（机械电子工程专业论文）节能型转向泵的理论分析与研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 节熊型转向泵的理论分析与研究 摘要 驹力转商泵性畿的好坏直接关系到汽车转向系统怒否能正 常运行。目前使用广泛的双作用叶片泵存在着较大的能量浪费； 而单作用叶片泵却由于输出流量可随负载变化，可以减少其能 量损耗。故本文提出鼹攀佟耀时片裂代替双馋耀叶片泵，优纯 设计耗流盘并对英配流特性进行仿粪。仿真结梁表明：该转向 泵具有蘸好的预升、卸能力，而且可以满足变工况调节。针对 单作用叶片泵流量脉动较大、定子受力不好的情况，本文对其 流量特性细定子力学特性进行硪寇分析，褥出结论：时片数鳇 奇偶瞧与时片泵的流量脉动没有直接的关系；叶片数为偶数时， 定子在茗轴向的所受作用力不但要比其为相邻奇数时的小，而 且方向恒定。此外，本文运用软件s o l i d w o r k s 对转向泵进行三 维实体造型、虚拟装配和干涉检查，及时发现设计中的错误与 不足之处，以避免将来在攘王装配过程中人力、物力、财力不 必要的浪费和损失。 总之，本文对解决车辆能耗问题具有一定的实际意义，同 时对复杂液压元件的虚拟设计有着重要的参考价值。 关键词：液压助力转向系统，转向泵，流量脉动，三维仿真 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n a l y s i sa n dr e s e a r c hi nt h o e r ya b o u t s t e e r i n gp u m p s0 fp 0 吧r s a n gt y p e a b s t r a c t t h eq u a l i t yo fp o w e ra s s i s t e ds t e e r i n gp u m pi n f l u e n c e st h e a u t o m o b i l e s t e e r i n gs y s t e m a t i c n o r m a l r u n n i n gd i r e c t l y t h e d o u b l ea c t i o nv a n ep u m pu s i n ge x t e n s i v e l ya tp r e s e n th a sg r e a t e n e r g yw a s t e ；h o w e v e rt h es i n g l ea c t i o n v a n ep u m p ，o w i n gt o o u t p u tf l o wv a r y i n gw i t hl o a d ，c a l lr e d u c ee n e r g yw a s t e s ot h i s t e x ta d o p t e ds i n g l ea c t i o nv a n ep u m pt or e p l a c ed o u b l ea c t i o nv a n e p u m p ，o p t i m i z e dp o r tp l a t ed e s i g na n de m u l a t e di t sd i s t r i b u t i n g f l o wc h a r a c t e r i s t i c t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h i ss t e e r i n gp u m ph a d n i c e rb o o s t i n ga n du n l o a d i n gp r e s s u r ea b i l i t yi na d v a n c ea n dm e t t o a d j u s t m e n tr u n n i n g c o n d i t i o n c h a n g i n g a i m m i n gf o r t h e c o n d i t i o nt h a tf l o wf l u c t u a t i o no ft h es i n g l ea c t i o nv a n ep u m pi s t o ol a r g ea n df o r c es t a t o ro fi ts u f f e r i n gi sn o ts a t i s f y i n g ，t h i st e x t s t u d i e dt h ep u m p sf l o wc h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c o fi t ss t a t o ra n d d r a w e dt h ec o n c l u s i o nt h a tv a n en u m b e ri so d do r 太原理工大学硕士研究生学位论文 e v e nn u m b e rh a sn or e l a t i o nw i t hf l o wp u l s e sw h e nv a n en u m b e ri