WO2022116082A1 - 一种车用水冷空气压缩机气源系统 - Google Patents
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Abstract
一种车用水冷空气压缩机气源系统，包括双曲柄内支撑传动结构、控制器(25)和水冷系统；双曲柄内支撑传动结构通过电机(3)、弹性联轴器和曲轴(7)驱动，曲轴(7)两侧曲柄带动低压缸活塞组件和高压缸活塞组件做上下往复运动，完成气体压缩过程。控制器(25)固定在电机(3)上，控制器(25)内部设置迷宫型冷却水道，控制器(25)实时共享供气系统工作状态及反馈故障信息；水冷系统由整车水泵系统供水，经过控制器(25)内部迷宫型冷却水道后进入曲轴箱水槽内，然后经活塞缸内水槽后进入缸盖(20)，经过缸盖(20)内腔水道后重新返回至活塞缸和曲轴箱内，最后排出汇入整车循环水路。具有压缩效率高、振动小、体积小便于安装布置等优点。
Description
本发明涉及汽车用空气压缩设备领域，尤其涉及一种车用水冷空气压缩机气源系统。
无油往复活塞式空气压缩机由于内部完全无润滑油的参与，在连杆大小头及曲柄部位的运动副必须通过采用免维护轴承来承载，受限于自身无油润滑结构特点，曲柄处难以套入免维护轴承，故目前大多数无油活塞式空气压缩机均采用单曲柄悬臂结构，其支点较长结构强度差、运行振动大。内支撑双曲柄传动结构，在两活塞连杆组之间采用免维护的双列轴承，用于支承放置在曲轴上以保证其传动结构的强度可靠、运行平稳。同时要减小传动结构的振动，首先考虑的主要方式是对曲柄连杆机构进行平衡，消除或限制旋转机构或往复机构的不平衡惯性力和惯性力矩。目前少数无油活塞式空气压缩机采用的非悬臂双曲柄传动结构，只能使往复惯性力和旋转惯性力得以平衡，其往复惯性力矩依然无法减小且旋转惯性力矩也难于平衡。
汽车空气压缩机主要用于向汽车制动系统、空气悬挂系统、车门开启关闭及辅助用气动装置提供必要气源。目前常用的车载空气压缩机主要有滑片式、涡旋式、活塞式空气压缩机。
1.目前市场上常用的车载空气压缩机多数为风冷式空气压缩机，其排气温度高，且内部高温度难于导出影响各部件的使用寿命，不能满足连续工作的要求；且气体温度越高越难以被压缩，致使压缩效率低下，功耗增大，而一些水冷式压缩机水道密封结构差，漏水严重，可靠性差。
2.无油往复活塞式空气压缩机受限于自身无油传动结构特点，其传动结构体积庞大，运行振动大，影响整车舒适性。
3.车用空气压缩机气源系统由空压机及整车控制器(逆变器)构成，整车控制器(逆变器)向空压机电机提供动力源并控制空压机工作。整车控制器通常为多合一控制器，其体积庞大且需额外空间安装布置；同时若控制器的单一功能损害则需要更换整个控制器总成其维修成本较高。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种车用水冷空气压缩机气源系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种车用水冷空气压缩机气源系统，包括双曲柄内支撑传动结构、控制器和水冷系统；
所述双曲柄内支撑传动结构通过电机驱动，曲轴通过弹性联轴器与电机连接，所述曲轴两侧曲柄带动其上的低压缸活塞组件和高压缸活塞组件做上下往复运动，使得两活塞缸内容积发生周期性变化，完成气体压缩过程。
