電動客車各型空氣壓縮機結構原理及可靠性分析

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

生態環境保護是21世紀人類面臨的主要問題，全球汽車業都在圍繞節約能源、降低污染物和溫室氣體排放進行著不懈努力，發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，廣泛應用于總質量為8t以上的客車，在傳統燃油汽車中，由于燃油發動機的存在，由發動機通過齒輪傳動而驅動空氣壓縮機，空氣壓縮機產生壓縮空氣，高壓空氣驅動氣動執行元件，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，使用電動機驅動空氣壓縮機。空氣壓縮機一直是各個電動客車企業的薄弱環節，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構原理，分析各自優缺點，得出最適合當今電動車應用的空氣壓縮機，提高整車制動系統的安全性。

1 各型空氣壓縮機結構分析

1.1 活塞式空氣壓縮機

在我國早期的純電動車中，主要應用于工業現場，當曲軸旋轉時，通過連桿的傳動，活塞便做往復運動，由氣缸內壁、氣缸蓋和活塞頂面所構成的工作容積則會發生周期性變化。活塞從氣缸蓋處開始運動時，氣缸內的工作容積逐漸增大，這時，氣體即沿著進氣管，推開進氣閥而進入氣缸，直到工作容積變到最大時為止，進氣閥關閉；活塞反向運動時，氣缸內工作容積縮小，氣體壓力升高，當氣缸內壓力達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，排氣閥關閉。當活塞再次反向運動時，上述過程重復出現。總之，曲軸旋轉一周，活塞往復一次，氣缸內相繼實現進氣、壓縮、排氣的過程，即完成一個工作循環。重復吸氣-壓縮-排氣的過程。

圖2 活塞式內部結構圖

1.2 單螺桿式空氣壓縮機

結構形式：單螺桿壓縮機是一種單軸容積式回轉型壓縮機，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相對移動，封閉基元容積發生變動，氣體輸送壓縮，當達到設計壓力值，由主機殼上左右兩側對稱的三角形排氣口排至油氣分離器內。

圖3 單螺桿主機總成圖

圖4 單螺桿主機內部結構圖

1.3 滑片式空壓機介紹

滑片式壓縮機的空氣端（主機）主要由轉子和定子組成，其中轉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，轉子在定子中偏心放置，當轉子旋轉時，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壁間形成一個封閉的空氣腔—壓縮腔。轉子轉動時，壓縮腔的體積隨著滑片出量的大小而變化。在吸氣過程中，空氣經由過濾器被吸入壓縮腔，并與噴入主機內的潤滑油混合。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。如圖5例示：

圖5 滑片機主機總成圖

圖6 滑片機主機內部結構圖

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

目前在市場上應用較多的產品主要是后兩種：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目只有一個轉子，而且只是做單純的回轉運動，加工要求高，但不需要專用設備，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，由螺桿驅動2個星形齒輪嚙合，對裝配要求高，裝配復雜。

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，軸承數量多達6個，即便選用國際名牌優質軸承，2～4萬小時也要更換，主機受力大、受力形式復雜是導致單螺桿機軸承失效的直接原因。滑片式空壓機軸承數量僅為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 轉速的對比

增加轉子轉速可以提高排氣量。但轉速過高，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，達到相同的排氣量其轉速可明顯降低；容積效率高，氣體回流量小，不必提高轉速也能保證排氣量，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，達到相同的排氣量只能依靠增加轉速；容積效率低，相同轉速下，排氣量遠小于滑片式空氣壓縮機，每分鐘要達到3 000rpm左右才能保證整車用氣需求。

3 結論

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構簡單，維修費用低廉，維修方便。安徽某公司現有的電動汽車全部采用的都是滑片式結構的空氣壓縮機，采用可靠性較高的交流異步電動機驅動，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。