【德】 H.Conrad　M.Janssen　P.Wieske

組合式機(jī)油- 真空泵

【德】 H.ConradM.JanssenP.Wieske

鑒于CO2排放目標(biāo)不斷加嚴(yán)，有必要進(jìn)一步降低動(dòng)力總成的摩擦損失。為此，不僅要降低發(fā)動(dòng)機(jī)本身的摩擦損失，例如活塞組或軸承所引起的摩擦，而且還要降低輔助設(shè)備所消耗的摩擦損失。Mahle公司將擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵與真空泵組合成1個(gè)模塊，使得機(jī)油泵具有高效和耐磨的特性曲線(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)優(yōu)點(diǎn)，此外，還獲得了減輕質(zhì)量和改善結(jié)構(gòu)空間方面的潛力。

真空泵擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵可調(diào)節(jié)性

1　緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)燃機(jī)所產(chǎn)生的功率，除了驅(qū)動(dòng)車(chē)輪之外，還需要傳動(dòng)機(jī)油泵之類(lèi)的輔助設(shè)備。這些輔助設(shè)備往往是根據(jù)其最大需求設(shè)計(jì)的，于是在其余運(yùn)行工況點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生不必要的功率損失，因此滿(mǎn)足使用要求的可調(diào)節(jié)式輔助設(shè)備在提高整車(chē)燃油效率方面仍然存在著很大的潛力。Mahle公司采用可調(diào)式擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵已開(kāi)發(fā)出1種高效率技術(shù)。

Mahle公司的擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵能根據(jù)需求產(chǎn)生壓力和體積流量，并且將為此所必需的功率消耗降低到了最低。與外齒輪泵或葉片泵等其他可調(diào)式機(jī)油泵相比，其最主要的優(yōu)點(diǎn)在于將對(duì)污染物（例如由碳煙和其他原因產(chǎn)生的顆粒物）的不敏感性、在整個(gè)使用壽命期間高的總效率及其適合于高轉(zhuǎn)速等方面的特點(diǎn)結(jié)合在一起。此外，還可采取各種不同的調(diào)節(jié)策略，并且調(diào)節(jié)和反應(yīng)時(shí)間較短。

真空泵用于產(chǎn)生氣動(dòng)制動(dòng)助力所必需的真空。通常真空泵被布置在凸輪軸旁，而凸輪軸轉(zhuǎn)速是曲軸轉(zhuǎn)速的50%。由于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速較低，真空泵所需體積較大，因而相應(yīng)要占用較大的空間。因在行人碰撞保護(hù)方面存在要求，而處于發(fā)動(dòng)機(jī)上方范圍靠近發(fā)動(dòng)機(jī)蓋部位的空間很少使用，較硬材質(zhì)的零件應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離該范圍，以避免采取昂貴的主動(dòng)保護(hù)措施，例如相撞時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋裝配方面的保護(hù)裝置。因?yàn)闄C(jī)油泵以曲軸轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此將真空泵直接布置在機(jī)油泵上，并用同1根軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，能提高真空泵的轉(zhuǎn)速，從而將真空泵設(shè)計(jì)得更為緊湊，諸如其殼體和驅(qū)動(dòng)件等零件就能被省略掉。這樣與2個(gè)獨(dú)立的部件相比，能獲得較輕的質(zhì)量。雖然單個(gè)零件因負(fù)荷提高而必須設(shè)計(jì)得能經(jīng)受更高的轉(zhuǎn)速和更加耐磨，但是通過(guò)與結(jié)構(gòu)的持續(xù)不斷的輕量化相結(jié)合，其質(zhì)量可減輕約450 g。

2　擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵

擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵中的擺桿可在外轉(zhuǎn)子中轉(zhuǎn)動(dòng)，并由內(nèi)轉(zhuǎn)子導(dǎo)向。與葉片式機(jī)油泵中的葉片不同，擺桿沒(méi)有摩擦而是在內(nèi)轉(zhuǎn)子的槽中滾動(dòng)。擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵的這種特殊設(shè)計(jì)可通過(guò)應(yīng)用外轉(zhuǎn)子改善滑盤(pán)內(nèi)徑上的摩擦，在臨界運(yùn)行狀態(tài)時(shí)防止出現(xiàn)混合摩擦。除了可調(diào)節(jié)性和防止磨損狀況方面的優(yōu)點(diǎn)之外，滑盤(pán)可用熱固性塑料制造，由于滑盤(pán)占據(jù)整個(gè)機(jī)油泵較大的體積，從而在減輕質(zhì)量方面獲得較大的潛力。與葉片式機(jī)油泵相比（圖1），在轉(zhuǎn)子組尺寸相同的情況下總質(zhì)量能減輕約24%。