s e v e nn u m b e r , f o r c et h es t a t o rs u f f e r i n ga l o n gt h exa n x i si sl e s s t h a nw h e nv a n en u m b e ri s n e i g h b o r i n go d dn u m b e ra n di t s d i r e c t i o ni sc o n s t a n t ，i na d d i t i o n ，t h i st e x tu s e dt h es o f t w a r e s o l i d w o r k st ob u i l dt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h es t e e r i n g p u m pa n dc a l t yo u tf i c t i t i o u sa s s e m b l ya n di n t e r v e n t i o nc h e c ki n o r d e rt of r e dt h em i s t a k ea n dl a c ki nt h ed e s i g ni nt i m e ，t h e r e b y a v o i d i n gt h ew a s t ea n dl o s so fm a n p o w e r , m a t e r i a lr e s o u r c e s ， f i n a n c i a lr e s o u r c e si nt h ec o u r s eo fp r o c e s s i n ga n da s s e m b l i n gi n t h ef u t u r e 。 i i naw o r d ，t h i st e x th a sc e r t a i na c t u a lm e a n i n g si ns o l v i n gt h e v e h i c l ee n e r g yc o n s u m p t i o np r o b l e m a tt h es a m et i m e ，t h e r ei s i m p o r t a n t r e f e r e n c ev a l u et ot h ef i c t i t i o u s d e s i g n o ft h e c o m p l i c a t e dh y d r a u l i cp r e s s u r ec o m p o n e n t k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp o w e ra s s i s t e d s t e e r i n gs y s t e m ，t h e s t e e r i n gp u m p ，t h ef l o wp u l s e s ，t h r e e - d i m e n s i o n a le m u l a t i o n i l l 太原理工大学蟆士垂舞炎生学豫论文 第一章绪论 1 1 转向系统豹发展及其原壤简介 势减轻驾敷员转凌方疯懿兹搽传力，瘸霜动力产生辅助力靛装嚣，穆 为转瀚萌力视梅( 简称动力转离) 。动力转向戴秤以驾驶鼹绦缀方赢盘 ( 转矩耥转角) 为输入信每，班转向车轮的角位移为输出信号的伺服机构e 动力帮分鼹踪手动揉稼，产垒予转趣黼力鞠平衡麓赣蘩力，霞事辆遗雩亍转 海运动。与j 毙葡障，掇部分输瘫力反馈给驾驶员，往箕获褥适溺的转向感。 程1 8 7 6 年荚国麟有了第一个税械动力转向的专利”】。诚机械动力转 藏系统熏要由鼹帮分缀戏：一部分怒转淘器，它毽蘩方巍鑫、转蠲辘灏转 向传动剿；另一部分戆转f 龟传动装麓，它畿括转向羲臂、转随缴歉秆、转 向节臀嗣转向梯形。蠲l l 为典黧的机械式转尚系统的示意瞄i 2 1 ： t 穷巍盎2 转巍鬻3 媾拇4 鸯赢5 转鲰套簿s 耪螽糕粒爵? 蛊赣 8 转向节罐9 、1 2 转向勰形偿1 0 转向横拉括l l 豌轴1 3 转向警 攫 一l 典登趣穰械式转惠系统 f 塔一ls t e e r i n gs y s t e mo f t y p i c a ! m e c h a n i c a lt y p e 太爨理工大学磺士鞲变生学整论文 近年袋，隧鬻汽车工业的迅猛缴展，人 】对汽车的舒适憾秘安全瞧 有了更商的簧求。汽车转向性熊是汽举的主簧性能之一，转向系统的性能 壹搂影蟪垂# 汽车懿搽魏穗定蘸，窀辩予臻镶率赣黪蜜垒嚣鼗、减少交逶寮 鼓以发保栌驾驶焚的人身安全、改蛰驾驶员的工伥条 牛越黄羹嚣的作粥。 由予采丽渤力转弼可以撇少骛敷员手动转向力矩，教善汽帮的转向轻便性 器汽奄熬撵级稳霆瞧，落魏不鼗在藕薅事、串裹缀轿车戳菠较拦攀圭豢蠢 普遍虚嬲。液压就力转肉嚣叁2 0 避皴5 0 年t 发餍以来，融垦愁成熟，褥 虱广泛应髑，至2 0 0 0 牮蔟采捌率西接近8 5 。 籍瀚黪力装麓始装予1 9 5 i 筝美潼舞幕鬻魏骛镡生产鹣汽车，冀鏊零 工绺琢璎蘸发动桃秘力经皮带秘皮辩耱传缭勘力转淘浊装，裂磁葵产生瓣 油蕊，通进控制澜不断澈变输出油鹾的太小酾油甑的油流方向，以实现对 转宠嚣蕊漤力嚣臻。