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山东大学 硕士学位论文 汽车加热器用转子式燃油泵的设计与实验 姓名：张少飞 申请学位级别：硕士 专业：内燃机 指导教师：李国祥 20050425 山东大学硕卜学位论文 摘要 汽车加热器越来越多的应用在现代汽车上，为汽车加热器设计合适的 燃油泵有利于提高加热器的燃烧效率，也有利于汽车加热器的系列化、规 模化生产。本文所作的主要工作如下： ( 1 ) 通过查阅国内外文献，分析比较了各种油泵的优缺点，最后选择 摆线转子式油泵作为设计的型式。因为摆线式转子泵具有结构紧 凑、容积效率高，油压波动小等优点，能很好的和汽车加热器喷 雾雾化方式相匹配。 ( 2 ) 介绍了摆线的生成机理，并在此基础上介绍了摆线转子式油泵齿 廓的生成；归纳分析了转子燃油泵内转子的曲线参数方程，明确 了转子式燃油泵设计的主要任务是选择4 个参数：Z l ，R ，e ，a 。 ( 3 ) 根据汽车加热器所需要的燃油供给压力和油量，确定了转子燃油 泵的设计流量，在此基础上参考经验值，选择了转子泵的相关参 数，完成了转子燃油泵各部分的设计。 ( 4 ) 对转子燃油泵进行了一系列试验，验证了其供油特性满足汽车加 热器的需要，确定了在高的出油压力下，这种小流量的转子泵的 容积效率范围要比常用经验值偏小，另外通过对不同配合间隙的 燃油泵做试验，找到了不同的配合间隙对其容积效率和实际流量 的影响规律，同时发现端面间隙对燃油泵的容积效率和实际流量 影响最大。 关键词：转子燃油泵，摆线，参数方程，设计，试验。 生奎茎兰堕! ：堂垡堡壅 A B S T R A C T A l o n gw i t hm o l ea n dm o r a u t o m o b i l ea r ee q u i p p e dw i t hh e a t e r , t h en e w t y p eo ff u e lp u m ps h o u l db ed e i g n e d i no r d e rt oi n c r e a s et h ec o m b u s t i o n e f f i c i e n c ya n de x p e d i t es w e e p i n gp r o d u c t i o no fa u t o m o b i l eh e a t e r T h em a i n c o n t e n t si n c l u d ea sf o l l o w ： I R e f e t i n gt ot h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sd a t ao ff u e lp u m p B e c a u s et h e c y c l o i d a li n t e r n a lg e a rp u m p h a ss m a l lb u l k ，b u ti t sc u b a g ee f f i c i e n c yi s h i g ha n di t sp r e s s u r ew a v eo ff u e li sn o td i s t i n c t n e s s T h ec y c l o i d a l i n t e r n a lg e a rp u m pi ss e l e c t e dt od e s i g nf u rs u p p l y i n gf u e la f t e r a n a l s y i n g a n dc o m p a r i n gs o m et y p eo fp u m pw h i c ha l eu s u a l l y u s e d 2 T h ep r i n c i p l eo fc y c l o i di si n t r o d u c e da n db a s e do ni tt h ee x t e r n a l i t y o fr o t o ri sa n a l y s e T h ee q u a t i o no fr o t o re x t e r n a l i t yc u r v eo fi n t e r n a l g e a rp u m p i se s t a b l i s h e d A tl a s tt h ec o n c l u s i o ni sa c q u i r e dt h a tt h e s h a p o f r o t o r e x t e r n a l i t y i sd e c i d e d b y f o u r p a r a m e t e r S ：Z l ，R ，e ，a 3 B a s e dO nt h eh e a t e rf u e lp r e s s u r ea n