．設計．計算．研究．
車用往復式真空幫浦的設計方法
上官文斌１，２楊嘉威ｌ林浩挺１劉巨集慈２蔣開洪ｚ
（１．華南理工大學；２．寧波拓普集團股份****）
【摘要】介紹了一種車用往復式真空幫浦的工作原理。基於幫浦體幾何引數、電機工作引數、進排氣單向閥的壓力損
失與幹摩擦損失和環境因素的影響，建立了往復式真空幫浦效能計算模型，並給出了往復式真空幫浦的真空度、到達指定壓力所需時間和功耗的計算方法。計算並實測了某款往復式真空幫浦的效能，其計算值和實測值吻合較好，表明所建立的往復式真空幫浦效能計算模型精度較高
主題詞：往復式真空幫浦計算模型真空度功率消耗
中圖分類號：ｕ４６４文獻標識碼：ａ文章編號
一１前言
車用真空幫浦的主要型別有葉片式、膜片式以及往復式我國車用真空幫浦．以葉片式真空幫浦為主．但其可靠性及耐久性較差、**昂貴，因而使用受到限制相對於葉片式和膜片式真空幫浦．往復式真空幫浦綜合性能良好且振動雜訊效能優越
目前關於真空幫浦的研究大都侷限於抽水幫浦、羅茨真空幫浦、渦輪、分子幫浦［１－－４］。這些真空幫浦額定轉速
低、體積大、單位體積抽速小。其研究成果不能直接用於轉速高、體積小的車用真空幫浦本文介紹了往
２往復式真空幫浦結構及其工作原理
往復式真空幫浦的結構如圖１所示．其是由兩組
平行對置安裝的活塞一氣缸一進排氣單向閥元件構成的具有進排氣功能的部件其中．排氣單向閥安裝在活塞頂端．進氣單向閥與排氣單向閥之間的空腔構成了氣缸：兩邊的活塞由乙個曲柄雙連桿機構帶動，其動力**於電機；排氣口與大氣相連通，抽氣口與真空助力器伺服氣室相連通此外．還有氣體消聲器、機座、密封套等輔助部件。
往復式真空幫浦的工作過程可分為抽氣過程和排
氣過程。如圖１所示．電機帶動曲柄雙連桿機構運
對比分析了真空幫浦效能的計算結果和測試結果
轉，左、右活塞做往復運動。當活塞由左向右運動時，左邊氣缸的體積將不斷增大，氣缸內氣壓不斷減小；當左邊氣缸內氣壓小於抽氣口處氣壓時．進氣單向
４周斯加，羅玉濤，黃向東，等．基於自適應濾波的電動汽車
縱向滑移率識別方法．交通與計算機寇發榮，馬建．超車工況下高速客車操縱穩定性**與試
－－－—
—驗研究．汽車技術
（責任編輯
修改稿收到日期為２０１２年４月１日。汽簾青
１４．．．——
車技術設計計算．研究．
閥開啟，完成左邊氣缸的抽氣過程。與此同時，右邊
氣缸內的體積不斷減小。氣缸內的氣體被壓縮．氣壓
不斷增加。當右邊氣缸的氣壓大於排氣口處氣壓時．
排氣單向閥開啟，完成右邊氣缸的排氣過程。
１、１０．進氣單向閥；２、９．氣缸；３、８．排氣單向閥；４、７．活塞：５．排氣口；６．曲柄雙連桿機構；１１．氣體流向；１２．伺服氣室：１３．抽氣口；１４．氣體管路；１５．內止點；１６＿夕止點。
圖１往復式真空幫浦的結構原理
由此可見．在偏心驅動軸運動一圈的過程中．左、右兩邊的活塞一氣缸一進排氣單向閥元件運動形式相同，方向正好相反。因此，偏心驅動軸轉動一圈．真空幫浦完成兩次抽、排氣過程在電機帶動下．真空幫浦連續工作．直到真空助力器伺服氣室內最終達到某一穩定的平衡壓力
