（动力机械及工程专业论文）摆线转子泵设计平台的建立与数值模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 摆线转子泵是发动机润滑系统中的关键部件，为发动机的正常工作提供了保 障，同时，发动机的性能和使用寿命也与摆线转子泵的性能有密切联系。目前我 国使用的车用发动机摆线转子泵大部分由国外提供，摆线转子泵行业缺乏自主设 计能力，发达国家的零部件制造技术比国内先进，这对国内一些技术落后的零部 件制造企业构成严重威胁。采用计算流体动力学( c v d ) 进行仿真分析来代替样机测 试，降低了开发成本，同时也缩短了开发周期。 本文借助独立的开发软件v b 进行编程，建立了摆线转子泵设计平台，将常规 经验设计与c a e 技术相结合，实现摆线转子泵设计自动化。通过输入摆线转子泵 的一些基本参数，如转子的转速、齿数、摆线转子泵的额定流量和容积效率等， 可以快速得到相对可行的摆线转子泵优化设计方案，利用三维建模软件p r 0 e 建立 了内外转子、泵体和泵盖的参数化模型，并运用计算流体力学软件s c 瓜仃a 对该 摆线转子泵在不同转速和不同泵油压力工况下进行了数值模拟。通过数值模拟得 到了摆线转子泵内部大量的流场信息，包括各区域的速度矢量云图、压力分布云 图等，发现了泵体和泵盖内部存在明显的涡流、回流等二次流动现象，同时基于 动网格技术对摆线转子泵内部流场进行瞬态数值模拟，表明泵体和泵盖内部设计 凸舌可以减小摆线转子泵内部的压力波动，使泵内负压减小，防止产生气蚀。 通过多种工况下的数值模拟讨论摆线转子泵内部卸压阀开启的时刻，流量、 容积效率分别与转速、泵油压力之间的关系，将数值模拟得到的性能特性曲线与 试验特性曲线进行比较，发现数值模拟结果与试验结果吻合，从而验证该方法对 摆线转子泵整机流场仿真的正确性。 关键词：摆线转子泵，计算流体动力学，数值模拟，设计平台 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec y c l o i dr o t o rp u m pi sa ni m p o r t a n tp a r to fe n g i n el u b r i c a t i o ns y s t e m ，a n di t p r o v i d e ss e c u r i t yf o rt h en o r m a lw o r k a tt h es a m et i m e ，t h ep e r f o r m a n c e a n dt h el i f eo f t h ee n g i n ei sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ec y c l o i dr o t o rp u m p n l cc y c l o i d r o t o rp u m po ft h ev e h i c l ee n g i n eu s e di no u rc o u n t r yi sm o s t l yp r o v i d e db yf o r e i g n c o u n t r i e s ，a n dt h ec y c l o i dr o t o rp u m pi n d u s t r yl a c ko fi n d e p e n d e n td e s i g na b i l i t y m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yf o rt h ep a r t si nt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e si s a d v a n c e dt h a n d o m e s t i c ，w h i c h c a nl e a dt os e r i o u st h r e a tt os o m el a g g a r dt e c h n i c a l p a r t s m a n u f a c t u r i n gc o m p a n yo fd o m e s t i c u s i n gc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s i m u l a t i o na n a l y s i si n s t e a do f p r o t o t y p i n gt e s t ，t h ec o s ta n d t h ep e r i o do fd e v e l o p m e n t h a sb e e nr e d u c e d i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g n - p l a t f o r mo ft h ec y c l o i dr o t o rp u m pi se s t a b l i s h e db yu s i n g o ft h ei n d e p e n d e n tp r o c