真空泵结构

真空泵是为传统汽油增压发动机车辆制动提供助力的一个零部件，自然吸气的发动机直接从进气歧管内取负压为制动系统提供助力，增压机型在增压器工作后，进气歧管不能保证提供稳定可靠的负压，不能再为制动系统提供助力，因此就需要加一套额外的真空助力，也就是机械真空泵。

本文涉及的真空泵为单叶片式真空泵，主要由泵体、转子、叶片和单向阀等组成（图1）。驱动转矩通过发动机凸轮轴和真空泵连接器来使转子旋转，从而带动塑料的单叶片沿着真空泵容腔的轮廓，并以容腔偏心位置进行转动。单叶片将泵腔分为两个容腔，一侧为真空腔，随着单叶片的旋转其容腔的容积越来越大，从而产生真空度同时通过与真空助力器相连接，带有单向阀的进气口使真空助力器增加真空度；另一侧为压缩腔，随着单叶片的旋转其容腔越来越小，从真空助力器抽取的空气和泵内的润滑油压缩到发动机内。来自发动机的润滑油从转子中心的油路进入到泵的转子和容腔内，对单叶片上的浮动端子和容腔轮廓间起到密封作用。

故障调查分析

产生制动硬的主要原因是真空度不足，影响真空度的因素主要有以下几点：真空助力器与制动主缸泄漏，真空助力器与真空助力管泄漏、真空助力管泄漏、真空泵单向阀卡滞。

针对反馈的制动硬的问题，对当时处理问题的过程进行了解发现，制动硬是偶发现象，整车怠速，拔下连接真空泵的真空管，真空泵的进气口无吸气现象，更换真空泵后，故障消失。对故障车的真空助力器的两个密封圈、真空助力软管的密封圈进行检查，密封圈良好，真空助系统进行泄漏测试，30 s无泄漏。

1. 故障件调查

将返回的5台真空泵装配到台架上进行性能测试，1#泵在发动机转速1 000 r/min时性能正常，热机30 min后，回到怠速770 r/min时，真空泵抽气口出现不抽真空现象，故障再现（图2）。后面测试的3#、4#出现了抽气口不吸气现象，其他2台在多次测试后都出现了性能逐渐下降的现象，将故障件3#真空泵更换单向阀后，性能恢复正常（图3）。

2. 故障件拆解分析

将更换后的单向阀拆解分析（图4），明显可以看出阀芯变大，阀芯发生溶胀（图5）。

3. 故障件检测

对3#、4#故障件的阀芯与正常件的阀芯做尺寸检测对比，发现3#、4#故障件的阀芯直径都超出设计范围，通过计算可得出，正常件阀芯与抽气管的间隙为单边0.575～0.925 mm，故障件阀芯与抽气管的间隙只有0.175～0.275 mm，因此可以确认，是由单向阀中阀芯发生溶胀，阀芯与抽气管间隙减小，产生卡滞，导致真空泵不抽真空，失效，造成制动硬。阀芯的检测结果见表1。

4.阀芯的浸泡试验

为了进一步确认阀芯是在哪种溶剂中发生溶胀，选取了两种混合溶剂，一种是体积分数为80%机油（10W-30）+20%制动液，另外一种是体积分数为90%机油（10W-30）+10%汽油，在100°C的环境温度下，浸泡原状态阀芯48 h，结果浸泡在混有制动液溶剂中的阀芯发生了溶胀，尺寸（图6）及硬度都不满足图纸要求。阀芯浸泡检测结果见表2。

结合整车的制动系统来看，制动主缸内的制动液可能通过真空助力器进入到真空助力管中，被吸入到真空泵内，单向阀中的阀芯遇到制动液后，发生溶胀，与真空泵的吸气管的间隙减小，在阀芯不断的打开、关闭中，阀芯倾斜、翻边，发生卡滞，真空泵不能建立负压，多次踩制动踏板后，没有真空助力，制动变硬。由此制定出整改方案。

整改方案

1．方案制定

针对真空泵失效模式和原因分析有如下整改方案。

（1）阀芯材料由ACM变更为FVMQ

目前，阀芯的材料为ACM，完全不耐制动液、混合了乙醇的机油，对于混合了汽油的机油适应性也较差，因此，识别出目前可能接触到阀芯的溶液有机油、汽油、水及制动液，选择同时适应这几种溶液的材料为FVMQ材料，性能见表3。

（2）阀芯唇部由尖边变更为圆角

原状态的阀芯唇部是尖边形式，在阀芯溶胀以后，材料硬度变低，唇部易翻边，卡滞，导致真空泵性能下降或是不抽真空。唇部变更为圆角，降低了翻边的风险。

（3）单向阀组件

抽气管材料由ST37变更为PA66-GF30，单向阀的安装方式由压装变更为螺栓紧固，优化后单向阀易拆卸，成本低，可与阀芯变更所产生的成本上升相平衡。原、新状态单向阀抽气管对比如图7所示，原、新状态单向阀结构对比如图8所示。

（4）壳体

由于单向阀的变更，壳体做相应的变更，管口的高度增加2.2 mm，已与整车确认真空软管总成装配没有问题。原、新状态真空泵尺寸变更对比如图9所示。

2.阀芯的CAE分析

针对真空泵的单向阀中阀芯与抽气管的变更，分别对这两个部件进行CAE分析。

（1）阀芯的强度与压缩量分析

在-100 kPa负压+弹簧力作用下，阀芯底部固定，阀芯最大的米塞斯应力为0.86 MPa，远远小于此材料的拉伸强度9.3 MPa，满足设计要求。

新材料的阀芯的最大压缩量为0.365 mm，与原材料的压缩量0.646 mm，下降了约43%，提高了阀芯的可靠性。

（2）抽气管的强度分析

分别给抽气管垂直方向施加500 N的力，侧方一个37 N的力，最大应力分别为71.6 MPa和 27.1 MPa，远远小于拉伸强度190 MPa（图10），因此抽气管的强度没有问题。

总结

1）整车反馈的制动硬的问题主要是真空泵不工作，不能提供真空助力导致的。

2）从故障件真空泵单向阀拆解分析来看，阀芯发生了溶胀，与抽气管间隙变小，再加上唇部有可能翻边，会在抽气管内发生卡滞的现象，导致真空泵不能建立负压，不能给整车提供真空助力，因此制动变硬。

3）综合考虑发动机及整车内可能会出现的溶剂，阀芯材料由ACM变更为FVMQ，新材料同时耐机油、汽油、制动液及乙醇，避免由于以上液体使阀芯内发生溶胀，从而导致真空泵失效。

4）通过两种混合溶剂的浸泡试验可以表明，制动液会使ACM材料的阀芯迅速发生溶胀，待有阀芯样件后会再次做浸泡试验验证，同时加做发动机更换下的机油溶剂的浸泡试验，进行设计确认。