３往復式真空幫浦效能計算分析
從車用制動助力效能和能耗的角度出發．本文
使用３個指標來評價真空幫浦效能．即極限真空度、達
到指定真空度所需時間和功耗３．１理論模型的假設
往復式真空幫浦的工作過程相當複雜．在建立往復式真空幫浦計算模型時．進行如下假設：
ａ．常溫下真空幫浦中工作氣體是稀薄氣體．可近似簡化為理想氣體：氣體壓縮過程指數和膨脹過程指數假設為定值．且均等於絕熱指數
ｂ．真空幫浦工作迴圈過程中．吸氣壓力與實際排氣壓力均假設為定值
ｃ．真空幫浦吸氣和排氣過程中．氣體溫度恆定
ｄ．由於電機轉速很高．活塞副部分的摩擦功
耗採用平均功耗計算真空幫浦工作受到洩漏、溫度
變化、容積效應等因素的影響都反映在抽氣速率這個效能引數上．即通過乘以修正係數來表示這些因素對真空幫浦效能的影響３．２極限真空度的計算
由於往復式真空幫浦左、右兩邊活塞副的運動形
式一致．因此取一邊的活塞副作為研究物件當氣缸處於抽氣過程時．進氣單向閥被開啟：隨著氣體不
２ｏｌ２年
第７期斷進入．氣缸中的壓力將不斷減小：當氣缸內體積達到最大時，氣缸內的壓力隨之達到最小：當進氣單向閥左、右兩邊的壓力相等時，進氣單向閥將常閉：
此後，不管活塞如何繼續運動．進氣單向閥再也無法打
開。當處於排氣過程時．氣缸內氣體的體積被壓縮
到最小，壓力達到最大，當排氣單向閥左、右兩邊的
壓力相等時．排氣單向閥自行關閉：此後無論活塞如
何運動，排氣單向閥也無法再次開啟。此時，真空幫浦既不抽氣，也不排氣，真空幫浦處於動平衡狀態此時真空助力器伺服氣室所能達到的壓力稱為真空幫浦的極限壓力．對應的真空度稱為真空幫浦的極限真空度
活塞運動到達主軸側的極限位置稱為內止點．活塞運動到達遠離主軸側的極限位置稱為外止點．
活塞從內止點運動到外止點．掃過的體積為氣缸的
工作容積 。當真空幫浦處於平衡狀態時．設定活塞在內止點時氣缸內的壓力為真空助力器伺服
氣室的極限壓力為，頂開進氣單向閥所需的壓
力為ｐ如圖２ａ所示，進氣單向閥左、右壓力平衡，有：
＝屍ｌｉｍｔ－（１）
活塞從內止點運動到外止點時．活塞頂部到進
氣單向閥座的體積為氣缸的餘隙容積在動平衡
狀態下，設活塞在外止點時氣缸內的壓力為，大
氣壓力為 ，頂開排氣單向閥所需的壓力為。
如圖２ｂ所示，則有：
ｐｏ￣＝ｐｏ＋ｐｅ
（２）動平衡狀態下．進氣單向閥和排氣單向閥都是常閉的，根據氣體守恆定律，可得：
聯立式（１）～式（３），可得 。為：
ｆ＋ｐ １．ｖ
＝— ＋（４）
真空幫浦的極限真空壓力㈨和極限真空度
ａ 分別為：
ｌ＝ｃｏ一屍１．ｍｆ
（５）＝
ｌ一 ９１ｉｍｔ（６）
（ａ１活塞在內止點時
．設計．計算．研究．
將式（１２）代人式（１０），並對排氣狀態微分方程（１０）兩邊進行積分，可得出抽氣速率與壓力的關係：
ｐ＝ ＋（一 ）ｅ
（１３）
由於真空度與壓力的關係為：
ｈ＝ｌ—ｐ／ｐｏ
（ｂ）活塞在外止點時
（１４）
若指定真空助力器伺服氣室內的真空度為ａ．
圖２動平衡狀態下的壓力分布
