電動客車各型空氣壓縮機結(jié)構(gòu)原理及可靠性分析

丁傳記

安徽省安凱汽車股份有限公司汽車工程研究中心，安徽合肥 230051

生態(tài)環(huán)境保護(hù)是21世紀(jì)人類面臨的主要問題，全球汽車業(yè)都在圍繞節(jié)約能源、降低污染物和溫室氣體排放進(jìn)行著不懈努力，發(fā)展電動客車迫在眉睫。在客車中，氣壓制動是動力制動系的最常見的型式，可獲得較大的制動力，廣泛應(yīng)用于總質(zhì)量為8t以上的客車，在傳統(tǒng)燃油汽車中，由于燃油發(fā)動機的存在，由發(fā)動機通過齒輪傳動而驅(qū)動空氣壓縮機，空氣壓縮機產(chǎn)生壓縮空氣，高壓空氣驅(qū)動氣動執(zhí)行元件，使整車制動或停車，而在純電動城市客車中，由于取消了發(fā)動機，而整車又具有電池，因此可以將空氣壓縮機電動化，使用電動機驅(qū)動空氣壓縮機?？諝鈮嚎s機一直是各個電動客車企業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)，大大影響電動客車的可靠性。本文全面闡述各種空氣壓縮機結(jié)構(gòu)原理，分析各自優(yōu)缺點，得出最適合當(dāng)今電動車應(yīng)用的空氣壓縮機，提高整車制動系統(tǒng)的安全性。

1 各型空氣壓縮機結(jié)構(gòu)分析

1.1 活塞式空氣壓縮機

在我國早期的純電動車中，主要應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)時，通過連桿的傳動，活塞便做往復(fù)運動，由氣缸內(nèi)壁、氣缸蓋和活塞頂面所構(gòu)成的工作容積則會發(fā)生周期性變化?；钊麖臍飧咨w處開始運動時，氣缸內(nèi)的工作容積逐漸增大，這時，氣體即沿著進(jìn)氣管，推開進(jìn)氣閥而進(jìn)入氣缸，直到工作容積變到最大時為止，進(jìn)氣閥關(guān)閉；活塞反向運動時，氣缸內(nèi)工作容積縮小，氣體壓力升高，當(dāng)氣缸內(nèi)壓力達(dá)到并略高于排氣壓力時，排氣閥打開，氣體排出氣缸，直到活塞運動到極限位置為止，排氣閥關(guān)閉。當(dāng)活塞再次反向運動時，上述過程重復(fù)出現(xiàn)。總之，曲軸旋轉(zhuǎn)一周，活塞往復(fù)一次，氣缸內(nèi)相繼實現(xiàn)進(jìn)氣、壓縮、排氣的過程，即完成一個工作循環(huán)。重復(fù)吸氣-壓縮-排氣的過程。

圖2 活塞式內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 單螺桿式空氣壓縮機

結(jié)構(gòu)形式：單螺桿壓縮機是一種單軸容積式回轉(zhuǎn)型壓縮機，其嚙合副是由一根蝸桿和兩個平面布置的星輪所組成，由其蝸桿螺槽和星輪齒面及機殼內(nèi)壁形成封閉的基元容積。

單螺桿壓縮機的工作過程：電動機通過聯(lián)軸器或皮帶將動力傳到蝸桿上，由蝸桿帶動星輪齒在蝸桿槽內(nèi)相對移動，封閉基元容積發(fā)生變動，氣體輸送壓縮，當(dāng)達(dá)到設(shè)計壓力值，由主機殼上左右兩側(cè)對稱的三角形排氣口排至油氣分離器內(nèi)。