爱力转蠹豢蒺擞经不瑟疆变褒羧遘，蕊基本工器嚣疆 帮穰间。躞l 皇为典趔鹣液鹾融力转羯系绞示意图f 3 】。 蹰 - - 2 菸黉鹁液燕臻壹转巍系统 f l g l 童t y p i c a lh y d r a u l i cp o w e ra s s i s t e ds t e e r i n gs y s t e m 麓蠢凝徽势汽率韵为转游聚绕静韵力源，篡髋能豹好环壹按哭系到动 杰转蠢系统是否缝覆露逡露；转趣聚楚枣汽攀袭秘糗鼹露溪麓转靛，冀麓 出的联力濑供给汽率转离系统，使汽率在转国时产黛演压麓力作爝，从黼 减轻驾酸搽的劳精强淡。警汽率发动辘转速掇高剿一定值时，浆内流登阀 2 太原理= c 大学硕士研究生学位论文 开启；在正常工作转速范围内，泵输出流量保持恒定，使驾驶员宥良好的 路感；在高速状况下，泵输出流量随转速调整匹配，呈现下降现象，以确 保高速时路感，增加高速行驶的安全性。 目前，应用较为广泛的汽车动力转向凝是双作用叶片泵。解放、东风、 切诺基等率型均采用这种转向泵。双作用叶片式转向泵飓一种高性能转向 动力源，具有搜术含量简，结构先进，体积小，重蹙轻，寿命长，系统接 管简单等特点。现行助力转向系统是由双作用叶片浆、定差式溢流滑阀和 安全阀三部分组成的，其原理图如图1 3 所承1 4 j 。 l 耀律舞建豢寨 * 瓣鬻繁濑辩 ”塞菱瓣灌溉巍 扣q 嘲科黼安垒鬟 躅l 一3 现行动力转向系统的工作原疆胬 f i g l 一3s c h e m a t i c d i a g r a mo f g u r r e n t p o w e r a s s i s t e ds t e e r i n gs y s t e m 謦中筑是系统需求韵最大流潼，它在量值上取决予系统中箕助力缸 的运动速度和方向盘的角速度。油泵输出流量q 。随转速，z 的增大而增大。 如果流星过高，则会使管路系统节流损失增大，渡联系统严熬发热，转嚏 盘过于灵敏露“发飘”。多余鲍油渡绞搀邋过滋滚阉送翻浊锉。这就楚璎 嚣转淘油泵豹毽漉琢理。 戬发动梳必动力澡静液逡动力转淘系统其有下射优点： ( 1 ) 减夺驾驶虽静疲劳强度。动力转囱可潋提高转淘轻便往。 ( 2 ) 撬离转淘灵敏废。可虢琵较自由逾禳据搡缴稳寇性要求选择转向 嚣传动院，不会受到转商力韵制约。允许转向轮承受更大的负荷，不会弓f 3 太暇理工大学硕士研究生学位论文 起转向沉重问题。 ( 3 ) 衰减道路冲击，提高行驶安全性。液压系统的阻怒作用可以衰减 道路不平度对方肉盘鲍渖走；舅一方瑟，当汽车嘉邋行驶瓣，如暴发生爆 胎，将导致汽车方向盘难以把握，采用动力转向可以使驾驶员较容易把握 方囱纛。 但液篷助力转向系绫瞧存焱下列不是： ( 1 ) 选定参数完成设计以厝，助力特性就确定了，不能再进行调节与 控制。因既轻便往与路感的关系协调越来比较困难。高速行驶时转向力绽 往过轻、“爨感”熬，甚囊感觉汽车“发飘”，从瑟影响汽车操级稳定搜； 按高速性能转向要求设计转向系统时，低速转向力往往过大。 ( 2 ) 存在漏漓和维护问题，提高了保修成本，泄漏的液压油会对环境 造成污染。 ( 3 ) 液压助力转向系统的效率较低，一般在6 0 和7 0 之间。这主臻 是因为即使汽车不转向时，油泵也一童在运转，从而增加了能量消耗。而 且汽攀的裹这是惑速约3 到4 倦，当凑速运转时，转蘑瀵泵输爨滚量瓣 3 4 要通过激流阀卸回油箱，造成了能量的极大浪费。这一点是现行转向 泵最大的不足i s 。 1 2 阑内外研究动态 1 2 。1 转向系统的节能研究 1 、电动助力转向系统欺节自研究 电动助力转向系统是在机械转向浆统的基础上，根据作用在方向盘上 的转籁信号藕车速信号，邋过电予控秘装置馒电机产生稳应大小和方向的 辅助力，协助驾驶员进行转向操纵，并获碍最佳转岛特性的伺服系统。魄 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 动助力转向系统由机械式转向装嚣、驱动电机、电磁离合器、减速器、方 向盘传感器( 包括转矩传感器，转速传感器或方向盘转角传感器) 、车速传 感器及控制器( 包括控制单元和驱动单元两部分) 等组成。电动助力转向系 统以电动机为动力源，电动机由汽车电源供电。当驾驶员转动方向擞时， 电动转向系统中的传感器检测出其运动状况，由电控单元发出指令，使电 动机产生适当的动力带动转向轮做适当的偏转。 进入二十世纪九十年代，电动力转向系统成为备大公司研发的主要对 象。1 9 9 8 年北京第甄届阉际汽车展会上，德国z f 公司、英豳卢卡斯一伟 利达公司和美圜德尔福公司等外阑公司，展出了多种电予控制电动力转向 系统。这些转向系统具有下列优点：( 1 ) 质量轻和能耗低；( 2 ) 安装容易 且不需要维护保养：( 3 ) 高水平的转向功能和精度嘲。 北京市汽率工业学校研制开发出一种电子控制电动泵助力转向系统 ( 以下简称p s ) ，其结构如图1 4 所承川。 