車用往復式真空泵的計算模型研究

湯玲玲　宮艷晶　常東輝　劉晨晨

摘 要：【目的】往復式真空泵的應用極為廣泛，為精準測評其綜合性能，提出相應性能指標，構建往復式真空泵計算模型?！痉椒ā筷U述車用往復式真空泵基本原理，根據泵體幾何參數、電機工作參數及進排氣單向閥的壓力損失與干摩擦損失的影響，構建計算往復式真空泵相關性能模型，對往復式真空泵的真空度、到達指定壓力所需時間和功耗進行計算分析?！窘Y果】通過對某款往復式真空泵性能參數進行計算，得到的計算值與實測值間的誤差較小?！窘Y論】研究表明往復式真空泵性能的計算模型具有較高精度。

關鍵詞：往復式真空泵；計算模型；功率消耗

中圖分類號：TH36? ? ? ?文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2023）09-0039-05

Abstract： [Purposes] Reciprocating vacuum pump is widely used. In order to accurately evaluate its comprehensive performance， the corresponding performance indexes are proposed， and the calculation model of reciprocating vacuum pump is constructed. [Methods] The basic principle of the reciprocating vacuum pump for vehicles was expounded. According to the influence of the geometric parameters of the pump body， the working parameters of the motor， the pressure loss and dry friction loss of the inlet and exhaust check valve， a model for calculating the related performance of the reciprocating vacuum pump was constructed to analyze the vacuum degree of the reciprocating vacuum pump， the time required to reach the specified pressure and the power consumption .[Findings] By calculating the performance of a reciprocating vacuum pump，the error between the calculated value and the measured value is small. [Conclusions] It shows that the calculation model of the performance of the reciprocating vacuum pump established in this paper has high accuracy.

Keywords： reciprocating vacuum pump; calculation model; power consumption

0 引言

車用往復式真空泵分為膜片式、葉片式和往復式。國內常用的車用真空泵為葉片式真空泵，但其穩定性很難得到保證，應用范圍也受到限制［1-4］。相比之下，往復式真空泵的可靠性和耐久性更好，其綜合性能更優［5］。

本研究通過闡述往復式真空泵的基本原理，確定車用真空泵的評價指標，提出往復式真空泵的制動性能計算模型。為驗證模型的精確性，對某型號往復式真空泵進行試驗測試，測試結果表明，本研究提出的計算模型具有較高精度，為往復式真空泵的制動性能計算提供參考，具有一定的理論和實用價值。

1 往復式真空泵基本構造和原理

往復式真空泵具有兩對平行的活塞—氣缸組件，如圖1所示?；钊敳垦b有排氣用的單向閥，進氣閥和出氣閥之間的區域即為氣缸容積，同時配備密封圈、機座等組件［6-9］。

由圖1可知，往復式真空泵工作過程分為抽氣環節和排氣環節。電機提供動力，使曲柄連桿帶動活塞做往復運動。在活塞由左到右過程中，左邊氣缸的體積增大，其氣體壓力變小。當左邊氣缸壓力比抽氣口壓力小時，進氣閥開啟，完成左邊氣缸的抽氣過程。同理可知，右邊氣缸的體積變小，氣缸內壓力變大。當排氣口氣壓小于右邊氣缸壓力時，排氣單向閥開啟，實現右邊氣缸排氣［10］。

2 往復式真空泵計算模型

基于對車用制動助力性能及對能量消耗的考慮，本研究以極限真空度、達到指定真空度所需時間及功耗為評價真空泵性能的指標［11］。

2.1 計算前假設

往復式真空泵計算模型建立時，因往復式真空泵的工作過程復雜，要進行一些假設，用以簡化計算過程。具體假設如下。①常溫下，將氣缸中的氣體視為理想氣體，氣體的膨脹和壓縮指數等于絕熱指數，設為恒定值。②在真空泵工作過程中，吸氣和排氣壓力保持不變，氣體溫度為常數。③對電機轉速導致的摩擦消耗用平均值來計算，考慮到真空泵中的溫度變化、容積效應等因素對計算模型的影響較大，對抽氣速率也施加修正系數。