所述控制器固定在电机上，与电机连接的高压电源线束通过内通螺栓内置，控制器内部设置有迷宫型冷却水道，控制器上布置有整车交互CAN通讯接口用于实时共享供气系统工作状态及通过传感器监测反馈故障信息；
所述水冷系统由整车水泵系统供水，经过控制器内部的迷宫型冷却水道后进入曲轴箱水槽内，然后经活塞缸内水槽后通过通水螺栓进入缸盖，经过缸盖内腔水道后通过通水螺栓重新返回至活塞缸和曲轴箱内，最后排出汇入整车循环水路。
进一步地，电机主轴带动弹性联轴器主动端旋转，弹性联轴器从动端带动曲轴7旋转；所述弹性联轴器从动端设置有配重结构，起到传递动力作用的同时可起到平衡块作用，减小整机振动。
进一步地，低压缸活塞组件上设有低压进气阀片，阀片具有单向导流作用，当低压活塞从上止点向下运动，缸内变大产生负压，使得自然空气吸入活塞缸一级缸内，活塞缸上侧设有阀板，阀板上设置有第一排气阀门组件；低压活塞从下止点向上运动，缸内容积减小气体被压缩，低压进气阀片关闭，第一排气阀门组件开启排出气体，完成一级缸的气体压缩，一级压缩气体经过缸盖流道在高压进气阀片的作用下进入活塞缸二级缸内，并在高压缸活塞及第二排气阀门组件的共同作用下完成二次压缩。
进一步地，低压进气阀片布置在低压活塞的环形槽端面上，环形槽端面上设置有进气口以及限位螺钉，限位螺钉对低压进气阀片起到定程限位作用，并采用定程螺栓，其上设有环状波形或蝶形阀片减小阀片根部应力集中，提高阀片使用寿命。
进一步地，曲轴两侧曲柄上各加装一个平衡块，曲轴外侧曲柄上设置有通孔结构，平衡块通过固紧螺栓及平键结构布置在曲轴上，平衡块与曲柄连杆的旋转部分达成平衡，消除活塞式空气压缩机运行时的旋转惯性力及力矩，进一步减小无油活塞式空气压缩的振动。
进一步地，曲轴通过免维护双列支撑轴承布置在曲轴箱上。
进一步地，曲轴箱和活塞缸采用内型腔水道结构，表面为封闭式结构；曲轴箱和活塞缸端面均设置有若干个通水孔，通过O型圈或橡胶复合垫片实现双道密封，降低漏水风险。
进一步地，控制器上具有气体温度传感器和电机温度传感器，控制器通过气体温度传感器和电机温度传感器的监测，判断气体系统压力是否高于整车安全气压；若气体系统压力高于整车安全气压，则控制器停止空压机工作，等温度下降或气压低于整车安全气压后再启动空压机工作；若气体系统压力低于整车安全气压，则控制器反馈故障信号给整车控制系统， 并控制水泵加快流速进行降温，同时判断是否出现运行时间过长的故障。
进一步地，控制器上具有水温传感器，控制器通过水温传感器监测到冷却水温度，并通过控制空压机的工作负荷率，调节冷却水温度。
进一步地，控制器监测系统压力在整车安全压力和额定压力之间，则调低空压机转速，提升空压机的负荷率。反之则调高空压机转速，降低空压机的负荷率，使其降低工作温度，保护整车气制动系统安全及延长空压机使用寿命。
本发明的有益效果：本发明采用外置水冷搭载立式双缸两级压缩结构，辅于双曲柄内支撑传动结构：通过减小其连杆与曲轴支承的轴向距离降低了运行时振动，同时通过在两侧曲柄上布置有集成式平衡块，其平衡块与曲柄连杆机构的旋转质量达成平衡，以此来消除活塞式空气压缩机运行时的旋转惯性力和力矩，从而进一步降低了无油活塞式空气压缩的振动。本发明采用集成控制器设计，结构紧凑、安装方便、高效节能，并具备智能控制、故障检测、整车信息交互等功能。本发明采用高效、可靠的水冷结构，满足控制器的工作环境的同时降低空气压缩机的内部运行温度及排气温度，满足空压机连续工作的要求；同时抑制泵头噪音外扩，降低空压机运行噪声。