根據公式（１３）、（１４）可以計算出所需的抽氣時間 ：
３．３到達指定真空度所需時間的計算
真空幫浦理論抽氣速率．ｓ 為『１＿：
ｖｈ［］（１５）
｜ｓｄ２．ｈｎｉｘｌ０
（７）式中，ｄ為氣缸直徑；ｈ為活塞行程；為曲軸轉速：ｉ為工作氣缸數目
在實際情況下，真空幫浦的抽氣過程由於洩漏、進
氣閥和管道阻力損失、溫度、氣流脈動、容積效應等因素的影響，實際吸氣量會減少，其實際抽氣速率５
可表示為：
ｓｄ＝ｓ ｒｌ
（８）式中，卵為抽氣效率，計算公式為：
ｉｒ＝ｒｉｖ。叼ｐ。叼 。叼￡
（９）式中，叼為相對容積係數，按經驗取
為吸氣壓力係數，按經驗取０．８—０．８５；叼為吸氣溫度
係數，按經驗取為洩漏係數，按經驗取
假定排氣過程氣體溫度不變．在時間內．真
空幫浦所抽取的氣體量為出。但由於的存在，
每次排氣過程都無法把氣缸內所有的氣體排淨．因
此每次抽氣時氣缸內有殘餘氣體．設由ｖ 引起單位時間返回伺服氣室內的氣體量為ｑ。。
由伺服氣室內氣體量的淨減量引
起伺服氣室的壓力變化ｄｐ．因而可以得出真空系統的排氣狀態微分方程［６１：
ｑｂ一式中，為真空助力器伺服氣室的容積。
根據初始條件．當ｔ＝０時．伺服氣室內的初
始壓力為ｐｃ；當一∞時，真空幫浦達到平衡狀態，
真空助力器伺服氣室內壓力為恆定值．則ｐ ：
ｑｂ｜ｓｄ
根據公式（４）可知：：‰
…）即可得到ｑ ：
ｑｓ＝ｐ＝ｓｄ
（１２）
３．４功耗的計算
３．４．１絕熱迴圈功耗和氣閥損失功耗計算
圖３為真空幫浦的示功圖．４—１—２—３為理論循
環過程。在實際迴圈過程中，由於真空幫浦存在餘隙
容積、流動阻力、氣體洩漏、熱交換及壓力脈衝等
因素的影響．使得實際進氣壓力屍低於理論進氣壓力 ，實際排氣壓力高於理論排氣壓力，
即真空幫浦實際迴圈過程如圖３中曲線４，一１，一２，一３ 所示。其中，曲線４ 一１代表抽氣過程．氣體不斷進入氣缸：１一２ 為壓縮過程．活塞運動壓縮缸內
氣體：２ 一３ 為排氣過程．氣體受到活塞的推擠而
排出氣缸：３ 一４ 為膨脹過程．即氣缸內剩餘氣體
的膨脹壓力△容積
圖３實際迴圈過程與理論迴圈過程簡化示功圖
真空幫浦實際迴圈絕熱功即為面積４ 一１一２＇－３ 一
４ ．為了計算方便也可以認為是面積１一２ 一５ 一６ 一１與面積４ 一３ 一５＇－６＇－４ 之差，即：
ｔｔ，ｄ
ｃｐｄｗ ＝ｊ｜ｐ
（１６）
式中分別表示壓縮過程和膨脹過
程氣缸容積與壓力的函式關係
假定壓縮過程指數與膨脹過程指數相等．且都
等於絕熱過程指數．按照力學氣體狀態方程［７１．多變
過程方程為：
ｐｖ１（１７）
式中，ｍ為絕熱過程指數；．
代表實際抽氣終了時汽車技
術設計計算．研究．
刻１處對應的氣缸體積
則１一２＇－５＇－６ 一１所圍的面積為：
３－４－３總功耗計算．
ｐ）ｄｃｐ
）一１ｊ（１８）【（）一ｊｃ９
綜合考慮絕熱狀態變化的功耗、進排氣閥的壓
力損失功耗和活塞副的摩擦功耗．真空幫浦總功耗為：
同理可求得４ 一３ 一５＇－６ 一４ 所圍的面積：
叫（『器 ）旦二ｌ］一ｊ
凡ｓ／１５
（２７）