2.2 往復式真空的極限真空度計算

往復式真空泵具有對稱結構，只用對一側活塞副進行計算即可。氣缸處于抽氣階段時，進氣單向閥開啟，隨著氣體不斷進入氣缸，氣缸中的壓力會隨之降低，當氣缸體積最大時，壓力處于最小值，一旦進氣閥兩側的壓力保持平衡，進氣閥立即關閉。當氣缸處于排氣階段時，氣缸內的氣體被不斷壓縮，當壓力上升到極限值時，排氣閥關閉。此時，真空泵處于動平衡狀態，既不排氣也不抽氣。該時刻真空泵伺服氣室壓力為極限壓力，相對應的真空度為極限真空度［12］。

活塞運動達到或遠離主軸側的極限位置分別為內止點、外止點，內、外止點間活塞掃過的空間為氣缸的工作容積[Vs]。當真空泵處于平衡狀態時，活塞在內止點時的氣缸壓力設為[Pin]，真空助力器伺服氣室的極限壓力設為[Plimt]，頂開進氣單向閥所需壓力設為[Piv]。動平衡時，壓力分布如圖2所示。

3 真空泵性能計算結果對比分析

真空泵試驗臺結構如圖4所示。能用抽氣泵P1、電磁閥V1和V2來調節抽氣容器壓力，得到測試時的初始壓力。為模擬真空泵在不同環境下的氣壓變化，用抽氣泵P2和電磁閥V3來調節模擬氣室的氣壓。

真空泵通過真空軟管與抽氣容器和壓力模擬室相連，試驗臺向電機提供12 V電壓。真空泵性能測試過程如下。①關閉電磁閥V1，抽氣泵P1進行抽氣操作，當抽氣容器內的電壓達到規定值時，關閉電磁閥V2；②關閉電磁閥V3和V4，抽氣泵P2進行抽氣，使壓力模擬室的壓力達到所需的壓力值；③開啟電磁閥V4進行測試，壓力傳感器S1、S2分別與抽氣容器、壓力模擬氣室相連。壓力傳感器S1、S2可實時測得抽氣容器和壓力模擬室的壓力值，再將該壓力值轉換為電信號，根據公式（13）可將壓力值換算為真空度。往復式真空泵測試過程的相關參數見表1。

3.1 極限真空度對比分析

通過測試試驗可得極限真空度為0.842，所提出模型計算值為0.863，相對誤差為2.72%，表明所提出的計算方法具有較高的精度和可行性。

3.2 達到指定真空度的時間對比分析

基于試驗數據和計算數據繪制的真空度與時間的關系曲線，如圖5所示。比較實際測試的真空助力器伺服氣室達到不同真空度所需時間和計算模型達到不同真空度所需時間。

由圖5可知，計算數據與測試結果的吻合度較高。當真空度為0.5時，計算得到所需時間為4.471 s，測試得到所需時間為4.679 s，相對誤差為3.598%；當真空度為0.7時，計算得到所需時間為8.610 s，測試得到所需時間為8.897 s，相對誤差為3.004%；當真空度為0.9時，計算得到的所需時間為15.473 s，測試得到所需時間為16.514 s，相對誤差為9.019%。綜上所述，達到指定真空度所需的計算時間和測試時間的誤差較小，所建模型的計算精度較高。

3.3 真空泵功耗對比分析

根據真空泵功耗表達式得到真空泵的功耗為151.12 W，實際測得真空泵電機功率為150 W，計算值和測量值的相對誤差為0.297%。對比結果表明，所提出的功耗計算模型與真空泵電機實際功耗相當，具有較高的擬合精度。

4 結語

本研究對往復式真空泵的結構和工作原理進行闡述，提出往復式真空泵的性能評價關鍵指標，對極限真空度、達到指定真空度所需時間及真空泵功耗計算模型進行研究。通過實際檢測某款往復式真空泵的性能參數，將其與計算結果進行對比，計算結果與實際測量結果的誤差在5%以內，表明所提出的計算模型與實際測量值之間具有較高的擬合度，為車用往復式真空泵設計提供一定參考和理論依據。

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