图1为本发明主视主体结构剖视图；
图2为本发明左视剖视图；
图3为本发明立体视图；
图4为本发明缸盖水道剖视图；
图5为本发明俯视水道剖视图；
图6为本发明泵头局部水道剖视图；
图7为本发明曲轴箱结构图；
图8为本发明活塞缸结构图；
图9为本发明缸盖结构图；
图10为本发明缸盖剖视图；
图11为本发明活塞阀组结构图；
图12为本发明联轴器从动端结构图；
图中，1.橡胶减震垫；2.安装支架；3.电机；4.弹性联轴器主动端；5.弹性联轴器从动端；6.免维护双列支撑轴承；7.曲轴；8.平衡块；9.曲轴箱；10.端盖；11.消声结构；12.免维护脂润滑轴承；13.高压缸活塞连杆组件；14.低压缸活塞连杆组件；15.活塞缸；16.低压导向环；17.低压活塞环；18.低压进气阀片；19.阀板；20.缸盖；21.第二排气阀 门组件；22.高压进气阀片；23.高压密封环；24.高压导向环；25.控制器；26.第一排气阀门组件；27.沉头螺钉；28.内通螺栓；29.调试接口；30.高压电源接口；31.整车交互CAN通讯接口；32.安全阀；33.排气接头；34.进气接头；35.循环水路；36.排水接头；37.进水接头；38.连接水管；39.通水螺栓；40.曲轴箱内型腔水道；41.曲轴箱双层密封槽；42.曲轴箱通水孔；43.活塞缸通水孔；44.活塞缸双层密封槽；45.活塞缸内型腔水道；46.缸盖内侧低压区；47.进出水通道；48.缸盖内侧高压区；49.缸盖内型腔水道；50.限位螺钉；51.定程螺栓；52.环状蝶形阀片；53.环形槽端面有进气口；54.低压活塞；55.配重结构。
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
本发明提供了一种车用水冷空气压缩机气源系统，采用内支撑双曲柄曲轴7，在曲轴双侧偏心曲柄上各设置有高压连杆活塞组件13和低压连杆活塞组件14；其里侧曲柄上设置有锥孔，并通过固紧螺栓及键结构布置有联轴器从动端5，联轴器主动端4布置于电机3主轴上，此弹性联轴器具有轴向和径向偏差补偿功能，保障主轴传动平稳可靠，电机3布置于曲轴箱9后侧，曲轴7则通过免维护双列支撑轴承6布置在曲轴箱9上；其结构保证了传动结构的强度可靠、运行平稳，同时双曲柄内支撑结构通过减小其连杆与曲轴支承的轴向距离以降低运行时的振动；曲轴箱9前侧布置有端盖10，端盖内置消声结构11，材料为泡沫铝、消音棉等，低压缸活塞连杆组件14和高压缸活塞连杆组件13上分别布置有低压活塞环17、低压导向环16及高压密封环23、高压导向环24，起到气体密封及运动导向作用；同时高、低压活塞通过不同密度的材质进行制造使高、低压缸活塞连杆组件达到相同的重量。进气接头34布置在曲轴箱9侧面，排气接头33及安全阀32则布置在缸盖20上。整机通过安装支架2和曲轴箱9安放在橡胶减震垫1上。曲轴7外侧曲柄上则设置有通孔结构，其平衡块8通过固紧螺栓及平键结构布置在曲轴7，其平衡块与曲柄连杆机构的旋转部分达成平衡，以此来消除活塞式空气压缩机运行时的旋转惯性力及力矩，从而进一步减小了无油活塞式空气压缩的振动。如图12所示，联轴器从动端5设置有配重结构55，其起到传递动力作用的同时可起到平衡块作用，减小整机振动的同时，此结构设计使得传动结构体积大大减小；以保证消除活塞式空气压缩机运行时产生的旋转惯性力和力矩。