式中，代表實際膨脹終了時刻４ 處對應的氣缸體
積。聯立公式（１６）、公式（１８）和公式（１９），真空幫浦迴圈絕熱功為：
ｐｄ。ｐｐｄ
＝ｊ１一
＝【（）一ｊ
（２ｏ）式中，實際進氣壓力＝ —ｌ△，ａｐｓ為進氣壓力損失；實際排氣壓力＝ ＋△ ，△ 為排氣壓力損失；氣缸實際的工作容積＝ 。一。
在實際迴圈過程中，與
、與相差很
小，可近似認為：只ｖｖ
（２１）
將式（２１）代人式（２０）得：
＝ｐｓ＇
）一１ｊ（２２）令 ＿△為進氣閥平均相對壓力損失，６ｐ＝
△為排氣閥平均相對壓力損失，則考慮氣閥損
失和絕熱迴圈的真空幫浦功耗為：
ｆ＝【（）一３
３．４．２摩擦功耗計算
真空幫浦工作時．其摩擦功耗有很大一部分由缸
體一活塞環摩擦副引起．對單個活塞缸．活塞環與缸體間的摩擦力為：
（２４）
式中，為摩擦因數；為活塞環張力。
由於電機的轉速快．活塞的速度變化快．因此在計算時考慮摩擦副的平均功耗．活塞運動的平均速度為：
ｖｍ＝（２５）
式中，ｓ為活塞行程；為曲軸轉速。
則整個真空幫浦摩擦力的功耗為：
２０１２年
第７期但由於真空幫浦有曲軸連桿等傳動部件以及各密
封件之間的摩擦損失．若把除缸體一活塞環摩擦副
外的摩擦件傳動損失均考慮在機械效率卵內，則通常取０．７～０．８５。另外，真空幫浦由電機帶動，需要
考慮電機效率 ，一般可取此外，真空
幫浦的內洩漏、冷卻溫度、運動負荷波動、吸氣狀態突
變等因素難以用數值關係表示．可參考往復式壓縮
機．採用修正係數將真空幫浦功耗增加５％～１５％ｔ６１因此，往復式真空幫浦電機的功耗可表示為：
（２８）
４真空幫浦效能實測及計算結果對比分析
真空幫浦效能測試試驗台如圖４所示．通過抽氣幫浦ｐｌ、電磁閥ｖ１和ｖ２調節抽氣容器壓力，確定測試時抽氣容器的初始壓力：利用抽氣幫浦ｐ２和電磁閥ｖ３調節壓力模擬氣室的氣壓．以模擬真空幫浦在高
原、平地等不同工作環境下的氣壓。
ｖ３圖４真空象測試試驗台組成
真空幫浦與抽氣容器、壓力模擬氣室之間用真
空軟管連線．並由試驗台向電機提供１２ｖ的工作
電壓真空幫浦效能的測試過程如下：關閉電磁閥
ｖ１．利用抽氣幫浦ｐ１對抽氣容器進行抽氣。直至抽氣容器內的壓力達到設定的初始壓力。關閉電磁閥ｖ２：關閉電磁閥ｖ３和ｖ４。通過抽氣幫浦ｐ２對壓
力模擬氣室進行抽氣．使氣室內的壓力達到模擬的環境壓力：開啟電磁閥ｖ４開始測試。壓力感測器ｓ１與抽氣容器相連．壓力感測器ｓ２與壓力模擬氣室相連．通過壓力感測器ｓｌ、ｓ２測得不同時刻抽氣容器內和壓力模擬氣室內的壓力值，然後
一１７—
設計計算研究
將對應時刻的壓力值轉化為０～５ｖ的線性電信
號．電腦通過採集０～５ｖ的電訊號，並且利用公式
（１３）將壓力值換算成真空度，即可以得到對應時
刻的真空度值
表１為往復式真空幫浦測試時的環境引數、工作引數和幾何引數．根據這些引數調整試驗裝置．
運用上述計算分析方法**計算該真空幫浦的效能指標
表１往復式真空幫浦測試時引數引數數值環境溫度／℃
２０測試電壓／ｖ
１２環境壓力ｐｄｐａ１×１０抽氣容器初始壓力ｐ／ｐａ
