组合式机油- 真空泵

2016-09-22ConradJanssenWieske

汽车与新动力 2016年1期

【德】 H.Conrad　M.Janssen　P.Wieske

组合式机油- 真空泵

【德】 H.ConradM.JanssenP.Wieske

鉴于CO2排放目标不断加严，有必要进一步降低动力总成的摩擦损失。为此，不仅要降低发动机本身的摩擦损失，例如活塞组或轴承所引起的摩擦，而且还要降低辅助设备所消耗的摩擦损失。Mahle公司将摆杆滑盘式机油泵与真空泵组合成1个模块，使得机油泵具有高效和耐磨的特性曲线场调节优点，此外，还获得了减轻质量和改善结构空间方面的潜力。

真空泵摆杆滑盘式机油泵可调节性

1　紧凑的结构设计

内燃机所产生的功率，除了驱动车轮之外，还需要传动机油泵之类的辅助设备。这些辅助设备往往是根据其最大需求设计的，于是在其余运行工况点会产生不必要的功率损失，因此满足使用要求的可调节式辅助设备在提高整车燃油效率方面仍然存在着很大的潜力。Mahle公司采用可调式摆杆滑盘式机油泵已开发出1种高效率技术。

Mahle公司的摆杆滑盘式机油泵能根据需求产生压力和体积流量，并且将为此所必需的功率消耗降低到了最低。与外齿轮泵或叶片泵等其他可调式机油泵相比，其最主要的优点在于将对污染物（例如由碳烟和其他原因产生的颗粒物）的不敏感性、在整个使用寿命期间高的总效率及其适合于高转速等方面的特点结合在一起。此外，还可采取各种不同的调节策略，并且调节和反应时间较短。

真空泵用于产生气动制动助力所必需的真空。通常真空泵被布置在凸轮轴旁，而凸轮轴转速是曲轴转速的50%。由于驱动转速较低，真空泵所需体积较大，因而相应要占用较大的空间。因在行人碰撞保护方面存在要求，而处于发动机上方范围靠近发动机盖部位的空间很少使用，较硬材质的零件应尽可能远离该范围，以避免采取昂贵的主动保护措施，例如相撞时发动机罩盖装配方面的保护装置。因为机油泵以曲轴转速运转，因此将真空泵直接布置在机油泵上，并用同1根轴进行驱动，能提高真空泵的转速，从而将真空泵设计得更为紧凑，诸如其壳体和驱动件等零件就能被省略掉。这样与2个独立的部件相比，能获得较轻的质量。虽然单个零件因负荷提高而必须设计得能经受更高的转速和更加耐磨，但是通过与结构的持续不断的轻量化相结合，其质量可减轻约450 g。

2　摆杆滑盘式机油泵

摆杆滑盘式机油泵中的摆杆可在外转子中转动，并由内转子导向。与叶片式机油泵中的叶片不同，摆杆没有摩擦而是在内转子的槽中滚动。摆杆滑盘式机油泵的这种特殊设计可通过应用外转子改善滑盘内径上的摩擦，在临界运行状态时防止出现混合摩擦。除了可调节性和防止磨损状况方面的优点之外，滑盘可用热固性塑料制造，由于滑盘占据整个机油泵较大的体积，从而在减轻质量方面获得较大的潜力。与叶片式机油泵相比（图1），在转子组尺寸相同的情况下总质量能减轻约24%。

对可调式机油泵的1个重要指标是要具有良好的可调节性，特别是在特性曲线场调节时。其中的衡量指标是动作时间、达到发动机管理系统所设置压力的滞后时间和可达到性。也就是说，即使在热机全负荷运行情况下，仍能确保达到所必需的最低压力和部分负荷时的最高压力。特别是在特性曲线场调节时，作用力的矢量平衡是很脆弱的，因为受到可达到的最低压力的制约，可用于调节的作用力（弹簧预紧力和压力控制室中的机油压力）是很小的，而转子组内部由摩擦和压力所产生的力的干扰可能会影响到调节系统。可调式机油泵的目标是要减少干扰，以达到高的调节品质。与叶片式机油泵相比，摆杆滑盘式机油泵中的干扰力较小（图2），使其具有良好的可调节性，从而能获得较大的可用压力范围，而叶片式机油泵可达到的机油压力在很大程度上取决于温度和转速。

