新型雙作用變量葉片泵功率特性仿真分析

1、新型雙作用變量葉片泵功率特性仿真分析陳磊,張銀東,紀玉龍,孫玉清大連海事大學輪機工程學院 , 大連 116026E-mail :摘 要:考慮實際汽車轉向系統(tǒng)中助力泵的輸出流量高于實際需求的流量, 增加了泵的功率 損失, 降低了汽車的整體效率的問題, 提出了一種在專利技術基礎上的, 含有浮動塊的新型 雙作用變量葉片泵, 該泵應用在汽車轉向助力泵等工況。 同時建立汽車液壓助力轉向系統(tǒng)的 Matlab Simulink 仿真模型,對轉向泵選擇不同的參數(shù)進行仿真,并對仿真的功率輸出結果 進行對比和分析。 仿真結果表明該泵的功率輸出明顯降低, 是一種較有應用前景的新型葉片 泵。關鍵詞:轉向系統(tǒng);浮動塊;

2、雙作用變量葉片泵;節(jié)能目前大多數(shù)商用車和轎車都采用動力 轉向, 這是因為動力轉向不僅能較好地解決 轉向輕便與轉向靈活的矛盾, 而且還能提高 行駛安全性和舒適性。 動力轉向系統(tǒng)以液壓 助力式居多, 但是液壓式動力轉向需消耗一 定的能量,使汽車燃料消耗增加。 一般動力 轉向裝置所引起的燃油消耗約占整車燃油 消耗的 3%1。其中又以汽車轉向泵消耗的 無功功率為最大。 汽車行駛過程中,發(fā)動機 大部分時間在高于怠速的轉速范圍內(nèi)運轉, 而且 80%以上的時間處于不轉向的直線或 等待狀態(tài), 因此油泵輸出的油液大部分經(jīng)過 流量控制閥和轉向控制閥流回儲油罐, 造成 很大的損失 1。在汽車節(jié)能呼聲日益提高的 今天

3、,有必要研究新一代的汽車轉向泵, 解 決傳統(tǒng)轉向泵無功功率消耗過大的問題。 本文所要介紹的雙作用變量葉片泵是 在專利技術 2基礎上,提出了一種含有浮動 塊的新型葉片泵。此泵具有速度補償特性, 能降低泵的無功功率消耗, 相對于傳統(tǒng)助力 泵是一種較為理想的汽車用轉向助力泵。 1. 基本結構雙作用變量葉片泵是在現(xiàn)有雙作用定 量葉片泵的基礎上進行一定的結構改進而 形成的。它主要由定子、轉子、葉片、吸油 窗口、排油窗口、 浮動塊及聯(lián)接彈簧等所組 成。如圖 1所示, 在外殼體的內(nèi)圈上裝有定 子和定子襯套, 在定子內(nèi)裝有轉子。在轉子 上均布的裝有 8組葉片, 在每兩組葉片中間 均布的裝有 8組浮動塊。 浮動

4、塊由浮動塊體 和聯(lián)接彈簧組成; 浮動塊體安裝在浮動塊體 滑槽內(nèi), 聯(lián)接彈簧安裝在彈簧槽內(nèi),在彈簧 槽底開有聯(lián)通孔通到吸油腔, 使通過浮動塊 泄漏的液壓油通過聯(lián)通孔回到油腔, 并且保 證浮動塊體能夠順利的工作、 運動靈活。新 型葉片泵在保持現(xiàn)有定量葉片泵轉子徑向 受力平衡等優(yōu)點的基礎上, 還能夠十分方便 的按照轉速的不同要求,自動改變其排量。 圖 1 雙作用葉片泵結構示意圖1. 定子 2.彈簧 3.轉子 4.浮動塊體 5.浮動槽 6.葉 片新型雙作用葉片泵與傳統(tǒng)雙作用定量 葉片泵在結構上的主要區(qū)別:將轉子在兩個 葉片之間的部分制成隨著葉片泵轉速的變 化而發(fā)生的浮動部件, 使葉片泵的排量在葉 片泵