ｌｘｌｏ
抽氣容器容積 ／ｍ５ｘｌｏ￣
氣缸餘隙容積 ／ｍ
１×１ｏ活塞行程電機轉速活塞直徑ｄ／ｍ２．８ｘ１０活塞環張力／ｎ
１００活塞副摩擦係數「
０．１工作時間 ｓ５０匹配電機功率
１５ｏ４．１極限真空度的對比分析
通過試驗測試出來的極限真空度為０．８４２１．計算得到的極限真空度為０．８６５８．相對誤差為
２．８１４％．在誤差範圍５％之內．即該計算分析方法具有一定的計算精度與可行性
４．２達到指定真空度所需時間對比分析
圖５計算曲線與測試曲線對比
由圖５可以看出．測試曲線與計算曲線較為吻合，真空度為０．５時，計算時間為４．４７２ ６ｓ，測試時間為４．６４１ｓ，相對誤差為３．６２９％：真空度為０．７時，計算時間為８．６０７６ｓ，測試時間為８．９４５２ｓ．相對誤差為３．００９％：真空度為０．８時，計算時間為測試時間為相對誤差為９．１９５％ 可以看
出．達到指定真空度所需的時間計算值和測試值
相近。４．３真空幫浦功耗的對比分析
根據真空幫浦功耗計算公式．取機械效率為７０％．電機效率為８０％．修正係數為１．０５．計算得到真空幫浦
的功耗為１５０．３４ｗ 對比該往復式真空幫浦匹配的電
機功率為１５０ｗ，相對誤差為０．２％。因此，可以根據
本文功耗的計算方法選擇與真空幫浦所匹配的電機
５結束語
闡述了往復式真空幫浦的結構及其工作原理．並
提出了真空幫浦的效能評價標準．對往復式真空幫浦的
極限真空度、達到指定真空度所需的時間以及真空
幫浦功耗３個效能指標進行了分析通過試驗驗證可
參考文獻
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９林逸，賀文娟，何洪文，陳瀟凱．電動汽車真空助力制動系
統的計算研究．汽車技術
（責任編輯
簾青）修改稿收到日期為２０１２年４月１日
汽車技術
往復式幫浦的主要結構
往復式幫浦主要由動力端 液力端 盤根盒 填料函 總成 箱體 底座總成 閥門等部件組成，往復幫浦分類結構形式分活塞式 活塞環密封，流量大，壓頭低 柱塞式 密封長度大，流量小，壓頭高 直動式 氣體 液體和蒸汽驅動。有效行程分單作用 兩個行程，一次吸入，一次排出 雙作用 兩個行程，兩次吸入，二次排出 差動...
04往復式壓縮機方案
事故氮氣壓縮機c1201a b 卷內目錄 第一章工程概況 1 第二章編制依據 1 第三章壓縮機施工工藝流程 2 第四章壓縮機的安裝 2 第五章壓縮機的試運轉 13 第六章質量及安全保證措施 18 惠生 南京 化工 30萬噸 年一氧化碳 20萬噸 年甲醇裝置安裝工程，共有壓縮機11臺，其中往復式壓縮機...
往復式壓縮機組安裝方案
型號 4l 28 0.3 5 編制 審核 審批 三聯合審批 機動處審批 公司領導審批 檢維修公司動裝置維修隊 二 一一年十一月十二日 目錄1 工程概況1 2 編制依據2 3 適用範圍3 4 施工前準備3 5 施工程式6 6 質量控制15 7 進度計畫17 8 安全文明施工17 附錄一 工程概況 一 ...