e d u r ed e v e l o p m e n ts o f t w a r ev bf o rp r o g r a m m i n g g e n e r a l e x p e r i e n c ed e s i g ni sc o m b i n e dw i t hc a et e c h n o l o g y , t h e r e f o r er e a l i z et h ed e s i g no f t h e c y c l o i dr o t o rp u m pa u t o m a t i o n t h r o u g hi n p u t t i n gs o m eb a s i cp a r a m e t e r so f t h ec y c l o i d r o t o rp u m p ，s u c ha st h er o t o rs p e e d ，t h en u m b e ro ft e e t h ，t h er a t e df l o wa n dt h ev o l u m e e f f i c i e n c yo ft h ec y c l o i dr o t o rp u m pa n ds oo n ，c a nq u i c k l yg e tr e l a t i v e l yf e a s i b l e o p t i m i z i n gd e s i g ns c h e m eo ft h ec y c l o i dr o t o rp u m p t h ep a r a m e t r i cm o d e l o fi n t e r n a l a n de x t e r n a lr o t o r , t h ep u m pb o d ya n dt h ep u m pc o v e ri se s t a b l i s h e db yu s i n gt h e t h r e e - d i m e n s i o n a ls o f t w a r ep r o ea n dt h ec y c l o i dr o t o rp u m pw o r k i n gc o n d i t i o ni n d i f f e r e n ts p e e da n dd i f f e r e n tf u e ld e l i v e r yp r e s s u r ei sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e db yu s i n g t h e c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r es c t e t r a t h r o u g ht h e r e s u l t so ft h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，al o to fi n t e r n a lf l o wf i e l di n f o r m a t i o no ft h ec y c l o i dr o t o rp u m p i s d i s c o v e r e d ，i n c l u d i n gr e g i o n a ld i a g r a mo fd i s t r i b u t i o n o fp r e s s u r ea n dv e l o c i t y v e c t o r ，a n ds o m eo b v i o u ss e c o n d a r yf l o wp h e n o m e n o ni sf o u n di nt h ep u m pb o d ya n d t h ep u m pc o v e r , s u c ha s e d d yc u r r e n t ，b a c k f l o w a t t h es a m et i m e ，b a s e do n m o v i n g - g r i dt e c h n o l o g yf o ri n t e m a lf l o wf i e l dt r a n s i e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e c y c l o i dr o t o rp u m p ，i ti ss h o w e dt h a tt h ec o n v e xt o n g u ei nt h ep u m pb o d ya n dt h ep u m p c o v e rc a i lr e d u c et h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o na n dt h en e g a t i v ep r e s s u r eo ft h ec y c l o i dr o t o r p u m p ，a n dp r e v e n tp r