df l u x ，t h ef l u xo fp u m pi sc o u n t e d R e f e t i n gt oe x p e r i e n c ed a t a ，s e l e c tt h ep u m p Sp a r a m e t e r sa n df i n i s h t h ed e s i g no ft h ew h o l ep u m p 4 T h ei n t e r n a lg e a rp u m pi st e s t e db yas e r i e so fe x a m i n a t i o n T h ep u m p i sv a l i d a t e dt h a ti tC a na p p e a s et h ea u t o m o b i l eh e a t e r T h ep u m p S c u b a g ee f f e n c yi sp r o v e dt ob el o w e rt h a ne x p e r i e n c ev a l u eu n d e r t h e h i g he x i tf u e lp r e s s u r e T h er u l et h a tt h et h r e et y p e so f a s s o r tg a pi n f e c t o na c t u a lf l u xa n dc u b a g ee f f i c i e n c y I ti sf o u n dt h a tt h ep u m p Sa c t u a l f l u xa n dc u b a g ee f f i c i e n c yd e c r e a s em o r eq u i c k l yu n d e rt h ei n f l u e n c e o ff l a n ka s s o r tg a p K e yw o r d ：i n t e r n a lg e a rf u e lp u m p ，c y c l o i d ，p a r a m e t e re q u a t i o n ，d e s i g n ， E x a m i n a t i o n 山东大学硕I 。学位论文 主要符号表 6 ，：外转子与壳体的径向间隙 D ：外转予外径 6 。：端面间隙 a ：外转子齿形圆半径 B ：转子的宽度( r a m ) R ：创成圆( 齿形均布圆) 半径 Ao ：一齿扫过面积( m m ：) ： r ：外转子齿顶内切圆半径F 一内摩擦力( 运动阻力) N Z ：外转子齿数 u 流体的粘性系数( P a s ) L ：外转子齿根圆( 亦称限制圆) I l ，：容积效率 半径 N ；：输入功率( w ) p - ：内转子齿顶圆半径( 亦称长 ：输出功率( w ) 半径) P ：泵的进出口压力差 p 。：内转子齿根圆半径( 办称短 ( P a ) 半径) n ：内转子转速 Z - ：内转子齿数 Q ：流量 K ：短幅系数 H 。：柴油低热值 6n ：内外转子的啮合间隙( 齿 P ：加热器设计功率( k w ) 顶间隙) ，咒，：燃油流量率( K g ，1 1 ) 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：呈友卫区日期：丞堑：z i 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权 山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者繇礅翩繇砰眺地7 口 山东大学硕十学位论文 第一章前言 1 1 研究汽车加热器油泵的意义 1 1 1 汽车加热器的介绍 汽车加热器是在低温环境下通过消耗燃油为汽车供热的独立加热装 置。如图1 - 1 所示，汽车加热器由供油系统、燃烧系统、配风系统、换热 系统和控制系统组成。燃油由供油系统喷射到加热器的燃烧室内，与空气 混合燃烧，产生的热量由燃烧室外换热器中的换热介质传递到应用的场合。 T 专w 1 主风扇2 P C B 元件( 带温度传感器)3 助燃风扇4 电热塞5 过 热传感器6 燃烧室7 火焰传感器8 热交换器9 外壳1 0 法兰密 封垫1 1 油管1 2 电机1 3 助燃风口消音器1 4 排气管1 5 电磁泵1 6 过滤器1 7 保险丝2 5 A1 8 电流调节器1 9 控制器2 0 操作开关2 1 加 热定时器F = 新鲜空气V = 助燃空气B = 燃油w = 热风A = 废气 图卜1 空气加热器剖视图 汽车加热器的作用主要有以下几个方面：( 1 ) 降低汽车冷气懂事的有 害排放。采用汽车加热器能够提高壁温改善雾化质量，减少着火前的空循 环次数，降低C O 、H C 和微粒的排放水平。( 2 ) 有效解决低温启动困难问 题。柴油机在一5 式冷启动比较困难，而在2 0 下，常规启动几乎不可能。 