本发明压缩工作过程如下：如图1-2所示，电机3主轴带动弹性联轴器主动端4旋转，弹性联轴器从动端5带动曲轴7旋转。曲轴两侧曲柄上设置有免维护脂润滑轴承12，带动其上的低压缸活塞连杆组件14和高压缸活塞连杆组件13做上下往复运动，使得两缸内容积发生周期性变化，其中低压缸活塞上设有低压进气阀片18，阀片的单向导流作用，当低压活塞 从上止点向下运动，缸内变大产生负压，使得自然空气吸入活塞缸15一级缸内。活塞缸上侧设有阀板19，阀板上设置有第一排气阀门组件26；低压活塞从下止点向上运动，缸内容积减小气体被压缩，此时低压进气阀片18关闭，第一排气阀门组件26开启排出气体，此时完成一级缸的气体压缩。随后一级压缩气体经过缸盖20流道在高压进气阀片22的作用下进入活塞缸二级缸内，并在高压缸活塞及第二排气阀门组件21的共同作用下完成二次压缩。
如图11所示，低压进气阀片18布置在低压活塞54的环形槽端面上，环形槽端面上设置有进气口53的同时还布置有限位螺钉50，在阀片最高上扬点处，限位螺钉50对低压进气阀片起到定程限位作用，避免阀片上扬开启角过高，导致阀片根部易断裂问题，并且保证阀片在压缩行程时的及时关闭，提升压缩效率。在其定程螺栓51上设有环状蝶形阀片52或者环状波形阀片，从而控制阀片压紧力和阀片根部自由行程，继而大大减小阀片根部应力集中问题，大大提高阀片使用寿命。环状蝶形阀片或者环状波形阀片结构，配作活塞端面环形沟槽设计，压缩上止点时阀片完全避让于活塞沟槽内，从而避免在活塞上止点时于阀板干涩撞击，而且定程螺栓和限位螺栓螺头完全避让于阀板排气孔中设计，并使得余隙容积最小化，大大提升压缩效率。螺头让位于阀板内孔中，并搭载活塞环形槽设计，此结构大大减小活塞运行上止点时余隙容积，提升了整机压缩效率。本发明的进气活塞设计具有体积小、重量轻、压缩效率高、寿命长等优点。
本发明采用水冷系统，高效的冷却使得控制器、压缩机泵头的内部运行温度大幅度降低，满足供气系统连续工作的要求。特别是空压机能在可控的压缩温度区间工作，使得压缩机更加高效节能；同时极大地降低空压机的排气温度，并且泵头水道的设计能有效的抑制噪音的外扩，使整机的运行噪音降低。
如图3-5所示，循环水路35的冷却水由整车水泵系统供给，由进水接头37进入，经过控制器25内部设置的迷宫型冷却水道后经由连接水管38进入曲轴箱9水槽内，经活塞缸15内水槽后通过布置在缸盖20上的通水螺栓39进入缸盖20，经过缸盖内腔水道后经由通水螺栓重新返回至活塞缸15、曲轴箱9内，最后经由排水接头36排出，汇入整车循环水路。
此水路循环过程连接了控制器及空压机缸头区域，完成了在对控制器25及空压机的缸头区域曲轴箱9、活塞缸15、缸盖20的高效循环冷却降温。
如图7-8所示，曲轴箱9和活塞缸15可采用曲轴箱内型腔水道40和活塞缸内型腔水道45，其结构可靠性更高，曲轴箱9和活塞缸15采用砂芯模铸造成型，零部件表面为封闭式结构，其内腔通过砂模成型；曲轴箱9端面设置有若干个曲轴箱通水孔42，活塞缸15端面设置有若干个活塞缸通水孔43，通水孔也起到工艺孔作用实现砂芯的定位及支撑。并辅以曲轴箱9端面上设计的双层密封槽41和活塞缸15端面上设计的双层密封槽44，可通过O型圈或 橡胶复合垫片实现双道密封，极大地降低了漏水风险。
如图9-10所示，缸盖内侧设置有低压区46及高压区48，同时其表面设计有网格加强筋，可起到排气消音的作用。进出水通道47连接缸盖内型腔水道49，其结构可靠性高且散热面积大，冷却效率高。
本发明的水冷系统具有如下优点：