圖3 單螺桿主機總成圖

圖4 單螺桿主機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.3 滑片式空壓機介紹

滑片式壓縮機的空氣端（主機）主要由轉(zhuǎn)子和定子組成，其中轉(zhuǎn)子上開有縱向的滑槽，滑片在其中自由滑動；定子為一個氣缸，轉(zhuǎn)子在定子中偏心放置，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，滑片在離心力的作用下甩出并與定子通過油膜緊密接觸，相臨兩個滑片與定子內(nèi)壁間形成一個封閉的空氣腔—壓縮腔。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，壓縮腔的體積隨著滑片出量的大小而變化。在吸氣過程中，空氣經(jīng)由過濾器被吸入壓縮腔，并與噴入主機內(nèi)的潤滑油混合。在壓縮過程中，壓縮腔的體積逐漸縮小，壓力逐漸升高，之后油氣混合物通過排氣口排出。

滑片式空壓機壓縮空氣的流程：大氣→空氣過濾器→進(jìn)氣閥→空氣端→油氣分離器→最小壓力止回閥→后冷卻器→用氣系統(tǒng)。如圖5例示：

圖5 滑片機主機總成圖

圖6 滑片機主機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

上述三種空氣壓縮機，其中活塞式空氣壓縮機多在工業(yè)現(xiàn)場使用，其噪音大，已不再使用在對舒適性要求較高的汽車上.

目前在市場上應(yīng)用較多的產(chǎn)品主要是后兩種：單螺桿空氣壓縮機和滑片式空氣壓縮機。

2 單螺桿空氣壓縮機和滑片式空氣壓縮機可靠性分析

2.1 影響壓縮機可靠性的因素

表1 可靠性對比分析

2.2 運動主機的對比

對于滑片式空壓機，滑片式空壓機運動零部件數(shù)目只有一個轉(zhuǎn)子，而且只是做單純的回轉(zhuǎn)運動，加工要求高，但不需要專用設(shè)備，裝配簡單易行。對于單螺桿壓縮機，其運動部件有1個螺桿、2個星形齒輪，由螺桿驅(qū)動2個星形齒輪嚙合，對裝配要求高，裝配復(fù)雜。

2.3 軸承受力對比

軸承實效是困擾單螺桿壓縮機的主要問題之一，軸承數(shù)量多達(dá)6個，即便選用國際名牌優(yōu)質(zhì)軸承，2～4萬小時也要更換，主機受力大、受力形式復(fù)雜是導(dǎo)致單螺桿機軸承失效的直接原因?；娇諌簷C軸承數(shù)量僅為2個，滑片式空壓機由于從原理上避免了軸向力從而使得軸承問題得以徹底解決。

圖7 單螺桿空壓機受力分析

圖8 滑片式空壓機受力分析

2.4 轉(zhuǎn)速的對比

增加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以提高排氣量。但轉(zhuǎn)速過高，磨損會加大，能量損失也會隨之增加，運動部件壽命縮短。

滑片式空氣壓縮機有效吸入容積大，達(dá)到相同的排氣量其轉(zhuǎn)速可明顯降低；容積效率高，氣體回流量小，不必提高轉(zhuǎn)速也能保證排氣量，每分鐘在1 000rpm～1 500rpm，也能保證整車用氣需求。

單螺桿空氣壓縮機的有效吸入容積小，達(dá)到相同的排氣量只能依靠增加轉(zhuǎn)速；容積效率低，相同轉(zhuǎn)速下，排氣量遠(yuǎn)小于滑片式空氣壓縮機，每分鐘要達(dá)到3 000rpm左右才能保證整車用氣需求。

3 結(jié)論

通過以上的比較滑片式空氣壓縮機的可靠性要大大高于螺桿式空氣壓縮機，由于滑片式空氣壓縮機結(jié)構(gòu)簡單，維修費用低廉，維修方便。安徽某公司現(xiàn)有的電動汽車全部采用的都是滑片式結(jié)構(gòu)的空氣壓縮機，采用可靠性較高的交流異步電動機驅(qū)動，成本低，可靠性高。于2009年投入合肥公交運營的30臺純電動車，至今單臺平均運營了10萬km，空氣壓縮機故障率極低，完全滿足車輛運營需要。