對(duì)可調(diào)式機(jī)油泵的1個(gè)重要指標(biāo)是要具有良好的可調(diào)節(jié)性，特別是在特性曲線(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)時(shí)。其中的衡量指標(biāo)是動(dòng)作時(shí)間、達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)所設(shè)置壓力的滯后時(shí)間和可達(dá)到性。也就是說(shuō)，即使在熱機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行情況下，仍能確保達(dá)到所必需的最低壓力和部分負(fù)荷時(shí)的最高壓力。特別是在特性曲線(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)時(shí)，作用力的矢量平衡是很脆弱的，因?yàn)槭艿娇蛇_(dá)到的最低壓力的制約，可用于調(diào)節(jié)的作用力（彈簧預(yù)緊力和壓力控制室中的機(jī)油壓力）是很小的，而轉(zhuǎn)子組內(nèi)部由摩擦和壓力所產(chǎn)生的力的干擾可能會(huì)影響到調(diào)節(jié)系統(tǒng)?？烧{(diào)式機(jī)油泵的目標(biāo)是要減少干擾，以達(dá)到高的調(diào)節(jié)品質(zhì)。與葉片式機(jī)油泵相比，擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵中的干擾力較?。▓D2），使其具有良好的可調(diào)節(jié)性，從而能獲得較大的可用壓力范圍，而葉片式機(jī)油泵可達(dá)到的機(jī)油壓力在很大程度上取決于溫度和轉(zhuǎn)速。

評(píng)價(jià)機(jī)油泵的另一個(gè)重要指標(biāo)是磨損性能或預(yù)期在整個(gè)使用壽命期間的功率損失。由于機(jī)油泵位于機(jī)油濾清器之前的機(jī)油循環(huán)回路中，因而機(jī)油被顆粒物污染，再加上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所必需的活動(dòng)零件之間的間隙很小，使其遭受磨蝕磨損。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得足夠的潤(rùn)滑機(jī)油供應(yīng)，還應(yīng)確保其在高功率情況下工作。開(kāi)發(fā)的目標(biāo)首先是要減小磨損及其對(duì)泵油能力的影響，在設(shè)計(jì)之初已通過(guò)相應(yīng)加大尺寸來(lái)避免磨損引起的液壓能力下降。擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵因自密封原理而在減小磨損方面具有非常好的條件。

圖3示出了擺桿滑盤(pán)式和葉片式機(jī)油泵體積流量與主油道壓力關(guān)系的比較，其中2種機(jī)油泵的泵油體積和重要間隙是相同的，并且分別是在新泵狀態(tài)和較嚴(yán)酷條件下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)500 h后進(jìn)行的測(cè)量。

2種機(jī)油泵在主油道壓力為0.3 MPa和泵轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)進(jìn)行耐久運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，對(duì)其實(shí)測(cè)體積流量進(jìn)行考察，在新泵狀態(tài)下就已能看到，在相同的條件下擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵產(chǎn)生的體積流量更大，其原因在于其內(nèi)部密封性更好，因而具有更高的體積效率。隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加及其隨之出現(xiàn)的磨損不同，兩者的液壓效率出現(xiàn)了明顯的差異，這就證實(shí)擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵具有更高的耐磨性。

除此之外，通過(guò)耐久運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)前后2種機(jī)油泵的比較表明，當(dāng)壓力提高時(shí)，擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵具有更大的效率優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，隨著磨損的增加，效率會(huì)降低，但是即使在耐久運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)后，在壓力增大的情況下，擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵的效率仍然要比葉片式機(jī)油泵最多高出約10%。圖4示出在泵轉(zhuǎn)速為1 500 r/min和機(jī)油溫度為120℃時(shí)的情況，耐久運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)后桿滑盤(pán)式機(jī)油泵和葉片式機(jī)油泵的總效率均呈現(xiàn)出較低的效率，但是其間距即擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵相對(duì)于葉片式機(jī)油泵的效率優(yōu)勢(shì)則基本保持不變。

