔半径，e 是偏心距单位为mm 。 此值过大，泵的温度一般比较高，而且会使树脂浸渍的层压旋片头部焦黑开裂，所以设计数据应该尽量满足要求，提高泵的性能和工作寿命。

c)旋片尺寸的确定 旋片高度h 的计算

22min e R h -=

旋片的最大伸长e d D h 2=-=，其中只有min h h ≤，才能避免两旋片在槽内相碰，另外为了保证旋片在槽内自由滑动，可靠工作，密封性良好，旋片选取最小长度12h h ≥，且h h 4.02≥，21h h h +=。

d)旋片厚度B 的选取

选片厚度应k 考虑材料、强度、密度、旋片和转子旋片槽的工艺性。材料的强度高变形小，离心力大，所以对于大泵要考虑适当选薄一些，或用非金属材料代替，对于高速直联结构，一般都应采用非金属材料。表2是一些产品中实用的材料和厚度，以供参考。

表2 旋片厚度B 的选择

（mm ）

抽速 0.5

1 2 4 8 15 30 70 150 材料 2XZ 型 5 5 5 5 8 8 10 12 — 非金属 ZX 型 6

6 8 8 10 10 10 12 15 20 铸铁或非金属 XDZ 型

4-5

5

5

6-8

7

8

1

9 — 非金

属

（7）进气口直径的选取

管道直径对真空泵的抽气效率有影响，入口压力越低，影响越大，见表3。 查表后，进气口直径为18mm 。

表3 旋片泵进气口直径标准值

（8）排气口尺寸的确定

真空泵的最大排气速度v 过大，对防止喷油不利，还会降低高入口压力时的抽速率过小则排气口总面积大，结构尺寸较大，推荐取v=20-30 m/s 。

如果是双级泵，且高、低二级都设排气阀，则大气启动时二级同时排气。所以排气总面积F 包括二级的排气面积。按流量连续性原理，应有

L L h h p s p s p s p s 22222211+==

式中

1s -真空泵的抽速，可取th

s 86.0s 1=； 1p -真空泵的入口压力，单位为a p ；

h

s 2-高级排气容积流量，单位为m/s ；

L s 2-低级排气容积流量，单位为m/s ；

h

p 2-高级排气压力，单位为

a

p ；

L p 2-低级排气压力，单位为a p

；

因为

10Fv s =

，所以v s

F 10=

。其中s 可由设计者决定，例如：二级设置相同

排气面积和2p ，则

21

12p p s s =

。

如果排气口为直径d 的n 个小孔，则πn F d 2

=。

经计算：排气口直径d=10.8mm 所需功率的计算

真空泵的最大压缩功率：

3

11210--?=k

th k

s p W

式中 2p -排气压力，单位为a p

；

抽速（L/s ） 0.5 1 2 4 8 15 30 70 150 进气口径（mm ）

16

16

25

25

40

50

63

80

125

由于考虑摩擦，扰油启动时的阻力较大及传动损失，设计选用电动机的功率为

p

m W P ηηεmax

=

式中 ε-真空泵的过载系数，ε=1.2-1.4； m η-真空泵的机械效率，m η=0.75-0.80； p

η-真空泵的传动效率。

软件介绍

本课题采用Pro/E （5.0）三维建模软件。Pro/E 三维实体建模设计系统是美国参数技术公司（Parametric Technology Croporation,简称PTC 公司）的产品。Pro/E 在三维实体建模、完全关联性、数据管理、操作简单性、尺寸参数化、基于特征的参数化建模等方面具有别的软件所不具有的优势，特别是在快速装配、快速绘图、快速草绘、快速创建钣金件、快速CAM 等个人生产功能方面功能强大，可以帮助用户更快、更轻松地完成工作。[8]

文献参考

[1] 王金鑫．车用旋片式电子真空泵的设计与实验研究[D]．华南理工大学硕士

学位论文，2012．

[2] 刘玉波．旋片式真空泵的研究[D]．兰州大学硕士论文，2010．

[3] 龚秋初．真空泵国内外发展概况[J].中国社会科学期刊，1996.

[4] 史立伟，张学义，陈金戈.汽车真空助力泵设计[J].机械设计与制造，2008，

第4期.

[5] 三国公司产品介绍[J].汽车论坛,2010.

[6] 赵庆龙．一种新型旋片式真空泵的研究[D].兰州理工大学硕士学位论文，

2011.

[7] 何壁生．旋片式真空泵的结构和设计计算[J]．2002年4月第2期，26-32.

[8] 王国业，王国军，胡仁喜.Pro/E机械设计从入门到精通[M].机械工业出版

社，2009.