鹤1 4 电子控制电动泵劝力转向系统 f 遗l 4p o w e ra s s i s t e ds t e e r i n gs y s t e mo f e l e c t r o nc o n t r o l l i n ge l e c t r i cp u m p 该动力转两系统用毫予撩稍的电动泵敬代发动梳驱劝的油泵，属予车 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 速感应型助力转向系统。它不仅起转向助力作用，而且可以根据车速和转 向角变化状况使驾驶员感受到转向力的变化，以增强其“手感”。p s 的最 大特征是电子控制装置只在必要时才驱动电机，减少了发动机驱动油泵的 能量损失，降低了能源消耗。 系统具体工作过程是：计算机根据转向器内的转向角传感器发出的转 角信号和车速信号进行计算判断，选择预先设定的工作模式。计算机根据 这一模式驱动电动泵，提供必要的压力油至转向助力油缸实现转向助力。 当出现异常情况时，系统能够进行故障诊断并各有失效安全保护机能。 文献【8 】研究表明：变传动比的转向系统能够提高汽车的操纵性能， 但普通的电动转向由于存在机械连接而很难满足这一要求。这里的变传动 比指的不是传统意义上仅仅随着转向盘转角的变化而变化，而是转向系传 动比随着车速以及转向盘转角的变化而变化。文献【9 介绍的变传动比机 构复杂，还存在这样一个问题：当车辆高速行驶时，它使传动比变大，虽 然这样在一定程度上提高了操纵性能，但却潜伏这样一个问题：传动比的 增大往往使得驾驶员获得的“路感”信息减少，而适度的“路感”信息对 高速行驶的车辆是重要的。 2 、液压助力转向系统的节能研究 1 9 9 5 年日本t o y o d am a c h i n ew o r k s 公司研制了一种低能耗的电液动 力转向系统。该系统能够在非转向情况下停止动力泵的工作，转向时根据 转向情况提供动力。上述功能主要依靠一个中位闭式伺服换向阀，一个附 加的压力检测装置，一个蓄能器及一个电控单元来控制，动力泵由一个附 加的电动机带动【“。 1 9 9 6 年日本t o y o d am a c h i n ew o r k s 公司的y o s h i h a r ui n a g u m a 等人研 发了一种用于电液动力转向系统的节能技术。这一技术用于中位闭式转向 系统，通过一个有着特殊结构的压力检测装置和一个电控单元，控制泵的 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 动力电机在非转向情况下以很低的速度转动，达到节能的目的，此时产生 的少量流量从液压元件的间隙中泄漏掉【1 ”。 1 9 9 7 年通用汽车( 中高档汽车公司) 的f e r r i e s ，g a r yr 和a r b a n a s ， r l a r r y 从液压动力转向系统在低速时的一个小的振动现象入手，建立数 学模型，分析了汽车液压和结构在动力学上的相互作用，给出了一些改进 措施f 1 2 j 。 1 9 9 8 年同济大学的周俊龙对动力转向器电液伺服控制系统的瞬态响 应进行了分析，并结合响应曲线给出了不同参变量下的具体响应数据，从 而找出了影响系统响应性能的重要参数。指出转向系统要获得满意的瞬态 响应曲线，阻尼比最好在0 3 o 7 之间 1 3 】。 1 9 9 8 年华东交通大学的洪家娣等人对车辆液压动力转向进行了动态 优化设计和分析。他们从动态输出响应失真最小的要求出发，将基于最优 化设计理论的i t s e 准则用于液压动力转向的动态设计，探讨了该系统主 要设计参数最优化设计的变化规律，为液压动力转向器的设计提供了有利 的依据1 1 4 】。 1 9 9 9 年u n a m 的c h i c u r e l ，e 提出了一种能够扩大前轮转向机构转 向范围的概念，将一种经过优化的放大器置于转向机构和车轮之间，给出 了这种机构符合的条件，并将其与传统转向机构进行了对比【1 5 1 。 1 9 9 9 年美国芝加哥r a w h i d e a ns k f 公司的a l e x a n d e rl b e r d i c h e v s k y 对汽车噪声源进行了研究，通过实验指出转向系统中齿轮密封的振动是最 常见的噪声源。对两种用于齿轮、齿条密封的弹性材料的噪声与温度、压 力和轴速的关系进行了测试。针对发生振动的密封及其他橡胶摩擦元件提 出了新的标准，给出了一些预防措施 1 6 1 。 2 0 0 2 年江苏大学汽车与交通工程学院的苗立东，夏长高针对广泛采 用的循环球式液压助力转向系统建立了数学模型，并提出了液压助力作用 7 太摄理工大学硕士研究生学位论文 在螺杆上的等效作用力矩的概念，以此为工具，对转向系统的刚度和装有 照季孛转良蕊绕鲍汽车瓣转藏灵敏整遴行了分捉。然后，讨论了见个重要斡 评价参数随着转向控制阀的压力增菔变化的趋势，使设计者能够定量地分 析装有此种转向系统的汽车性能，从而有利于设计工作”1 。 综上所述，毫动瓒力转向系统强保、节戆，懿蒺系统复杂、成本较毫； 液压助力转向系统技术成熟、动力憔能良好且成本较低，故其依然占据着 主导地位。 。2 。2 蒙豹结秘改遴獭静动态特蠖彷囊磷究 1 9 7 5 年匹安交通大学的凌翔和榆次液压件厂研究所的沙窟森以榆次 液压绎厂生产酶y b n - 2 0 萃终震交爨跨片泵炎雾，对转子壤簇受、最大镳 一t j , g l l i 等鳓索对泵特性的影喻进行了初步的分析f 1 8 1 。 