圖5示出了調(diào)節(jié)范圍與溫度的關(guān)系，并且在新泵狀態(tài)下對(duì)擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵與葉片式機(jī)油泵進(jìn)行比較。葉片式機(jī)油泵受到原理上的限制，其葉片與滑盤(pán)內(nèi)徑之間的摩擦隨著溫度升高而變化，因此它在使用初期就已達(dá)不到擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵所能達(dá)到的體積流量，并且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)也是如此。然而，在較高的溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速情況下，必需保持高的機(jī)油體積流量，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑和冷卻。

3　真空泵

真空泵被設(shè)計(jì)成固定滑盤(pán)式泵結(jié)構(gòu)型式，其鋼轉(zhuǎn)子由機(jī)油泵軸直接驅(qū)動(dòng)，振蕩式葉片兩端鑲有耐磨頭，密封蓋則由熱固性塑料制成，因而質(zhì)量減輕了約36%。

4　組合式機(jī)油-真空泵

由于真空泵以機(jī)油泵的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此與以凸輪軸轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)的方案相比其零件的負(fù)荷率有所增大。特別是葉片每1轉(zhuǎn)中的交變彎曲負(fù)荷及葉片耐磨頭與殼體工作表面之間的耐磨性是根據(jù)轉(zhuǎn)速條件設(shè)計(jì)的。除了轉(zhuǎn)速狀況之外，負(fù)荷首先與振蕩和旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量有關(guān)。葉片的徑向加速度以法向力作用于葉片末端與殼體之間的滑動(dòng)副上，因此質(zhì)量?jī)?yōu)化的結(jié)構(gòu)型式對(duì)于降低接觸力是非常重要的。考慮到密封性、抗拉強(qiáng)度和成本，葉片應(yīng)采用玻璃纖維加強(qiáng)的熱固性塑料，而其耐磨頭則采用碳纖維加強(qiáng)的熱塑性塑料制成。此外，材料選擇必須滿(mǎn)足滑動(dòng)接觸表面的潤(rùn)滑性要求。最佳的潤(rùn)滑機(jī)油量要考慮到降低接觸摩擦功率損失和磨損，同時(shí)避免機(jī)油過(guò)多時(shí)攪動(dòng)機(jī)油所帶來(lái)的損失，因此最佳機(jī)油量的計(jì)量對(duì)于真空泵的效率和使用壽命具有重要意義。

由于機(jī)油泵和真空泵共用1根驅(qū)動(dòng)軸，如果泄漏會(huì)對(duì)其功能產(chǎn)生影響。真空泵的橫向受力引起的機(jī)油泵壓力控制室中壓力水平的微小變化會(huì)導(dǎo)致機(jī)油泵出口機(jī)油壓力產(chǎn)生大的變化，這就必須采取優(yōu)化結(jié)構(gòu)措施來(lái)排除不利影響。

真空泵可以通過(guò)機(jī)油泵的壓力側(cè)、進(jìn)油側(cè)或控制管路來(lái)進(jìn)行潤(rùn)滑。在壓力側(cè)供應(yīng)潤(rùn)滑機(jī)油的情況下，壓力差異較大，特性曲線(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)時(shí)機(jī)油泵出口壓力變動(dòng)較大，因而真空泵的潤(rùn)滑與特性曲線(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)有關(guān)聯(lián)。在進(jìn)油側(cè)供應(yīng)潤(rùn)滑機(jī)油情況下，雖然壓力差的波動(dòng)較小，但供應(yīng)的是未濾清的機(jī)油。采用控制管路供油就能確保供應(yīng)較清潔的機(jī)油，但是這種情況存在較高的風(fēng)險(xiǎn)，即在進(jìn)油壓力不同的情況下，真空泵的調(diào)節(jié)會(huì)不可控制地受到影響，因此由機(jī)油泵進(jìn)油側(cè)供應(yīng)機(jī)油潤(rùn)滑是最好的折中方案。

5　結(jié)論和展望

試驗(yàn)表明，Mahle公司的擺桿滑盤(pán)式機(jī)油泵在整個(gè)使用壽命期間具有非常高的效率和高的調(diào)節(jié)品質(zhì)，因此對(duì)降低CO2排放作出了貢獻(xiàn)。機(jī)油泵與真空泵的組合（圖6）在質(zhì)量和結(jié)構(gòu)空間的平衡方面再次顯示出了明顯的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)真空泵通過(guò)專(zhuān)用的離合器來(lái)驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速可與需求相匹配，自由接合和脫開(kāi)真空泵。

范明強(qiáng)譯自MTZ，2015，76（7-8）

何丹妮編輯

2015-08-21）