5、轉速變化時,變化較小或不變化。 改變 了隨著發(fā)動機的轉速的增加助力泵的排量 也將隨著增加的狀況, 通過改變泵的排量達 到在汽車不轉向時降低泵輸出功率的目的?；痦椖?教育部博士點基金項目 (20020151007 作者簡介:陳磊(1980-,男,博士生孫玉清(1963-,男,博士,教授,博士 2. 工作原理 2.1 工作原理概述雙作用變量葉片泵變量原理是在其轉 子的浮動槽上安裝可以上下伸縮的浮動塊 體,隨著轉子旋轉速度的變化, 浮動塊體可 在槽內(nèi)上下滑動, 這樣浮動塊體隨著轉速的 變化在油腔內(nèi)占據(jù)不同程度的空間, 就會使 泵的有效容積空間發(fā)生變化,實現(xiàn)泵的變 量。 在不考慮浮動塊體重力和油液阻

6、力等條 件下, 以兩個相鄰葉片間的一個浮動塊體工 作過程為例, 當汽車發(fā)動機驅動轉向葉片泵 在低于設定的轉速旋轉時, 由于浮動塊體底 部有彈簧設定的預拉緊力, 浮動塊體將被彈 簧牢牢的拉在浮動槽內(nèi)不能向外伸出, 這時 葉片泵將不能實現(xiàn)變量, 泵的每轉排量將不 變。當轉速大于設定的轉速時, 浮動塊體受 到離心力的作用大于彈簧的預拉緊力, 這時 的浮動塊體將能伸到有效的變量范圍內(nèi)。 當 浮動塊體一端的葉片進入吸油窗口時, 這時 葉片間的油液連通吸油腔, 浮動塊體受離心 力作用克服彈簧的拉力逐漸向外伸出, 同時 彈簧也將被拉伸,則彈簧的拉力將變大。 當 兩個葉片旋轉到處于吸排油窗口之間的大 圓弧處而

7、已脫離吸油窗口未進入排油窗口 時, 浮動塊體將受到離心力與彈簧力這對相 互作用力,而達到靜止狀態(tài)。 浮動塊體將在 有效的變量空間占據(jù)相鄰兩葉片間的一定 片間容積。 當浮動塊體一端的葉片進入排油 窗口后, 浮動塊體由于受高壓油和彈簧力的 共同作用將把浮動塊體迅速的拉回到浮動 槽中。同樣, 當浮動塊體與兩個相鄰葉片旋 轉到定子小圓弧處,葉片間仍為高壓油, 浮 動塊體不能伸出,會順利的通過小圓弧處, 直到葉片轉到下一個吸油窗口處, 浮動塊體 開始了下一個工作過程。 在浮動塊體上升到 一定的高度會與浮動槽產(chǎn)生縫隙, 這樣一部 分的高壓油也可流進浮動槽內(nèi), 當泵轉到吸 油區(qū)內(nèi)時,這部分的高壓油流入吸油腔

8、, 從 而也能降低泵的排量。2.2理論流量和輸出功率方程建立浮動塊體上升過程中會在定子曲線內(nèi) 的有效變量空間內(nèi)占據(jù)一定的片間容積。 當 浮動塊體下降時, 會從上升過程中的最大高 度位置開始被壓回浮動槽, 同樣在排油過程 中占據(jù)同樣的片間容積來減少葉片間的有 效工作容積。因此, 浮動塊體上升和下降過 程中對減少葉片泵排量的影響是相同的。 在 只考慮浮動塊體與浮動槽泄漏量的理想情 況下,泵的平均理論流量公式222122111(2(cos88vcR R zq b R Rxb xb q n=(1 從浮動槽縫隙中所泄漏掉流量公式312(12cb h p pql =(2式中 x 浮動塊體的伸長量b 浮動塊

9、體寬度n 葉片泵的轉速z 葉片泵的葉片個數(shù)1 浮動塊體厚度2 葉片厚度 葉片傾角R 1 葉片泵定子短半徑R 2 葉片泵定子長半徑b 油 液 流 速 垂 直 方 向 上 的 縫 隙 寬 度 縫 隙 高 度hp1 縫 隙 高 壓 側 的 壓 力p 2 縫 隙 低 壓 側 的 壓 力l 縫 隙 長 度 油 液 的 動 力 粘 度葉 片 泵 輸 出 功 率 方 程 為vP q P=(3 3葉片泵輸出功率動態(tài)仿真基于以上泵的工作原理分析和輸出功 率方程建立, 參照參考文獻 6中的液壓助力 轉向系統(tǒng)數(shù)學模型和參數(shù)的選取,應用 Matlab 中 Simulink 軟件建立液壓助力轉向 系統(tǒng)仿真模型, 對雙作