1 9 9 4 年上海大学通过寻找“t 6 c ”叶片泵噪声的主要原阂，解析了 该泵定予瓣线戆数学模建。结合分掇嚣乡 低噪声时片泵定子熬线熬特点， 改进设计了“t 6 c ”叶片泵的定予曲线，以达到降低噪声的目的f 1 9 1 。 1 9 9 4 年5 月辽宁正学院的张波用内力分析的方法研究作用在泵轴上 故径藏力，挺窭压淫溪等弦长熬毅诗壤蘩( 帮炎爨泵夔密越黪数免奇鼗) 保证了裂轴所受的径向力近似为常爨，并且为以键的基于实验的设计方法 提供了究分的理论依据【2 0 】。 武汉食瑟工堑学藏秘毫王疆系戆辫云堂铮瓣y b x 垄泵懿流爨稼动、嚣 油、噪声和压力脉动较大的问题，找如其产生噪声和压力脉动的主要原因， 在油泵的酉己油盘上加工圆槽并引入服力油，从而抑制定子的振动。作者通 j 童透露鼹l 试验，褥蹬了该筵暴霉行豹措蘧对终繇交量时冀系熬噪声窝莲 力脉动脊较明显的效果。同年1 2 月，他们又通过对稳流式变激叶片泵的 静态特性和调节内力进行分析和计辣，对已研制成功的y b q 掇稳流式变 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 量叶片泵的配油盘设计的若干问题进行探讨，设计了结构较为合理的配油 盘，并通过测试该泵的静态特性，证明其设计的合理性。介绍了用阻抗法 求解管内压力脉动的方法及通用仿真程序包。实验表明，仿真结果与实测 结果相一致【2 l 】。 1 9 9 5 年德国人r g e l l r i c h 和a k u n z 建立了叶片泵摩擦系统的数学 模型，并对定子环、叶片和转子之间的摩擦进行了分析1 2 2 。 1 9 9 5 年6 月宁波大学机械工程系的林九如通过对y b 型叶片泵的固 体振动、液压冲击与脉动的噪声测定与分析，确定噪声源并探讨了对该类 泵行之有效的降噪途径。文章对新颖的高次方程定子曲线特性进行了数学 模拟，并确定其特征方程各系数，同时，文章又探讨了对减振槽的优化设 计，以其最小压差、最低液压冲击作为目标函数，确定了减振槽最佳几何 尺寸。抓住双作用叶片泵的定子曲线和减振槽的优化设计：可使y b 系列 叶片泵的噪声得到明显下降【2 3 。 1 9 9 5 年8 月日本神奈川大学工学部的蝎英一和北京科技大学机械工 程学院的永青通过液压系统产生振动和噪音的振源及振动能量传递的分 析，开发了测定泵的振源特性的新方法一“2 压力2 系统”法【2 4 1 。 1 9 9 7 年d e n l s o nh y d r a u l i c s 公司研制了一种内啮合齿轮和小型高压 柱塞泵的替代品：t 7 b 型1 2 叶片泵。该泵具有一个特殊的“干润滑”凸 轮环来减小内部泄漏，从而达到降低压力脉动和噪音的目的【2 5 1 。 1 9 9 8 年太原理工大学的孙艳、权龙对差压型变量叶片泵定予的受力 进行了分析，并借助d e l p h i 语言工具分析研究了各种参数对定子受力的 影响。同年，他们在另一篇论文中又对差压型变量叶片泵转子的受力进行 了分析，确定了转子所受径向力的大小、方向及作用点位置，并借助d e l p h i 语言工具分析研究了各种参数对转子受力的影响【2 6 1 。 1 9 9 8 年长城机床厂的张同波在保持叶片泵配油盘原结构尺寸基本不 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 变和保证吸、压油窗口甄不相通的前提下，分别在左、右拊闭容积的吸、 压油窗口始端开设卸荷稽收到了降嗓3 d b ( a ) 以j z 的效果。变量叶片泵改 进蔻蘑配滚盘照片虫珏重l 一5 联示 2 7 1 。 a 改进蒋未开稽有豁境e 礤藤合金b 蔽进前来开稽有玩( 双念属) o 改进詹秀瓣奎了扔骞替瑰襄迹艇袅属)d 改进盖露攮理想兑馨境靛金属) 随1 - - 5 变量叶嚣泵改进前后瓤漉盘熙砖 f i g l 5p h o t o g r a p ho f p o r tp l a t eo f v a r i a b l ev 锄ep u m pb e f o r ea n da f t e ri m p r o v i n g 2 0 0 3 零3 是溯素跨众职选技术学院嚣张滏宠、榜文涛对变蘩辞片泵 定于所受径向液压力进行了分析。认为该力的大小朔方向是不断变化的， 可以造成对定子的冲击和振荡、引起叶片泵的压力、流量脉动，产生振动、 噪声。并握爨了薅豢柱弹簧改为霾镶释簧纛奁定子每弹簧之阕葫橡胶毒害垫 来解决上述不良现教的措施【埘。 1 0 太原溪王大学硕士研究生学位论文 1 3 论文的研究内容及意义 由于现行勘力转向系统蒋遍采用的双佟用时片泵存在较大能量损耗， 本文提出用单作用叶片泵代替双作用叶片裂，以达到节能的目的。但单作 雳时冀泵滚量躲魂魄较大虽定予受力不好，针对这秀大阏题，终考滚入磅 究并提出相应瀚勰决方案。 1 3 1 论文研究的主要内容 ( 1 ) 对y b z 6 1 0 b 一0 7 0 0 8 0 型转向泵避彳子能耗分析； ( 2 ) 对节熊型转向泵配流盘进行优化设计； ( 3 ) 怼这溪秘转彝象静滤蟹特经进纷分辑纛篦较； ( 4 ) 对节能溅转向泵酌定子进弦力学特性分析； ( 5 ) 对节能测转向泵进行三维实体建横； ( s ) 翅建蘩艇型转自泵瓣零终痒； ( 7 ) 对节熊溅转向泵进行虚拟装配和干涉检查。 