o d u c i n gc a v i t a t i o n s b ys u m m a r i z i n gt h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm a n yc o n d i t i o n s ，t h eo p e n m 摆线转子泵设计平台的建立与数值模拟 t i m eo ft h ep r e s s u r er e l i e fv a l v ei nt h ec y c l o i dr o t o rp u m pi sd i s c u s s e d ，a n dt h ef l o wr a t e a n dv o l u m ee f f i c i e n c ya r ec o m p a r e dw i t hs p e e da n df u e ld e l i v e r yp r e s s u r e t h er e s u l to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti sc o n s i s t e n tb yc o m p a r i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n p e r f o r m a n c ec u r v e sw i t he x p e r i m e n tp e r f o r m a n c ec u r v e s ，a n dv a l i d a t et h a t t h ef l o w f i e l ds i m u l a t i o no ft h ec y c l o i dr o t o rp u m pi sr i g h t k e yw o r d s ：o i lp u m p ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， d e s i g n p l a t f o r m i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 摆线转子机油泵是在车用发动机中运用极其广泛的重要装置，具有结构简单、 体积小、自吸性能好、使用可靠、制造维修方便、价格便宜等特性，但同时机油 泵也存在一些不足，如困油现象比较严重、流量和压力脉动较大、泄漏大、噪声 高及易产生“气穴等缺点，这些特性和缺点都直接影响着机油泵的质量。机油 泵是发动机润滑系统中的关键部件，为发动机的正常工作提供了保障，发动机的 性能和使用寿命也与机油泵的性能有密切联系。目前，我国汽车工业正以空前的 规模高速发展，我国使用的机油泵大部分由国外提供，机油泵行业缺乏自主设计 能力，通过本课题的研究，将常规经验设计与c a e 技术相结合，实现摆线转子泵 设计自动化。 1 2 课题的背景与意义 1 2 1 齿轮泵的分类 ( 1 ) 齿轮泵按齿轮的啮合形式可以分为外啮合式齿轮泵和内啮合式齿轮泵。 外啮合齿轮泵结构简单、制造维护方便、价格低、自吸能力强，由于齿轮承受不 平衡的径向液压力，因此轴承磨损严重，油液泄漏量大。内啮合齿轮泵结构紧凑、 噪声低、自吸性能好、流量脉动小，由于齿轮同向旋转，齿面相对滑动速度小、 磨损轻微、使用寿命长、流量脉动比外啮合齿轮泵小。内啮合齿轮泵允许使用的 转速较高，可以获得较高的容积效率【1 1 。 ( 2 ) 齿轮泵按齿形曲线分为渐开线齿形、圆弧形齿形和摆线形齿形。外啮合 齿轮泵的齿形曲线一般为渐开线齿形，内啮合齿轮泵的齿形曲线为渐开线齿形、 圆弧齿形或摆线齿形。外啮合渐开线齿形结构简单、工艺性较好，内啮合齿轮泵 相对外啮合齿轮泵噪声低，内啮合摆线齿形工艺要求高、成本也较高1 2 i 。 ( 3 ) 齿轮泵按工作压力分为低压齿轮泵( 工作压力为2 5 m p a 以下) 、中高 压齿轮泵( 3 2 作压力为1 6 2 0 m p a ) 和高压齿轮泵( 3 2 作压力已达3 2 m p a ) 3 1 。 摆线转子泵设计平台的建立与数值模拟 1 2 2 齿轮泵的研究现状 齿轮泵在发动机中运用广泛，国内外学者有关齿轮泵的研究主要集中在以下 几个方面： ( 1 ) 齿轮参数的设计 在进行齿轮泵齿轮的设计时，应考虑以下要求：在满足机油泵泵油排量的要 求下，尺寸应尽可能小，以得到较小的机油泵外型；尽可能减少流量脉动和降低 噪声；要尽量减少油液泄漏及摩擦损失以提高泵油效率。齿轮参数的设计决定了 齿轮泵的啮合特性和流量特性，通过优化设计方法可以得到满足设计要求的齿轮 泵齿轮参数m 。 ( 2 ) 困油现象及卸荷措施 困油现象对齿轮泵正常运作会产生很大的危害，这类问题一般出现在渐开线 齿轮泵上【q 。由于困油现象的出现，会造成齿轮泵噪声大、齿轮泵传动不均衡等问 题，困油冲击与齿轮啮合重叠系数的大小和卸荷是否完全等有很大关系，包括卸 荷槽的位置、形状及容积等1 7 - g l 。 ( 3 ) 噪声的产生及控制 齿轮泵噪声大小的影响因素较多，包括困油现象、“气穴现象、流量和压 力脉动等【9 】。齿轮泵的噪声主要是由流量脉动和啮合冲击引起的【l o l ，控制噪声要从 降低流量脉动和啮合齿廓间的相对滑动速度入手。 ( 4 ) 流量品质的研究 外啮合齿轮泵流量脉动较大，不仅会使机械运动的平稳性、均匀性变差，而 且还会引起液压冲击，产生振动和噪声，因此，通过分析油泵的流量品质找出导 致流量脉动产生的因素，并依此选取和修正设计参数。张怀洲分析了瞬时流量的 关键因素，利用流量不均匀系数和流量脉动率两个指标来评价流量品质，提出了 改善流量特性的意见【1 1 1 。 ( 5 ) 高压化的途径 齿轮泵一个重要的发展方向是提高工作压力，而提高工作压力会使轴承寿命 缩短，降低泵的寿命，同时会导致油液泄漏加剧，容积效率下降。产生以上问题 的原因是不平衡的径向液压力作用在齿轮上，工作压力越高，径向液压力就越大。 目前对以上问题所进行的研究是补偿齿轮泵的径向间隙，减小齿轮泵的径向液压 2 江苏大学硕士学位论文 力，或提高轴承承载能力。 1 2 3 齿轮泵的发展趋势 液压传动系统的发展方向是响应快、噪声低、体积小，为了适应这种要求， 齿轮泵需要向以下几个方向发展1 1 2 - 1 6 1 。 ( 1 ) 高压化 液压系统要求高压化，齿轮泵在高压化工作方面已经取得较大进展，但因受 齿轮泵本身结构的限制，要想迸一步提高工作压力较难，必须研制出新结构的齿 轮泵。 ( 2 ) 低流量脉动 齿轮泵内部的流量脉动将引起压力脉动，使齿轮泵产生振动和噪声，因此要 向低流量脉动的方向发展。 ( 3 ) 低噪声 彭浏新分析了齿轮泵高噪声产生的原因，通过改进卸荷槽形状，增大流通面 积，降低了液压冲击，从而降低了齿轮泵噪声。内啮合齿轮泵运转平稳、无困油 现象、噪声较低，因此今后将有较大发展。 ( 4 ) 大排量 对于一些要求快速运动的系统来说，大排量是必需的，但普通齿轮泵排量的 提高受很多因素限制，这方面平衡式复合齿轮泵具有显著优势，如1 台三惰轮复合 齿轮泵的排量相当于6 台单泵的排量。 ( 5 ) 变排量 齿轮泵的排量不可调节，限制了齿轮泵的使用范围。国内外学者在齿轮泵变 排量方面进行了大量的研究，取得了很多研究成果，有关变排量方面的专利已有 很多，但真正能转化为产品的较少。 1 2 4 摆线转子泵的研究现状 目前机油泵中常用的是内啮合齿轮泵和外啮合齿轮泵，外啮合齿轮泵应用较 广，制造工艺比内啮合齿轮泵简单。内啮合齿轮泵的制造虽然比外啮合齿轮泵复 杂，但在相同的外廓尺寸下排油量大，因此具有体积小、排量大、结构紧凑等优 点，而且可以采用较大面积的吸油窗口，因而吸入性能好，允许高转速、高压力， 3 摆线转子泵设计平台的建立与数值模拟 另一重要因素是流量脉动小，因而一般内啮合齿轮泵的噪声比外啮合齿轮泵低。 正因内啮合齿轮泵有如此多的优点，因此在发动机中运用比较广泛。 摆线转子泵是采用短幅外摆线的内等距线与圆弧配合的，不会产生困油现象， 性能比渐开线式的好，减小了流量脉动，降低了噪声，功率损耗b 1 7 1 8 】。随着转 子加工技术的提高，转子的加工成本也不断下降，因此选用摆线转子泵作为车用 发动机润滑系统中的部件。 通过查阅相关文献【1 9 倒可以知道国外对摆线转子泵的研发、制造技术已经相 当成熟，在设计方面随着计算机技术的进步，可以根据设计参数快速建立起摆线 转子泵的模型，并通过专门的数值模拟软件进行系统的模拟，并对各参数进行优 化，减少了实验环节的工作量，而且可以根据需要在模型上对几何参数、角速度 和流体特性等进行任意改变，利用软件进行模拟，加快了摆线转子泵的设计进程。 国外有不少公司在中小功率柴油机上采用摆线转子泵，例如英国的泼金斯，美国 的福特公司等。另外用于汽车的新型机油泵也不断被设计出来，但由于燃油的润 滑性能差，泵的磨损比较严重，国外对机油泵的磨损做了大量的试验，力求找到 比较好的机油泵润滑性能模拟评价方法【2 1 - 2 2 。 我国从2 0 世纪5 0 年代初开始设计摆线转子泵，以前我国生产的摆线转子泵由 于工艺水平的限制，生产出来的转子齿形精度不高，影响了转子的使用寿命，而 且油液泄漏量大，容积效率低吲。我国从1 9 6 0 年开始在农用柴油机上使用摆线转 子泵，1 9 6 6 年到1 9 7 7 年进行了摆线转子泵转子的系列产品的制造和试验，在9 0 年 代初期，洛阳拖拉机研究所等单位在收集分析和参考国外样品的基础上，设计研 制了3 种齿数比( 4 ：5 ，5 ：6 ，6 ：7 ) 6 种规格的转子，初步形成了具有多种齿数 比的一个新的系列型谱。研制的机油泵系列产品在工艺、材质和制造精度上都有 很大提高，使用寿命达6 0 0 0 + 时以上。 在我国车用发动机行业中所用的摆线转子泵大都仍然由国外进口，如果全靠 进口，价格相当昂贵，少量企业和部门使用现有的低性能、低寿命泵，存在故障 多、调换频繁等问题，影响生产和产品质量。此外，摆线转子泵的理论分析在国 际上未见有关理论报道，制造技术对外保密，我国设备引进过程中，国外有关企 业对我方人员均以企业机密为由而加以保密谢绝参观。 国内对摆线转子泵的研究并未深入，制造正处于仿造的初级阶段，国产摆线 4 江苏大学硕士学位论丈 转子泵的噪声比同类国外产品大，产量小，产品质量低，品种少，承载能力低于 国外同一机型，且寿命和性能不能达到国外同类产品的水平，常常会发生油液的 泄漏，降低了泵的总效率。 