10、用變量葉片泵作為系 統(tǒng)轉向泵的輸出功率動態(tài)特性進行計算機 仿真研究。3.1參數(shù)選取參照于大連液壓件廠生產(chǎn)的 VOP 型轉 向葉片泵的各項設計參數(shù), 設定雙作用變量 葉片泵的各項參數(shù)如下:(1轉速范圍為 轉速 5003200 r/min,工作壓力 6 MPa; (2 定子長半徑 22.6 mm, 短半徑 19.3 mm, 厚度 20 mm,轉子半徑 19.0 mm,葉片個數(shù) 10,葉片厚度 1.4 mm。(3浮動塊體整體 n高度設計約 4.76 mm,浮動塊體頂端是寬 5 mm ,高約 0.16 mm的圓弧,然后相連的是 寬 5 mm, 高 0.3 mm的矩形結構, 下面是寬 4 mm,高 1.

11、6 mm的矩形結構,下端相連寬 2 mm,高 1.4 mm的矩形結構,底端為寬 5 mm , 高度 1.3 mm矩形結構, 都呈中心對稱。 相應不同轉速范圍泵的理論流量方程為(1當轉速 5001200 r/min(浮動塊體上升高度不大于 0.3mm 時流量方程為 n 222122111( 2( cos 822v c R R z q b R R xb q n =(4(2當轉速 12002500 r/min范圍內(nèi) (浮 動塊體上升高度在 0.3mm, 1.9mm,流量 方程為n 22212211112( 2( cos 320.0332(0.03 v c R R z q b R R b x b =q

12、 n(5(3當轉速 25003200 r/min(浮動塊 體上升高度大于 1.9mm 時,流量方程為n 2221221111213( 2( cos 320.03320.1632(0.19 v c R R z q b R R b b x b q n=(6 3.2仿真結果和分析 轉速勻加速上升通常情況下, 傳統(tǒng)轉向油泵的流量隨發(fā) 動機轉速的提高而增大, 這樣在高轉速的情 況下,油泵的輸出流量比較大, 高于實際需 求的流量, 因而油泵的輸出功率也較大, 增 加了泵的功率損失。 在提高泵的轉速, 當給 方向盤施加一個力矩,使其產(chǎn)生 0.5 rad的 階躍轉角, 轉向系統(tǒng)中轉向泵的轉速上升斜 率為 15

13、的勻加速, 在 1 s內(nèi)轉速從 10 r/s上 升到 25 r/s,轉向泵系統(tǒng)實際輸出功率動態(tài) 響應曲線如圖 2所示。輸 出 功 率 /K W圖 2 轉速上升輸出功率仿真曲線 1/t s 由圖 2可認為:在 1 s內(nèi)轉速急劇上升,系統(tǒng)的響應速度較快,波動較小。 功率輸出變化平穩(wěn)且穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)。 由于變量機 構在大約 0.65 s的時候開始工作, 轉向泵轉 速變化導致供油量發(fā)生變化, 系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn) 定狀況,但是很快的系統(tǒng)重新趨于穩(wěn)定。在其它參數(shù)完全相同的條件下, 轉向系 統(tǒng)中轉向泵的轉速上升斜率為 30的勻加速 變化,在 1 s內(nèi)轉速從 20 r/s上升到 50 r/s, 轉向泵系統(tǒng)實際輸出

14、功率動態(tài)響應曲線如 圖 3所示。從仿真曲線的變化趨勢可以看出, 對于 同一種變化情況當轉速變化較為平穩(wěn)時, 系 統(tǒng)的變化趨勢越平穩(wěn),系統(tǒng)的超調(diào)量就越 小。 由圖 2和圖 3 對比可見, 輸出功率的峰 值及平穩(wěn)值均隨速度變化的增大而增大, 功 率的波動是由速度變化、 變量機構工作引起 的,這與系統(tǒng)的實際情況相符合。輸 出 功 率 /K W圖 3 轉速上升輸出功率仿真曲線 2/t s(2轉速變加速上升圖 4是在其他參數(shù)完全相同的情況下, 轉向系統(tǒng)中轉向泵的轉速上升斜率為 15的 變加速, 轉向泵轉速在 1 s內(nèi)上升, 在前 0.3 s 內(nèi)轉速保持在 10 r/s, 從 0.3 s至 1 s的范圍