1.高可靠性的循环水道设计，小体积轻量化结构布局，高效冷却：控制器-曲轴箱-活塞缸-缸盖，流道覆盖发热源，降低排气温度、提升压缩效率。
2.主体部件内型腔结构设计，通过铸造通水型腔结构，达到高效冷却同时，大大减小各部件连接处水道泄露面，
3.辅于曲轴箱、活塞缸密封面环形沟槽设计，形成多道保护，大大降低漏水风险
4.缸盖、活塞缸连接采用内通水螺栓设计，此螺栓既起到流道作用，又起到连接紧固作用，并且此结构设计优点在于螺栓安装端面、阀板两侧缸垫、螺纹处均能起到防水效果，从而形成多道防护，大大提升了可靠性。
本发明控制器25采用轻量化设计，使其直接安装固定在空压机电机3上，其与电机3连接的高压电源线束内置，结构紧凑、安装方便；内部设计有冷却水道，高效节能；并具备智能控制、故障检测、整车信息交互等功能。
如图6所示：控制器25通过沉头螺钉27固定在电机3上，其与电机3连接的高压电源线束通过内通螺栓28内置；其结构紧凑、安全可靠。控制器上则布置有整车交互CAN通讯接口31实时共享供气系统工作状态及反馈故障信息等，以及设置有高压电源接口30和调试接口29。
控制器25智能控制过程为：在整车气制动系统预定安全气压和最高额定气压之间，实现智能启停，通过控制空压机电机的工作转速使空压机在最佳性能负荷率下工作，继而保障空压机的使用寿命，使空压机更加高效节能，并提升整车安全性能。
控制器25具备的功能如下：
功能1：控制器25上的气体温度传感器及电机温度传感器监测到温度过高时，此时控制器系统判断气体系统压力是否高于整车安全气压；若气体系统压力高于整车安全气压，则控制器停止空压机工作，等温度下降或气压低于整车安全气压后再启动空压机工作；若气体系统压力低于整车安全气压，则控制器反馈故障信号给整车控制系统，并检测此时空气压缩是否已启动运行，若此时检测到空气压缩机已在运行，则控制水泵加快流速进行降温防止压缩机出现连续运行温度过高情况，同时判断是否出现运行时间过长的故障。
功能2：控制器25通过监测空压机工作状态，控制其工作负荷率，使空压机运行更加高 效节能。行车时当控制器系统检测空压机长时间停机负荷率较低时，且此时的系统压力在整车安全压力和额定压力之间，则控制器适当调低空压机转速，适当提升空压机的负荷率。反之当控制器系统检测空压机长时间停机负荷率较高时，则控制器适当调高空压机转速，适当降低空压机的负荷率，使其降低工作温度，保护整车气制动系统安全及延长空压机使用寿命。
功能3：控制器25上的水温传感器监测到冷却水温度过低时反馈至整车控制器，并与整车控制系统通讯交互，整车控制器判断水温过低影响电池等部件性能寿命时，空压机控制器控制提升空压机的工作负荷率，加快提升冷却水的温度。
本发明的控制器采用集成压缩机设计，共用水道和壳体结构，结构紧凑体积小，并且能更加高效的控制器压缩机工作。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
- 一种车用水冷空气压缩机气源系统，其特征在于，包括双曲柄内支撑传动结构、控制器和水冷系统；所述双曲柄内支撑传动结构通过电机驱动，曲轴通过弹性联轴器与电机连接，所述曲轴两侧曲柄带动其上的低压缸活塞组件和高压缸活塞组件做上下往复运动，使得两活塞缸内容积发生周期性变化，完成气体压缩过程。所述控制器固定在电机上，与电机连接的高压电源线束通过内通螺栓内置，控制器内部设置有迷宫型冷却水道，控制器上布置有整车交互CAN通讯接口用于实时共享供气系统工作状态及通过传感器监测反馈故障信息；所述水冷系统由整车水泵系统供水，经过控制器内部的迷宫型冷却水道后进入曲轴箱水槽内，然后经活塞缸内水槽后通过通水螺栓进入缸盖，经过缸盖内腔水道后通过通水螺栓重新返回至活塞缸和曲轴箱内，最后排出汇入整车循环水路。