1 2 5 课题的意义 目前，我国机油泵行业受到的最大威胁是缺乏自主设计能力，发达国家的零 部件制造技术比国内先进，这对国内一些技术落后的零部件制造企业构成严重威 胁，如果不从技术上加大投入力度，提高产品质量，缩短研发周期，压缩成本， 改善服务质量，就很难在激烈的竞争中生存和发展下去。 随着一些应用软件的成熟，国外已经对泵类机械的湍流流动数值模拟做了大 量研究，我国泵类机械的设计还基本停留在半理论、半经验和试验验证的基础上， 即“设计试制试验改进”的过程，样机试制和测试要经过多次，整个设计也要 反复修改多次，因此从设计到投产需要很长时间，导致产品开发和设计需要很大 的成本。随着计算流体动力学( c f d ) 的出现并在很多行业中得到成功运用，成 为解决这一问题的理想手段。采用计算流体动力学( c f d ) 进行仿真分析来代替 样机测试，降低了开发成本，同时也缩短了开发周期刚。据资料显示，国内的机 油泵设计很少应用先进的c f d 技术，多数企业是依靠引进国外成熟产品来弥补自 身开发能力的不足，同样，c a e 技术在发达国家已经达到了实用化阶段，在许多 行业中，计算机辅助分析已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性 的工艺规范加以实旌。通过将计算机模拟计算结果与试验进行对比，计算精度已 经得到认可，而且使用软件进行优化设计，方便快捷，缩短设计周期，节约产品 反复试验的经费，未来必将为企业带来巨大的经济效益。 1 3 课题研究的主要内容以及技术路线 1 3 1 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 摆线转子泵设计平台的建立 分析摆线转子泵的工作原理和转子参数之间的关系，提出短幅外摆线的最小 曲率半径，避免了实际齿廓出现尖点或产生根切。使用v b 编程对摆线转子泵的参 数进行优化设计，确定目标函数、约束条件与设计变量，并采用v b 软件所提供的 5 摆线转子泵设计平台的建立与数值模拟 标准优化程序进行求解，提出相对可行的设计方案，建立摆线转子泵的设计平台。 ( 2 ) 摆线转子泵内部流场的数值模拟 对摆线转子泵进行三维实体建模，网格划分，模拟计算出各转速和泵油压力 工况下的流量，与厂方提供的实验数据进行对比研究，确定较为准确的边界条件， 分析摆线转子泵内部压力分布、流场分布等情况，验证数值模拟方法对摆线转子 泵内部流场模拟的可靠性，同时探索泵体和泵盖内部凸舌对摆线转子泵性能的影 响。 1 3 2 本课题研究的技术路线 ( 1 ) 用v b 软件对摆线转子泵的参数进行优化求解。 ( 2 ) 用三维造型软件p r 0 e 对摆线转子泵进行精确建模，考虑到网格划分的 需要，忽略一些不必要的特征，如不重要的圆角、倒角、孔等。 ( 3 ) 用h y p e r m e s h 软件对摆线转子泵划分面网格，将面网格导出成1 l a s 格式。 ( 4 ) 利用流体分析软件s c t e t r a 对摆线转子泵的面网格进行检测，并对摆线 转子泵自动识别划分为固体区域和流体区域。 ( 5 ) 利用流体分析软件s c 瓜t r a 对模型进行模拟计算，得到摆线转子泵各转 速和泵油压力工况下的流量、压力分布和流场速度矢量图等。 ( 6 ) 对摆线转子泵进行后处理，讨论计算结果。 1 4 本章小结 本章介绍了齿轮泵的分类、研究现状、发展趋势及内啮合摆线转子泵的研究 现状，阐明了课题的意义，确定了本文的主要研究内容和技术路线。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章摆线转子泵设计平台的开发 2 1 摆线转子泵概述 2 1 1 摆线转子泵的工作原理 摆线转子泵主要由内外转子、泵体及泵盖等零件组成，是通过偏心配置的内 外转子齿间形成的密封空间容积的不断改变，来完成吸油和排油的，工作原理如 图2 1 所示。当摆线转子泵工作时，主动轴带动内转子旋转，内转子则带动外转子 朝同一方向转动。内外转子在同向旋转过程中，右侧任意两齿间的密封空间容积 越来越大，产生真空，油液经迸油口被吸入工作腔内，油液不断进入，到达底部 中线位置后密封空间容积最大；在转到左侧后，两齿间的密封空间容积又越来越 小，油压升高，油液经出油口被压出，直到转到顶部中线位置时，密封空间容积 最小，油液全部排出幽。 逐渐减小 逐渐增大 ( a ) ( c )( d ) 图2 1 摆线转予泵工作原理图 f i g 2 1w o r k i n gs c h e m a t i co ft h ec y c l o i dr o t o rp u m p 由图2 1 可知，内啮合摆线转子泵在工作过程中，内转子的一个齿每转过一周 时，出现一个工作循环，完成吸油排油各一次，这样，摆线转子泵便达到了连续 7 摆线转子泵设计平台的建立与数值模拟 输油的作用。 内转子齿廓外形为摆线，外转子的齿形曲线为圆弧，在旋转时内外转子之间 就是一段无间隙啮合的共轭曲线嗍，可以使两个转子相互啮合时既不干涉也不脱 离，保证了良好的密封性。由于内外转子同向转动，传动比为内外转子的齿数比， 而摆线转子泵的内外转子相差一个齿，所以尽管转速很高，但内外转子之间的相 对速度却很低，因此理论上磨损也较小。