15、內(nèi),轉向泵轉速從 10 r/s上升到 22 r/s進行仿真得到其動態(tài)響應曲線。圖 4 轉速上升輸出功率仿真曲線 3此種仿真條件下,在前 0.3 s速度保持 不變,隨后的 0.7 s速度上升變化。從仿真 曲線看出 , 在 0.3 s時系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)量, 這是 因為 0.3 s時設定速度開始上升變化,速度 有變化, 因此系統(tǒng)出現(xiàn)輕微波動。 在大約 0.9 s 時,轉向泵的速度達到使變量機構開始工 作的速度值,因此浮動塊開始上升, 泵的理 論流量再次發(fā)生變化, 引起系統(tǒng)的再次出現(xiàn) 不穩(wěn)定趨勢,并很快平穩(wěn)下來。 縱觀整個曲 線的變化趨勢,隨著轉速的不斷上升, 輸出 功率曲線的變化趨勢基本保持恒定, 略微

16、上 升。以上是通常汽車轉向幾種速度變化時 泵的功率輸出的情況, 從仿真的曲線結果來 看,曲線輸出較平穩(wěn),系統(tǒng)的超調(diào)量較小, 當速度發(fā)生變化或變量機構開始工作時, 系 統(tǒng)發(fā)生波動,但是很快的又能趨向平穩(wěn)狀 態(tài)。轉速上升后, 系統(tǒng)穩(wěn)定后輸出功率曲線 變化趨勢基本保持穩(wěn)定,并成略微上升趨 勢。理論上,在負載壓力不變的情況下,轉 向泵的輸出功率與泵的流量成正比, 也就是 在泵排量一定的情況下與轉速成正比, 轉速 越高輸出功率就越大。 雖然傳統(tǒng)轉向泵會加 有流量控制閥來控制泵在高轉速情況下的 最大輸出流量,即控制功率輸出, 但是這樣 會使泵在高轉速情況下大量的油液在泵內(nèi) 循環(huán), 將發(fā)動機提供的能量大部分

17、實現(xiàn)無用 功,加大了泵本身的功率消耗。 可以肯定泵 的轉速越高,油液在泵內(nèi)循環(huán)越多, 泵的功 率消耗就越大。 把大部分油液強制在泵內(nèi)循 環(huán),將其本身的機械能損耗掉,變成熱能,使轉向系統(tǒng)溫度升高很快, 這對汽車的行車 安去是無益處的。 在泵高轉速情況下通過浮 動塊的方式控制流量的辦法來降低泵無功 功率的消耗,減少寄生損失, 這對汽車轉向 泵的節(jié)能降耗提供了一種可行的解決方案。輸 出 功 率 /K W4. 結論本文介紹的葉片泵是一種基于全新變 量理論提出的速度補償雙作用葉片泵, 屬于 在動力運輸領域中用于汽車轉向助力等工 況下而發(fā)明的一種新型葉片泵。與此同時, 作者建立簡化后的液壓助力轉向系統(tǒng)的仿

18、 真模型, 并用仿真工具 Simulink 分析系統(tǒng)在 發(fā)動機轉速變化情況下轉向泵的輸出功率 的動態(tài)特性, 仿真結果證明它不僅繼承了傳 統(tǒng)雙作用葉片泵的優(yōu)點, 還能有效的解決傳 統(tǒng)轉向泵無功功率消耗過大、 油泵輸出的油 液大部分經(jīng)過流量控制閥所造成很大的寄 生損失的問題。 這種新一代汽車轉向助力泵 的提出, 面對如此龐大的中國汽車市場,不 僅有科學意義, 更有市場價值。由于降低了 轉向泵占整車的能耗, 減少了汽車的廢氣排 放和燃油消耗, 對環(huán)境保護的影響也是深刻 的。 綜上所述,雙作用變量葉片泵是一種結 構新穎實用的用于汽車轉向工況的助力泵, 是有進一步改進和研究的理論意義和價值 的,有一定的

19、應用前景。/t s 參考文獻:1 季學武 , 陳奎元 . 動力轉向系統(tǒng)的發(fā)展與節(jié)能 J.世界汽車 , 1999,(10:7-102 孫玉清 . 速度、壓力補償平衡式葉片泵 p.中國 .專利號 :02203765.9,2003.1.83 Yuji Koazki,Goro Hirose,Shozo Sekiya. ElectricPower Steering Motion and ControlJ.Dynamic Design Lab,2001(114 薛曉虎 . 液壓系統(tǒng)縫隙內(nèi)流體泄漏特性的分析J.機械工程學報 ,2004,40(6:75-805 Eiichi Kojima. Developme

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