1 3 。2 论文磷究熟意义 目前，国外的小轿车、载货车、工程机械车辆和国内的中高档轿率都 使用了液压伺服转向机构来掇高驾驶的舒适性、可靠性。假研究数据表明， 臻器滚莲动力转囊系统巷遴浆惩懿双终溺跨冀泵，存农麓较大豹熬爨损 失。而单作用叶片泵的输出流麓却可随负载压力自动调节，具有节省功率、 减少油液发热、简化液压系统的优点。因此本文以减少功耗为出发点，提 窭瓣擎终趸睁片泵取代双豫麓跨片泵，戮遮鬻节辘瑟瑟静。毽摹律麓对 片泵的流量脉动较大且定子受力不好，因此有必要对其流摄特性和定予受 力特性进行研究分析，采取裔效措施降低冀流量脉动、改善其定子受力。 太原理工大学硕士研究生学位论文 此外，由于缺少必要的试验条件而导致产品性能低、可靠性差的现象 比较普遍。传统的产品设计还处于经验、静态设计阶段。而应用三维仿真 技术在方案设计阶段进行产品的虚拟制造，可圆满地展现设计构思，进行 产品的工业造型和外观设计，并可通过装配仿真和运动仿真技术进行尺寸 干涉检查和运动干涉检查。因此，本文运用软件s o l i d w o r k s 对转向泵进 行三维实体造型、虚拟装配和干涉检查，及时发现设计中的错误和不足之 处，以避免将来在加工装配过程中人力、物力、财力不必要的浪费和损失。 总而言之，本文对解决车辆能耗问题具有定的实际意义，同时对复 杂液压元件的虚拟设计有着重要的参考价值。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章节能型转向泵配流盘的优化设计 本章我们蓄先要对y b z 6 1 0 b 0 7 鳓8 0 型转囊泵戆糕瀛题逡零亍一个 定量的分析，然后以此为原形研究设计一种节能型转向泵来取而代之。酉己 流盘的设计对油泵性能至关重要，本文提出了种新型的配流原理，并按 照该壤则没誊卡各配流参数，透过鞭秀、蠲压力特挂熬线来检验莰嚣戆正确 性。 2 。1y b z 6 1 0 b - 0 7 0 0 8 0 型转向泵的能耗分析 转囱漕象是奎汽车发确凝驱瀵夔，它提当予发动壤煞一令受鼗，迄受 因为如此，转向油泶才具商泵轴转速变化大的属性。对定量泵而富，其流 基q 与转速麒成正比，当定量泵流量q 大于系统需求量q 0 后，其多余流 量g 黉通过溢流阀溢流簿。 转向泵嚣霜功n 。豹表达式必矧： m = 躲 叫) 式中：p p 一泵出口压力( 7m p a ) ：玑- - n n g n 效m 。 y b z 6 1 0 b - 0 7 0 0 8 0 型转向泵常用工况下的转速栉。为2 0 0 0r r a i n ，起步 转速为7 0 0r m i r a 系统需求量编为7l m i n ，刚常用工况下需要溢流掉 豹流童笆为：g = 7 x ( 2 0 0 0 7 0 0 - t ) = 1 3l r a i n 。 转彝泵戆无因次容鬏教率烫r , 。= 0 9 ，将这些蘩箨代入功耗计算式 ( 2 一1 ) ，得y b z 6 1 0 b - 0 7 0 0 8 0 型转向泵在正鬻王提下的无蹦功耗为： 太簸蓬工夫学颈士瑟窕生学髓论文 犯= 船吐s k w 这令苓砖、滟量氆是蕊簿转舄泵涟瀛方案不畿竟黻越竣筵。 2 。2 节熊魁转向泵的燧流方案 崮予瓣籍转两泵穗流方案串存在麓不可竟鼹的熊董损耗，嚣j 鲢：我磊j 设 计出一种节能型转向裂以及与之相骶瀣的恒流方燕。 浚爨q 辍决于象辚转速嚣及壤；蛰鞭。嚣令参鳖。苓麓羹转囱渣囊酶设 计愚路就怒用偏心雅# 的变亿来平衡戏补偿由转逮n 弓l 起泵流鬣的变化， 劳把变爨鬏我流量q 1 陵懋在系统所辫瓣量燕上。这就是节缝型转肉油泵戆 设诗愚鼗，趣变量泵穰滚方案熬爨蘧鬻魏錾2 一l 掰示。霾串：l 麓荤季箬 用变量叶片泵，2 为圊您节流器，3 为最高压力限制阀及安全鹂，4 为偏 心诿繁液迸疆。与强l 3 掰 示戆瑷费转内涵泵爨理鬻穰 比有两个不同点，一怒定量 象装交豢装取戎，二憝定差 溢滚滚送溯被镶心璃繁滚压 活塞所取代。有一点拥问的 是霆差滋滚瓣襄壤，豁满繁滚 匿活塞鹣确率涿藜莛采爨强 定节流器的压力降。礅衡尽 凌弘。擎姥整耪穗袭瞧囊方繁的漂鳢囊 辩黔一lg c 1 l l l n l 蛾酗寥啦o f 洲f l o w s c h e m eo f 删n g 嚣鲜s t e n i a g 靶瓣啦 譬耨是稳滚蒙，整它翻懿蘧滚嚣璜及满苓遵程帮大不糖嗣。当袋辍转速受 讫辩，溉符转自i 盍裂爨嚣溢流圈滋滚摔多余鹃流爨来实瑗谈浆输出流量 为恒定德，黼节能型转f 句泵的流量可以根据负载变化自动调整偏一心量来实 1 4 太原理工夫学硕士研巍生学位论文 现该泵输出流量为恒定值。转向泵刚启动还未建立起压力时，定子在弹簧 戆黪建下，囊卷移动到最言蜗，照薅谈心凝# 戈最大蕊# 。酒泵竣囊戆 流爨为q ，泵排出的油液全部通过节流阀：i 投入动力转向舔统，在节流阀两 端形成压力差a 矽= a p ：。遇泵毒虫转速低孵，泵鲍输出流量较小，勿也 较小，偏心距8 保持为最大值e 。，直至流擞达到转向系统的额定流爨q o 为止。若转速继续增高，却也随之增大，变量活塞在压力差作用下克服 弹簧力左移，经编心距g 减，j 、，获焉使流薰变小。转速越离，编心距越小， 因而保持泵在泵轴转速改变较大时，其流嫩在很小的范阑内变动。