电动汽车真空泵结构与性能分析

2024-03-05张少伟辛庆锋孙福禄余云龙梅光焕

机械制造 2024年1期

杜伟张少伟辛庆锋孙福禄余云龙梅光焕

重庆睿蓝汽车研究院有限公司重庆 400700

1 分析背景

纯电动汽车使用真空泵作为制动助力系统时,踩下制动踏板,即输入制动踏板压力。利用大气压和真空泵产生真空负压造成的负压差,将踏板力按照特定助力比放大,然后通过制动主缸将制动液压力传递到四个车轮端的制动器,从而实现汽车制动。根据新能源汽车的整车状况,真空泵的主要性能指标表现为成本、结构大小、耐久性、噪声振动等。叶片式电动真空泵运行稳定,振动噪声小,但制造复杂,成本偏高,且不能长时间工作。膜片式电动真空泵成本低,运行摩擦小,功率偏低,可长时间运行,但尺寸大,振动强。笔者以某纯电动汽车为例,对两种真空泵的结构与性能进行分析。

2 叶片式电动真空泵

叶片式电动真空泵结构如图1所示,主要由电机、叶片、泵腔、旋转器、壳体等组成。

图1 叶片式电动真空泵结构

叶片式电动真空泵的工作原理是当电机通电后,电机将电能转换为机械能;电机带动旋转器转动时,旋转产生的离心力使旋转器中的叶片紧贴在泵腔内壁旋转;转动使每两个叶片组成的容积空间变化,进而压缩空气;借助两个叶片间气体的压力将空气排出真空系统,从而获得真空。叶片式电动真空泵尺寸较小,技术相对比较成熟,但是旋转时产生的摩擦会导致泵体温度上升快,因此难以长时间运行。

3 膜片式电动真空泵

膜片式电动真空泵结构如图2所示,主要由直流电机、阀片、偏心块、密封圈、膜片、真空接口、消声器、缸盖、轴承、连杆、壳体等组成。

图2 膜片式电动真空泵结构

膜片式电动真空泵中,膜片安装在连杆机构上,曲柄连杆则直接与电机相连。电机旋转,带动曲柄连杆及膜片进行往复运动,通过膜片的容积变化来达到进气和排气效果。此时,单向阀有隔绝气体单向流动的趋势,从而达到抽取真空系统中空气的目的。膜片式电动真空泵运行产生的摩擦较小,因此可以长时间运行,但尺寸较大。选择较大的电机功率,可提高膜片式电动真空泵的抽真空能力。

4 真空泵性能分析

对叶片式电动真空泵与膜片式电动真空泵进行性能比较,见表1。

表1 真空泵性能比较

考虑到真空泵是电动汽车的唯一真空源,为确保其在寿命周期内提供所需的真空度外,还需要验证真空制动系统的安全性与舒适性,如真空度恢复能力、驾驶者制动踏板感觉及真空泵自身可靠性等。

某车型真空泵的真空度恢复曲线如图3所示。测试车辆静态启动真空度,车辆在未启动的状态下,连续踩制动踏板,将真空助力器内的真空度消耗到与外界大气压相等,再启动车辆,记录真空度达到的最大值及恢复时间。由图3得出,真空度最大为81 kPa时,叶片式电动真空泵的恢复用时为9.13 s,膜片式电动真空泵的恢复用时为10.82 s,二者比较,膜片式电动真空泵抽气速度慢。

对该车型的制动踏板感进行测试,当车速为80 km/h时,不开启任何电器负载,变速器置于N挡,以20 mm/s的速度踩下制动踏板,直至车辆停止。制动踏板感测试结果见表2,g为重力加速度。两种真空泵制动踏板感的性能表现相当,以-0.8g加速度为例,叶片式电动真空泵踏板力为90.8 N,踏板行程为43.9 mm,膜片式电动真空泵踏板力为91.3 N,踏板行程为43.4 mm。膜片式电动真空泵表现稍差于叶片式电动真空泵,但相差不大。

对该车型的制动力进行测试,将车速提升到110 km/h,不开启任何电器负载,变速器置于N挡,待车速降低到100 km/h左右时,以30 mm/s的速率踩下制动踏板,连续三次制动,每次踩制动踏板间隔时间为2 s左右。制动力测试结果见表3。两种真空泵制动力表现相当,以第三次制动-0.6g加速度为例,叶片式电动真空泵踏板力为66.3 N,真空度为69.1 kPa,膜片式电动真空泵踏板力为69.1 N,真空度为61.5 kPa。膜片式电动真空泵表现稍差于叶片式电动真空泵。