采用摆线式的内转子齿廓外形可以很好 地解决两齿之间的密封问题，同时也可以解决两齿之间的磨损问题，这样摆线转 子泵内外转子之间的啮合性好，容积效率高，同时内外转子之间相对运动轨迹合 理，耐磨损。 2 1 2 摆线转子泵的主要参数 ( 1 ) 压力 转子泵的压力参数主要是工作压力和额定压力。转子泵的工作压力是指在实 际工作时输出油液的压力值，即泵出口处的油液为了克服阻力所必需建立的压力， 压力值随阻力的增大而升高，随阻力的减小而降低。因此转子泵的工作压力取决 于外负载的大小。 转子泵的额定压力是指在保证泵的容积效率、额定转速和使用寿命的前提下， 泵连续运转时允许使用的压力限定值，当泵的工作压力超过此值时，泵就会过载。 ( 2 ) 排量和流量 由转子泵的密封容腔几何尺寸变化计算而得到的泵每转排出液体的体积，称 为泵的排量y ，由泵的密封容腔几何尺寸变化而得到的泵在单位时问内排出的液 体的体积，称为泵的理论流量绣，其数值等于排量y 和转速刀的乘积，即 纽= n v ( 2 1 ) 泵在工作时输出的流量称为泵的实际流量g ，实际流量考虑了泵的泄漏。泵在 额定转速和额定压力下输出的流量称为泵的额定流量吼。由于泵在工作时存在泄 漏，因此实际流量和额定流量都小于理论流量。 流量和压力是油泵的重要参数，由图2 2 可见【2 刀，在相同转速下，当油泵出口 压力为0 时，油泵流量最大，随着出口压力的上升，油泵流量逐渐下降，当油泵流 量为0 时，机油压力达到最大，此时油泵停止供油，因此设计油泵时应对压力和流 8 江苏大学硕士学位论文 量综合考虑。其临界状态是：达到要求压力时，油泵流量等于用油流量，而溢流 阀回油量为0 ，此时压力和流量都是不稳定的。如果设计的油泵流量小于此值，便 达不到所要求的实际需油量和供油压力，因此根据压力要求的高低，考虑到泄漏、 使用过程中不断的磨损及油压和供油流量的稳定性，其设计流量( 额定流量) 应 是实际用油量的3 5 倍以上，而几何流量还应数倍于额定流量，其压力越高，倍数 越大圜。 r 区 蠹 蔫 图2 2 油液流量与压力油路阻力关系 f i g 2 2r e l a t i o n s h i po fo 丑f l o wa n dp r e s s u r eo i lr e s i s t a n c e ( 3 ) 内转子转速，l i 摆线转子泵的内转子通常是主动齿轮，外转子与内转子同向旋转，由式( 2 1 ) 可知，流量g 与内转子的转速玛成正比，在同样的g 值下，通过提高飞可以减小转 子的几何尺寸，使转子泵的体积缩小，另外，在内外转子配合间隙相同的情况下， 随着强的升高，会因节流作用的加强而使泵内油液泄漏减弱，有利于提高摆线转 子泵的容积效率，且泵内机油压力和流量的波动也会下降，因此，在条件允许的 情况下，n t 高一些为好，但也要根据摆线转子泵的用途及所配设备一起考虑，如 现有的动力源转速及所配设备变速转换的方便情况等。高速泵要保证足够的进油 流通截面，否则会因充油时间太短油液来不及充满齿间而使容积效率下降，由此 还会导致“气穴 现象的产生。 ( 4 ) 内转子齿数m 摆线转子泵的内外转子相差一个齿，为了减小泵的体积，内转子的齿数不宜 9 摆线转子泵设计平台的建立与数值模拟 过多，1 减少时，单位体积的排量较大，流量脉动同时增大，引起较大的压力脉 动，增大齿数可减小泵的压力脉动和流量脉动，但这样会使整个泵的外形尺寸增 大，通常取1 = 3 - - 8 ，外转子的齿数2 为 2 = l + 1 ( 2 2 ) ( 5 ) 中心距e 中心距是指相啮合的两转子的回转中心之间的距离，当两转子齿数确定后， 中心距的大小决定了转子节圆半径的大小，也决定了泵的排量和外形尺寸的大小， 通常取e = 1 1 2 5 ，1 5 ，2 。 ( 6 ) 转子宽度b 在转子设计过程中，还应考虑在满足流量和强度要求的前提下，内外转子的 径向几何尺寸要尽可能小，以减小摆线转子泵的体积。转子宽度b 小一些的转子 自位能力强，但过小会增大泄漏，转子还易发生变形，且受力不好，一般不宜小 于1 5 m m 。增大艿对减少泄漏、提高容积效率有利，但口过大对加工精度要求高， 且使非两点支承的悬臂泵轴弯曲负荷加大，还会因油腔过深油液来不及充满，使 容积效率降低。为便于选择，引入了内转子宽径比h 的概念，定义为j l 。去，r 为内转子内切圆半径。根据统计， = 0 1 2 1 5 2 ，比较集中的范围是 = o 2 0 , - , 0 8 0 ， 小值适合高速泵。 ( 7 ) 创成系数k 在摆线转子传动中，常用短幅系数k 作为基本参数，短幅系数为中心距与形 成短幅外摆线的滚圆半径的比值。在摆线转子泵中，即为外转子节圆半径与外转 子回转中心至其齿廓圆弧中心之间距离的比值，即 k 2 詈= 壹= 譬唰民 眨3 ， 2 式中：，： 一外转子的节圆半径( m n l ) ； 名一短幅外摆线的滚圆半径( m m ) ； r 一外转子中心至其齿廓圆弧中心的距离，也称为创成圆半径( 咖) 。 实践和理论分析证明，当k = 0 5 0 - 0 7 5 时，摆线齿廓的承载能力最高，磨损 1 0 江苏大学硕士学位论文 最小例。在上述范围内( 同样齿数时) 足值增大，齿形变瘦，油泵的平均排量增大， 但齿的弯曲强度下降；若k 值减小( 即r ，e 增大) ，则齿形变宽，平均泵油量减小， 但齿的弯曲强度增大，所以从受力角度考虑，压力较低时k 取大值，压力较高时x 取小值。 