- 根据权利要求1所述的一种车用水冷空气压缩机气源系统，其特征在于，电机主轴带动弹性联轴器主动端旋转，弹性联轴器从动端带动曲轴7旋转；所述弹性联轴器从动端设置有配重结构，起到传递动力作用的同时可起到平衡块作用，减小整机振动。
- 根据权利要求1所述的一种车用水冷空气压缩机气源系统，其特征在于，低压缸活塞组件上设有低压进气阀片，阀片具有单向导流作用，当低压活塞从上止点向下运动，缸内变大产生负压，使得自然空气吸入活塞缸一级缸内，活塞缸上侧设有阀板，阀板上设置有第一排气阀门组件；低压活塞从下止点向上运动，缸内容积减小气体被压缩，低压进气阀片关闭，第一排气阀门组件开启排出气体，完成一级缸的气体压缩，一级压缩气体经过缸盖流道在高压进气阀片的作用下进入活塞缸二级缸内，并在高压缸活塞及第二排气阀门组件的共同作用下完成二次压缩。
- 根据权利要求3所述的一种车用水冷空气压缩机气源系统，其特征在于，低压进气阀片布置在低压活塞的环形槽端面上，环形槽端面上设置有进气口以及限位螺钉，限位螺钉对低压进气阀片起到定程限位作用，并采用定程螺栓，其上设有环状波形或蝶形阀片减小阀片根部应力集中，提高阀片使用寿命。
- 根据权利要求1所述的一种车用水冷空气压缩机气源系统，其特征在于，曲轴两侧曲柄上各加装一个平衡块，曲轴外侧曲柄上设置有通孔结构，平衡块通过固紧螺栓及平键结构布置在曲轴上，平衡块与曲柄连杆的旋转部分达成平衡，消除活塞式空气压缩机运行时的旋转惯性力及力矩，进一步减小无油活塞式空气压缩的振动。
- 根据权利要求1所述的一种车用水冷空气压缩机气源系统，其特征在于，曲轴通过免维护双列支撑轴承布置在曲轴箱上。
- 根据权利要求6所述的一种车用水冷空气压缩机气源系统，其特征在于，曲轴箱和活塞缸采用内型腔水道结构，表面为封闭式结构；曲轴箱和活塞缸端面均设置有若干个通水孔，通过O型圈或橡胶复合垫片实现双道密封，降低漏水风险。
- 根据权利要求1所述的一种车用水冷空气压缩机气源系统，其特征在于，控制器上具有气体温度传感器和电机温度传感器，控制器通过气体温度传感器和电机温度传感器的监测，判断气体系统压力是否高于整车安全气压；若气体系统压力高于整车安全气压，则控制器停止空压机工作，等温度下降或气压低于整车安全气压后再启动空压机工作；若气体系统压力低于整车安全气压，则控制器反馈故障信号给整车控制系统，并检测此时空气压缩是否已启动运行，若此时检测到空气压缩机已在运行，则控制水泵加快流速进行降温保护压缩机，同时反馈判断是否出现运行时间过长的故障。
- 根据权利要求1所述的一种车用水冷空气压缩机气源系统，其特征在于，控制器上具有水温传感器，控制器通过水温传感器监测到冷却水温度，并通过控制空压机的工作负荷率，调节冷却水温度。
- 根据权利要求1所述的一种车用水冷空气压缩机气源系统，其特征在于，控制器监测系统压力在整车安全压力和额定压力之间，则调低空压机转速，提升空压机的负荷率。反之则调高空压机转速，降低空压机的负荷率，使其降低工作温度，保护整车气制动系统安全及延长空压机使用寿命。
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