评价机油泵的另一个重要指标是磨损性能或预期在整个使用寿命期间的功率损失。由于机油泵位于机油滤清器之前的机油循环回路中，因而机油被颗粒物污染，再加上结构设计中所必需的活动零件之间的间隙很小，使其遭受磨蚀磨损。为了使发动机获得足够的润滑机油供应，还应确保其在高功率情况下工作。开发的目标首先是要减小磨损及其对泵油能力的影响，在设计之初已通过相应加大尺寸来避免磨损引起的液压能力下降。摆杆滑盘式机油泵因自密封原理而在减小磨损方面具有非常好的条件。

图3示出了摆杆滑盘式和叶片式机油泵体积流量与主油道压力关系的比较，其中2种机油泵的泵油体积和重要间隙是相同的，并且分别是在新泵状态和较严酷条件下连续运转500 h后进行的测量。

2种机油泵在主油道压力为0.3 MPa和泵转速为1 500 r/min时进行耐久运转试验，对其实测体积流量进行考察，在新泵状态下就已能看到，在相同的条件下摆杆滑盘式机油泵产生的体积流量更大，其原因在于其内部密封性更好，因而具有更高的体积效率。随着运转时间的增加及其随之出现的磨损不同，两者的液压效率出现了明显的差异，这就证实摆杆滑盘式机油泵具有更高的耐磨性。

除此之外，通过耐久运转试验前后2种机油泵的比较表明，当压力提高时，摆杆滑盘式机油泵具有更大的效率优势。当然，随着磨损的增加，效率会降低，但是即使在耐久运转试验后，在压力增大的情况下，摆杆滑盘式机油泵的效率仍然要比叶片式机油泵最多高出约10%。图4示出在泵转速为1 500 r/min和机油温度为120℃时的情况，耐久运转试验后杆滑盘式机油泵和叶片式机油泵的总效率均呈现出较低的效率，但是其间距即摆杆滑盘式机油泵相对于叶片式机油泵的效率优势则基本保持不变。

图5示出了调节范围与温度的关系，并且在新泵状态下对摆杆滑盘式机油泵与叶片式机油泵进行比较。叶片式机油泵受到原理上的限制，其叶片与滑盘内径之间的摩擦随着温度升高而变化，因此它在使用初期就已达不到摆杆滑盘式机油泵所能达到的体积流量，并且在较高转速时也是如此。然而，在较高的温度和发动机转速情况下，必需保持高的机油体积流量，以确保发动机的润滑和冷却。

3　真空泵

真空泵被设计成固定滑盘式泵结构型式，其钢转子由机油泵轴直接驱动，振荡式叶片两端镶有耐磨头，密封盖则由热固性塑料制成，因而质量减轻了约36%。

4　组合式机油-真空泵

由于真空泵以机油泵的转速运转，因此与以凸轮轴转速驱动的方案相比其零件的负荷率有所增大。特别是叶片每1转中的交变弯曲负荷及叶片耐磨头与壳体工作表面之间的耐磨性是根据转速条件设计的。除了转速状况之外，负荷首先与振荡和旋转零件的质量有关。叶片的径向加速度以法向力作用于叶片末端与壳体之间的滑动副上，因此质量优化的结构型式对于降低接触力是非常重要的。考虑到密封性、抗拉强度和成本，叶片应采用玻璃纤维加强的热固性塑料，而其耐磨头则采用碳纤维加强的热塑性塑料制成。此外，材料选择必须满足滑动接触表面的润滑性要求。最佳的润滑机油量要考虑到降低接触摩擦功率损失和磨损，同时避免机油过多时搅动机油所带来的损失，因此最佳机油量的计量对于真空泵的效率和使用寿命具有重要意义。

由于机油泵和真空泵共用1根驱动轴，如果泄漏会对其功能产生影响。真空泵的横向受力引起的机油泵压力控制室中压力水平的微小变化会导致机油泵出口机油压力产生大的变化，这就必须采取优化结构措施来排除不利影响。

真空泵可以通过机油泵的压力侧、进油侧或控制管路来进行润滑。在压力侧供应润滑机油的情况下，压力差异较大，特性曲线场调节时机油泵出口压力变动较大，因而真空泵的润滑与特性曲线场调节有关联。在进油侧供应润滑机油情况下，虽然压力差的波动较小，但供应的是未滤清的机油。采用控制管路供油就能确保供应较清洁的机油，但是这种情况存在较高的风险，即在进油压力不同的情况下，真空泵的调节会不可控制地受到影响，因此由机油泵进油侧供应机油润滑是最好的折中方案。