電動汽車真空泵結構與性能分析

杜 偉 張少偉 辛慶鋒 孫福祿 余云龍 梅光煥

重慶睿藍汽車研究院有限公司 重慶 400700

1 分析背景

純電動汽車使用真空泵作為制動助力系統時,踩下制動踏板,即輸入制動踏板壓力。利用大氣壓和真空泵產生真空負壓造成的負壓差,將踏板力按照特定助力比放大,然后通過制動主缸將制動液壓力傳遞到四個車輪端的制動器,從而實現汽車制動。根據新能源汽車的整車狀況,真空泵的主要性能指標表現為成本、結構大小、耐久性、噪聲振動等。葉片式電動真空泵運行穩定,振動噪聲小,但制造復雜,成本偏高,且不能長時間工作。膜片式電動真空泵成本低,運行摩擦小,功率偏低,可長時間運行,但尺寸大,振動強。筆者以某純電動汽車為例,對兩種真空泵的結構與性能進行分析。

2 葉片式電動真空泵

葉片式電動真空泵結構如圖1所示,主要由電機、葉片、泵腔、旋轉器、殼體等組成。

圖1 葉片式電動真空泵結構

葉片式電動真空泵的工作原理是當電機通電后,電機將電能轉換為機械能;電機帶動旋轉器轉動時,旋轉產生的離心力使旋轉器中的葉片緊貼在泵腔內壁旋轉;轉動使每兩個葉片組成的容積空間變化,進而壓縮空氣;借助兩個葉片間氣體的壓力將空氣排出真空系統,從而獲得真空。葉片式電動真空泵尺寸較小,技術相對比較成熟,但是旋轉時產生的摩擦會導致泵體溫度上升快,因此難以長時間運行。

3 膜片式電動真空泵

膜片式電動真空泵結構如圖2所示,主要由直流電機、閥片、偏心塊、密封圈、膜片、真空接口、消聲器、缸蓋、軸承、連桿、殼體等組成。

圖2 膜片式電動真空泵結構

膜片式電動真空泵中,膜片安裝在連桿機構上,曲柄連桿則直接與電機相連。電機旋轉,帶動曲柄連桿及膜片進行往復運動,通過膜片的容積變化來達到進氣和排氣效果。此時,單向閥有隔絕氣體單向流動的趨勢,從而達到抽取真空系統中空氣的目的。膜片式電動真空泵運行產生的摩擦較小,因此可以長時間運行,但尺寸較大。選擇較大的電機功率,可提高膜片式電動真空泵的抽真空能力。

4 真空泵性能分析

對葉片式電動真空泵與膜片式電動真空泵進行性能比較,見表1。

表1 真空泵性能比較

考慮到真空泵是電動汽車的唯一真空源,為確保其在壽命周期內提供所需的真空度外,還需要驗證真空制動系統的安全性與舒適性,如真空度恢復能力、駕駛者制動踏板感覺及真空泵自身可靠性等。

某車型真空泵的真空度恢復曲線如圖3所示。測試車輛靜態啟動真空度,車輛在未啟動的狀態下,連續踩制動踏板,將真空助力器內的真空度消耗到與外界大氣壓相等,再啟動車輛,記錄真空度達到的最大值及恢復時間。由圖3得出,真空度最大為81 kPa時,葉片式電動真空泵的恢復用時為9.13 s,膜片式電動真空泵的恢復用時為10.82 s,二者比較,膜片式電動真空泵抽氣速度慢。

對該車型的制動踏板感進行測試,當車速為80 km/h時,不開啟任何電器負載,變速器置于N擋,以20 mm/s的速度踩下制動踏板,直至車輛停止。制動踏板感測試結果見表2,g為重力加速度。兩種真空泵制動踏板感的性能表現相當,以-0.8g加速度為例,葉片式電動真空泵踏板力為90.8 N,踏板行程為43.9 mm,膜片式電動真空泵踏板力為91.3 N,踏板行程為43.4 mm。膜片式電動真空泵表現稍差于葉片式電動真空泵,但相差不大。

對該車型的制動力進行測試,將車速提升到110 km/h,不開啟任何電器負載,變速器置于N擋,待車速降低到100 km/h左右時,以30 mm/s的速率踩下制動踏板,連續三次制動,每次踩制動踏板間隔時間為2 s左右。制動力測試結果見表3。兩種真空泵制動力表現相當,以第三次制動-0.6g加速度為例,葉片式電動真空泵踏板力為66.3 N,真空度為69.1 kPa,膜片式電動真空泵踏板力為69.1 N,真空度為61.5 kPa。膜片式電動真空泵表現稍差于葉片式電動真空泵。

5 結束語

汽車的制動性能是汽車安全行駛的重要保障,制動系統的真空泵性能尤為重要。

筆者從葉片式電動真空泵和膜片式電動真空泵的結構及工作特性出發,通過整車制動性能試驗,分析了真空泵在真空助力制動系統應用的必要性,為電動汽車真空泵的選型提供依據。