为了计算方便，取k = 1 k ，称为创成系数，则创成圆半径为 p , o = 饥 ( 2 4 ) 创成系数k 的取值一般为1 1 1 7 ，齿数多时k 取小值，齿数少时k 取大值，其 值可通过优化设计方法求得。 ( 8 ) 功率和效率 转子泵是由电机或其他原动机带动旋转的，输入量是转矩和转速，输出量是 油液的流量和压力，如果在能量转换过程中忽略能量损失，则理论功率为泵的理 论流量与输出压力的乘积。 转子泵在能量转换过程中实际上存在损失，主要有容积损失和机械损失。容 积损失是指泵流量的损失，主要原因是：泵在吸油过程中，吸油阻力大、油液粘 或泵的转速高等原因，油液来不及充满全部密封容腔；泵内压力高的部分总有少 量油液通过间隙泄漏到压力低的部分去，油液的粘度越低，压力越高，泄漏就越 大。机械损失是指转予泵在转矩上的损失，主要原因是：油液在泵内流动时液体 的粘性引起摩擦转矩损失，油液粘度越大，泵轴转速越快，机械损失越大；泵内 零件相对运动时由于机械摩擦而引起摩擦转矩损失，泵的输出压力越高，机械损 失越大。 转子泵的总效率是容积效率与机械效率的乘积。 2 1 3 摆线转子泵的几何尺寸 ( 1 ) 传动比 由传动比的定义，摆线转子的传动比为 玛：堕：旦：垒：磐 ( 2 5 ) “他m 式中：m 、w e 一内、外转子的转动角速度( r a d s ) ； 啊、n 2 一内、外转子的转速( r m i n ) 。 1 1 摆线转子泵设计平台的建立与数值模拟 ( 2 ) 节圆半径 等传动比传动的摆线转子间的传动相当于两节圆在作纯滚动，两节圆半径、 ，2 与基本参数间的关系为 2 1 e k 二u 、 气k = n 2 e 、 ( 3 ) 齿根圆及齿顶圆半径 摆线转子泵自身具有密封性，内转子的齿顶与外转子的齿根之间在理论上是 没有齿顶间隙的。由图2 3 和图2 4 ( 外转子齿数= 5 时) 可得内、外转子的齿顶 圆和齿根圆半径为 r o l = r o - a a - e = ( k - 批- e a a h ) n 2 e + e ：r l + 勉 ( 2 7 ) = r l + 勉 = 如+ e - - ( k s h ) 即+ 知 ( 2 8 ) 【r r = r a a 气k 一h ) n 2 e 式中：一内转子内切圆半径，即内转子齿根圆半径( 衄) 。 一内转子外切圆半径，即内转子齿顶圆半径( i 姗) ； ，一外转子限制圆半径，即外转子齿根圆半径( 1 1 1 1 1 1 ) 。 一外转子内切圆半径，即外转子齿顶圆半径( 咖) ； a a 一外转子齿形圆半径( m m ) 。 图2 3 内转子的几何尺寸 f 适2 3t h eg e o m e t r yo f t h ei n n e rr o t o r ， a l z 二二 入 傣 帮、 烈1 、i 惑多荡j 图2 4 外转子的几何尺寸 f i g 2 4t h eg e o m e t r yo ft h eo u t e rr o t o r 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 齿全高死 齿全高是齿从齿根至齿顶问的径向高度，如果不考虑内转子齿顶与外转子齿 根间的间隙，则由图2 3 和图2 4 中的几何关系可得 吃= 如一民l = f 一玎= 2 a ( 2 9 ) 2 2 摆线转子泵内外转子的设计 2 2 1 内转子的设计 ( 1 ) 内转子摆线齿廓的形成 内转子的齿廓形线是由短幅外摆线( p o 。 e e v 霞 蟪l * 婚 童 内转子转角( ) 图2 6 短幅外摆线曲率半径变化曲线 f i g 2 6t h e c u r v e0 ft i l es h o r te p i c y c l o i dc u r v a t u r er a d i u s 2 2 2 外转子的设计 外转子齿廓的形成比较简单，各段曲线均为圆弧，如图2 7 所示( 外转子齿数 2 = 5 时) ，先以r 为半径画出创成圆，将创成圆以2 均分，再以均分点为圆心， a a 为半径向外转子中心d 2 方向画出2 个齿形半圆，然后以外转子齿根圆半径f 作 圆弧与各齿形半圆相交便产生外转子齿廓，t 如+ e ，为内转子齿顶圆半径。 ： 1 6 衾 孤钐j 蝌到。 图2 7 外转子曲线图 f i g 2 7c u r v 馅o f t h ee x t e m a lr o t o r 江苏大学硕士学位论文 2 3 优化设计概述及数学模型 优化设计是指将设计问题经过数学抽象构造，得到优化的数学模型，然后按 照数学规划的理论和方法，充分使用计算机进行详尽的分析和搜索，在满足各种 限制约束条件下得到较优的或最优的设计方案。 构建优化设计数学模型通常包含确定设计变量、目标函数和约束条件三个基 本要素。 ( 1 ) 设计变量 设计方案最后大多可以由一组参数表示，在这些参数中，一些事先已给定， 在优化过程中应作固定常量处理，还有些参数对所选择的目标函数没有影响，在 优化设计过程中可以不考虑，其他对目标函数有影响的参数就是设计变量，需要 在优化过程中优先选择。 ( 2 ) 目标函数 设计方案优劣的评价可以归结为对某些质量或经济性指标的比较，这些用来 衡量设计优劣的指标是设计对象参数的函数，因此被称为目标函数。