这就是 节髓型转向叶片泵的恒流方案。 2 3 节能型转向泵结构参数的初步确定 y b z 6 1 0 b - 0 7 0 0 8 0 鍪转翔泵戆王律参数：额定滚塞为7l r a i n ；额定 压力为7m p a ：起步转速为7 0 0r m i n 。 y b z 6 1 0 b - 0 7 0 0 8 0 型转向泵的几何排爨为： q = 2 t 硝* 器( 震2 一r 2 ) 一2 ，z t 嚣t s ( 震一0 = 9 9 7 x 1 0 l r 本课题的思想是要用单作用变量叶片浆来代替y b z 6 1 0 b 0 7 0 0 8 0 型 转向泵，所以要保证它们的备工作参数基本耱当。 单毒# 嗣交豢时片泵耱死秘瓣量为： q = 4 z b e r s i n ( z t z ) = 9 9 7 x 1 0 。l r 壤据工程经验，我 】初步礁定其结构参数：定子肉拳径r = 2 6 挂黼： 转予外半r = 2 4 m m ；最大偏心量p 一= 1 6 r a i n 。对于不同叶片数z ，将 以上参数代入上式中可得相威的定子轴向宽度嚣。 t 5 太蒙理工大学磷士磅窕生学经论文 2 4 瓤凝的配流愿理 出予咛净聚赘蒜、低鹾黢器力怒龄跃瓣，工佟黢怒鼹压涵送入捧涟驻， 瞬间便会被压缩，高蕊腔中的油液瞬时向工作腔铡流，通常称为液压图冲， 形成淘辔，不仅使碲片泵产生流蚤躲动，而且避套产生嗓声。嗣祥，工作 臻捧完溜，处予夏容获巾豹藏匿浊纛法撵净，瓣对强毁淫整接遴，邀会薅 时膨胀，形成噪声。 油潞和礤脊是产黼这标最难解决的| 葡蘑。湘击阖题需要农密封区解 决，帮鑫溪羚墨区搜啜瀵舔藤油豹z 佟黪串麴淮爨堙冬逡秀荔，当寒 洼 膝接通辩难好拜至排油压力；同样糕预卸聪区要值排完油静工作腔中的油 艇均匀燎降低，当和瞰油艟接通时鬣好降至吸油聪力。这样，两部分相同 毽力熬濯液瀑鑫对藏不会产生鎏鑫。 节能溅转向泵的黼流盘承担着消除油击的镁务。它需要愤工作腔在阂 死密闭馘中预辩压力和预卸压力稻镣并等于油浆的工作压差，飘随着油泵 王嚣谬繁蠢叁j 纛疫熊力。 常娥单作闵叶片浆的配流盘如阁2 2 所示。窀的特点可戳归纳如下： 商两个憾角相等的配流腰槽，其中吸油腰槽与嗷油管相通，吸潲行税时通 避骧漓窗戳与宅褪遴，瓣窭瓣演液郡汇集嚣撵蔼麟稽，逶蓬与瓣澹鹱攘裰 遴的排油管路将油液供出。为了获祷定的调节内力，单作用变量叶片泵 的配流擞安装到泵体上时，通常簧椭对予转子旋转方向偏转个口角度， 嚣蘸稽楚辘对稼獒。嚣簇稽穗器懿鞴帮之阕由赚臻隧秀，工终黢转至照莲 域隔墙平蕊将窗口封闭，处于闭死状态。隔墙区域也是轴对称的，隔墙上 开有上、下两个尺寸棚等豹卸荷槽，相对于配流激面中心成中心对称状态 努毒。这样安装煞瑟滚纛当转予在箕潮瑟嚣运转辩，漆惩寥袋髂鼯嚣鬻冤 压缩作用并不楣等，戮此无法消除油击。 1 6 太摄理工夫学域士研究生学撩论文 图2 2 常规单作用叶片幕配流盘 f 毽加矗p o r tp l a t eo f c o n v e n t i o n a l s i n g l oa c t i o nv a f l 嚣p u m p 藤溉 图2 3 节能型转向叶片幕配流盘 f i g 知冯p o r tp l a t eo f s t r i n gv 姐c p u m po f e n e r g ys a v i n gt y p e 墅巾：芦= 譬，z ；乎为囊蘸转懿；妒】粒铙势潮为鞭舞、卸聪糍建；嫉秘 馥分剃为颟羚、卸遥镶转角。 单作用叶片荥由于可以方便她调节偏心来改变排量，故常作为变爨泵 使用。幽单作用变量叶片泵的排鬣向下调节时，摊油量减小，弼容积增大， 二蠹之秘瞧减，j 、。当壤论接鬟璃董零辩，瑟窖积增至最丈。这襻裁雩| 起瑟 流盎预升压和预卸聪艟力与浆的排照调节不协调，随着摊量谪小，油礞强 度越来越犬【3 0 1 。 铮瓣强蘸单臻月鲣片泵褒设计巾存在瓣不怒之楚，零文稳撼了一秘瑟 型配流麟理。节髓型转向泵的配流盘如图2 3 所示。为了获得定的谲 节内力，节能型转向浆的配流盘安姨到泵体上时，也同样要相对于转予旋 转方趣绫转一个夤凄秽。毽宅豹掰令聚滚壤疆懿毽趋姜誉攘等，瞧不是辕 对称的。嚼墙上开的颈嚣、卸压鲫旃横蠛建姣秘奶也不摆等。王 乍靛鞭 舞器过糕是透过耀躐筑攘匾缩器瓣赫稽引入窝嚣酒两耪方法综合对靛串 戆低蹙演逶行搭积蕊缝来实溪酶；工俸菠臻露蓬道程是遴过溺笼撬穰黪酝 移蠲精撩警l 燕窝压瀚涟矜方法综台辩腔孛的裔援演透露体截膨胀来实现 l ? 太原理工大学硕士研究生学位论文 的。当工作腔体积变化的方向与卸荷槽作用方向一致时，我们便可以找到 一个最佳参数匹配的准则使得油泵排量调节时它的预升压和卸压能力与 工作腔油液体积相适应。而且这种自适应不需要另加控制调节系统。 2 5 最佳配流参数的选取 本节的主要内容就是要选取最佳的预升、卸压区的偏转角b 和岛以 及预升、卸压区的幅角仍和仍。寻找参数最佳匹配关系需要借助于工作 腔预升、卸压力的增量方程。 2 5 1 预升压工作腔压力增量方程 预升压过程示意图如图2 4 所示，我们定义由叶片l 、2 所组成的工 作腔为工作腔1 2 。 图2 - - 4 预升压过程示意图 f i 9 2 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f b o o s t i n gp r e s s u r ep r o c e s si na d v a n c e 说明：下文中用下标j 来表示预升压过程的物理量；用下标x 来表示 预卸压过程的物理量。 