优化设计的 目标就是使优化设计目标函数达到最优值( 一般为最大或最小值) 。优化设计要把 设计变量与某种衡量标准的关系用函数来表达，追求该函数数值最小( 或最大) 以求得一组设计变量值，从而获得一个最优的设计方案。目标函数是以设计变量 为白变量，以所要求的目标为因变量，按一定关系建立的用来评价设计方案优劣 的数学表达式。 ( 3 ) 约束条件 根据设计要求，对摆线转子参数的选择要定出一些必须满足的要求和限制， 即约束条件。约束条件一般为一些不等式和等式，常见的有：满足摆线转子泵排 量条件；满足短幅系数要求；满足内转子宽径比要求；满足不发生尖角和根切的 最大创成圆半径要求。此外，在具体设计中还会有其他具体特殊要求和限制。 工程优化设计的数学模型是优化设计问题的数学表达式，反映了优化设计问 题中各因素间的内在联系。因此，这一内在联系的正确反映，即从工程实际问题 中抽象出正确的数学模型，是工程优化设计成败的关键，也是工程设计过程中进 行优化设计时所要完成的主要任务。优化设计的数学模型表达的意思是：在满足 一定的约束条件下，寻求一组设计变量值，使目标函数达到最大值( 或最小值) 。 1 7 摆线转子泵设计平台的建立与数值模拟 设工程优化设计问题为行维优化设计问题，即 五 恐 ： 毛 ： 吒 = 【五，吃，五，矗】r ( 2 1 9 ) 并含有m 个不等式约束，p 刀个等式约束，则可将目标函数最小化的优化问 题写成以下形式 l r a i n 厂( 功石只“ s j g 。( 力o ( = 1 2 ，m ) ( 2 2 0 ) i h r x ) = o ( v = 1 ，2 ，p 刀) 式( 2 2 0 ) 中m i n f ( 砷表示目标函数，的最小化；x r “表示设计变量x 属 于疗维实欧式空间彤，即设计空间；鼠0 = 1 2 ，m ) 表示有m 个不等式约 束方程；玩= op = 1 ，2 ，p n ) 表示有p 个等式约束方程，且等式约束方程数p 小于设计变量门。 2 4 优化程序设计语言v i s u a lb a s i c 简介 v i s u a lb a s i c 是美国微软公司推出的在w i n d o w s 环境下使用的应用软件开发系 统 3 2 1 ，近年来得到了迅速推广和应用，v i s u a lb a s i c 的特点是适合于面向对象程序 设计。v b 的功能十分强大，可以实现w i n d o w s 的大部分功能，如多文档界面( m d i ) 、 对象的嵌入与链接( o l e ) 、动态数据交换、动态链接库( d l l ) 、子程序的调用等。 应用v b 可以方便地完成各种任务，从小型应用程序到大型的数据库应用系统和多 媒体信息处理系统，都能够快捷高效地开发成功。 v b 具有许多编程优势和特点，这也是本文选用v b 的重要因素之一，v b 主要 有以下特点 3 3 】： ( 1 ) 可视化的程序设计 v b 率先采用了可视化的程序设计方法，利用系统提供的可视化控件，可以方 便地以可视化方式直接绘制用户图形界面，并可直观、动态地调整界面风格和样 式，直到满意为止。可视化设计为开发w i n d o w s 风格的应用程序提供了简化编程的 1 8 江苏大学硕士学位论文 有效方法，提高了编程的效率。 ( 2 ) 面向对象的程序设计思想 面向对象的程序设计是伴随着w i n d o w s 图形界面的诞生而产生的一种新的程 序设计思想，与传统的程序设计有较大区别。v b 是面向对象的程序设计语言，将 代码和数据结合在每个对象中，不必建立和描述每个对象的程序代码，用户只需 了解每个对象能完成何种任务，不必知道对象是如何工作的，程序设计人员只需 编写实现程序功能的那部分代码，从而提高了设计的效率。 ( 3 ) 事件驱动的编程机制 v b 采用了事件驱动的编程机制，事件驱动是一种适用于图形用户界面的编程 方式，当用户在操作界面上点击对象时，对象就会触发一个事件，此时该事件对 应的程序代码便会执行，从而完成制定的任务。 ( 4 ) 具有较强的数据库管理功能 v i s u a lb a s i c 系统具有很强的数据库管理功能，可以直接在v b 中编辑或访问 a c 髓s s 桌面数据库系统，也可以编辑或访问其他的外部数据库。v b 提供了开放式 数据库链接的功能，可以直接访问或通过链接的方式管理并操作后台的大型数据 库，如f o x p r o ，p a r a d o x ，也可以通过直接访问或建立连接的方式使用并操作后台 大型网络数据库，如s o ls e r v e r 等。 2 5 摆线转子泵的数学模型 ( 1 ) 设计变量 在对摆线转子泵转子进行优化设计时，取内转子内切圆半径、内转子外切 圆半径如、外转子齿形圆半径鲫和转子宽度曰为设计变量，因此，设计变量为 x = 【r 1 如a a 曰r ( 2 2 1 ) 其它参数：啊一内转子转速； 1 一内转子齿数； 2 一外转子齿数，2 = i + 1 ； p 一偏心距，e = ( 一r 1 ) 2 ； r 一外转子限制圆半径，t = + e = 1 5 一0 5 r 0 1 ； 1 0 摆线转子泵设计平台的建立与数值模拟 r 一创成圆半径，r = a a +