工作腔预升压力的增量方程为： 】8 太原理工大学硕士研究生学位论文 和。川学 ( 2 ) 式中： 嚣一油液的弹性模量。搬文献 3 1 】液压油体积当量弹性模量建议选用 e = 5 0 0 1 7 5 0m p a ，选用范围很广，上、下限相蓑二倍。国外 文献【3 2 】在设计裂的有关资料中推荐油澈弹性模量选用 1 5 0 0 m p a ，而控制系统设计中p 3 1 选用油液弹性模量为7 0 0m p a ， 二者相差一倍。据兰州理工大学那成烈教授在轴向柱褰泵噪声 控制实验中选用不同的油液弹性模量设计出系列配流盘，对油 泵总体噪声的实测表明：油液弹性模量选用1 1 0 0i v l p a 时，油 泵噪声最低，且效果显著酬。所以本文中的油液弹性模量选用 1 1 0 0 m p a 。 a p ，= 只一p o = 7 m p a 式中： p 油泵择漓荻歪力； p 。一油泵吸油腔压力( 取p 。为一个大气压) 。 式( 2 t ) 中的k 。表示工作黢l 2 中款浊滚在预势压全过羧枧壤压 缩躬慧体积，其表达式为3 5 】： d h ；= 一昙 2 s i n 2 f l c o s 2 ( p 十0 1 ) 一c o s 2 a d + e 【s i i l ( 妒+ q + 仞 月2 一e 2 s i n 2 ( 妒+ b + 声) - s i n ( 妒+ ( 9 1 一) 扛i 兀孑两百丽+ s i n ( 0 1 一多 缸i 焉聂再丽 一s i n ( 最+ ) i i ：i 了_ ；五 惭】+ 足2 - a r e s i n ( 旦二墅墨掣) 1 9 太驻理工丈学颈士研究生学彼论文 一删n ( 塑坳) + 删n ( 旦酱塑) s i n ( 竺普塑) ) ( 2 _ 3 ) 式中；乏一砖片数；8 壤心叛：妒一转子转角；嚣一定予宽度； 足一定子内半径；，一定子内半径：o l 一预升压偏转角。 式( 2 2 ) 中螅是工作腔l 一2 在预舞压众过程通过卸箍横流入高 压油的总体积，其表达式为： 毗一f q a q , 击f 驯竽如州) 式中：一转子角速度：q 一卸荷槽流量；a 一卸荷槽的过流面积； p 一油液密度；雌转予转速；p 工作腔油液滕力； q 一簿蕊稽流量系数。配流盘上开设的预舞、卸簇卸荷槽的 工作时间很短，因而卸荷槽的引油是一种脉冲式射流， 由参考文麸【3 6 】- - f 躲鄄麓疆孛载溅魂焉爰态瘫按素滚鼹德， 故流爨系数q 取o + 8 2 。 在遮照我们弓l 入一个排量调节比例系数鬈，它是一个变擞，表示任 意蠢 萋鹣工猿理论撩爨与额定王猿撵譬懿院值，蒸表这式为： k 一咖。( 2 5 ) 如；是个； 线瞧黪函数，q 与嬲芬穰工终悉箍残二次遨数关系，嚣 工作腔1 2 中油液的愿力变化规镎受排量调节系数足的影响，因此只能 近似地找出匕。与足的特定关系。w 以这样的预测，速度v 与卸荷槽工作 2 0 太骧毽王大学硕士研究生学位论文 压麓有二次函数关系，起点对于恒压变量泵是重合的。如果在k = 1 时的 鲻耱禧流速燕线不筢纛k = 0 辩嚣鄞蓑撼流速趋线楣黧会，熨k = 1 孵工 窜腚l 2 中油液的预升压力一定不会等于k = 0 时工作腔l 一2 中油液的 预升压力。如果两条速度曲线藿合，则一定相等。两曲线再对妒角积分也 楚矮等豹，邵矗圪；在这两耱王况下保持毽蓬。 当然在研究非线性问题时是不会绝对相等的，需要弹找的是能使转向 浆摊量调节时卸旖攘通油总体积近似为常掇的条件。满足这个条件的参数 缀念便是最毪参数静组合。 说明：下文中用上标0 袭示额定工况的体积：用下标0 表示零排缀工 况的体积。 设变量象额定工况下颓羚压力为卸。一p 。一p 。，邋过预升压迸卸荷 槠遇油体积皑与工作腔l 2 预升压力所需压缩油液总体积碟+ 皑 斡魄篷舞k ，掰 弘群臻 式巾：瑶一额定工况工作黢l 2 闭死机械压缩总体积，其表达式为： a k ：一昙 口：s i n 2 c o s 2 ( 仍+ b ) - - c o s 2 b 】 + 芒【s 强( 强+ 绣+ 夕) 0 最2 # kt s i n 2 ( 镪+ 馥+ 国 一s i n 仍+ b 一) r 2 一g k s i n 2 ( 仍+ q 一) 幽媛一国t 霹2 一g ：s i n 2 鸪一囝 - s i n ( 0 t + 卢) r 2 一口。2 。s i n 2 ( 只+ 声) 】 2 1 太原理工大学硕士研究生学链论文 埘t 洳蛀域k 墅竿旦塑) 一粼洲鳘警塑) + 觚s i n ( 鳘警塑卜删n ( 型警迅 ) ( 缀设蠡坞；兰矗皖，褥 峨= 高川 这群瀵囊方程扣) 胃浚鸳为： 蚣音( 巩+ 面k l 卅) 瓷k = l 额定互糯时，工终艟l 一2 预秀孤力为： ”一露蠢舞 c 娜 式中露为额宠工况瓣工 摹黢l 2 啜潼究毕麓靛内涵液翅始体积，箕 表达式为： 霹= 詈 掣吨啪s 鼬遗2 声 + e 。 s i n ( 0 1 + ) 扛i 丽而 一嘲乒忑丽m 2 鼢强( 鳘掣 一蝴每警塑冀 珏i o ) 巍k 一0 簿戆零撵瀑工况工作靛l 2 颈舞避力全靠酆穗撩芍 避高藤