采用加热器可以是柴油机在- 4 0 的低温下一次启动成功。( 3 ) 汽车采暖。 在低温环境下为车厢供暖。( 4 ) 除霜。加热器的热水为除霜器供热，使除 山东大学硕士学位论文 霜器不断在玻璃内表面喷出热气，保证玻璃内表面清洁透明，提高驾驶安 全性。( 5 ) 延长发动机寿命。减少了冷启动对发动机的冲击和磨损。( 6 ) 节能。发动机启动后，依靠自身预热，由于排气能量损失和驱动附件能量 损失，燃油热效率低；采用加热器预热，热效率高( 8 0 以上) 随着经济的发展和生活水平的提高，汽车加热器已成为现代汽车的重 要附属系统作为附属系统。目前，欧美日等发达国家生产的各种汽车以将 空调器和加热器作为必备的附属系统。夏天开空调，冬天就供暖气。在欧 美，甚至将卡车和运输车是否装有空调器和加热器上升到是否关注劳动者 人权的程度。司乘人员( 劳动者) 在装有加热器的车辆上工作是保证工作 的基本权利，另外，乘客在冬季乘车旅行必须保证取暖也是其基本要求。 民用车装备加热器能够有效解决低温环境下的冷启动问题，提高发动机工 作寿命，特别是能显著降低发动机冷启动和暖机过程中的有害排放物水平， 对于环保法规日益严格的今天，意义重大。在欧洲汽车为达到欧m 和欧 排放法规，加热器已成为轿车的必须装备，因为实行欧和欧排放法 规后，不仅是在有害排放指标上更加严格，而且测量方式也有了显著调整， 对冷启动过程排放权重的加强使得采用加热器成为首选措施。 9 0 年代前，国产汽车几乎全没有配置加热器，近年来，通过进口汽车 人们在逐步认识了汽车加热器。通常，我国北方地区冬季为保证汽车冷启 动采取的措施主要是缸套内灌开水、加热进气、采用启动液或采用喷灯烧 烤。这些措施往往越在严寒环境效果越不理想，而且应用不方便，有的还 会加剧冷启动是发动机的冲击磨损以及有害排放，甚至引发不安全事故。 我国东北和西北地区车辆的低温启动难的问题，一直比较突出，但目前的 解决方法都不理想。加热器则是通过对发动机水套内的冷却水或启动液加 热来使发动机整体预热，因而可靠、方便，具有显著优势。另一方面，我 国北方地区冬季室内均设计采暖设备，那么在其主要交通设施内配备加热 器就不但是必需的，而且是社会发展的必然。最初我国东北地区出现的解 决冬季取暖的办法是将发动机排气管加长通过车厢，这种做法的弊端首先 是由于排气管加长，排气阻力增大是的排气背压上升，造成发动机内残余 废气系数增大，动力性经济性下降，特别是使排气中的C O 、H C 和微粒等 2 山东大学硕士学位论文 有害物排放水平上升，是排放法规热一严格的今天所不容许的；其次由于 排气管贯通车厢，引起司乘人员C O 中毒或引发交通事故等，这都是安全 之大忌。后来又出现改进型，即在发动机排气管上安装回热器，以从排气 管上吸取热量供暖，这种方式对于长期在市区内运行的车辆显然是不足取 的，因为发动机在低工况运行和经常处于怠速时，排气温度低，排气中可 回收的热量不足以给车厢供暖。而这些方式都不能解决汽车的冷启动问题， 经常出现的车辆野外中途偶然熄火，随排除故障，但由于发动机体温下降 而不能再启动，使司乘人员由于寒冷而造成伤害事故。这些现实既说明了 现在尽快开发加热器产品的必要性，又显示了加热器产品在国内汽车行业 的巨大潜在市场。 根据目前国内加热器的市场状况，仍然是以客车和城市公交车以及军 事用车配套为主。在此领域内，对加热器热功率的要求呈越来越大的趋势， 热功率在2 5 K W 以上的加热器订货量大幅上升，而目前国内仅开展生产的 离心雾化式加热器只适合于2 4 K W 以下的加热器，当功率超过2 5 K W 时， 由于油量比较大，雾化不良就会出现冒黑烟和集油网烧损严重等问题，已 不能满足大功率加热器的技术要求。喷雾雾化式加热器由于燃油跟空气混 合充分，燃烧完全，热效率高，有害排放少，所以要重点研究喷雾雾化加 热器来满足大功率加热的需要。 1 1 2 喷雾雾化式液体型加热器对燃油泵的要求 燃油供给系统是汽车加热器中重要的组成部分，燃油供给的方式直接 决定加热器的工作性能。从汽车加热器的燃油供给方式上，加热器分为喷 雾雾化式、离心雾化式和挥发雾化式三类。他们的供油方式各不相同，供 油方式如下： ( 1 ) 挥发雾化式汽车加热器：燃油滴落到燃烧室头部的金属丝网 上，然后挥发并与空气混合燃烧。此方式适合于加热功率较 小的场合( 热功率在1 2 K W 以下) ；这种加热器对供油系统 的要求不是很高，采用流量很小的低压电磁泵就可以满足要 求。 ( 2 )离心雾化式加热器：由燃油泵将燃油滴落到以高速旋转的甩 山东大学硕七学位论文 油盘上，通过离心力作用将油雾化并与空气混合燃烧；此方 式适合于中等热功率加热器( 热功率在9 - 2 4 K W ) 。这种加热 器采用低压油泵。 ( 3 ) 喷雾雾化式加热器：燃油通过喷嘴喷射到燃烧室，在较高压 力下雾化并与空气混合燃烧；此方式适合于热功率较大的加 热器采用( 1 5 K W 以上) ，目前国外的汽车加热器多采用这 种方式，。1 喷雾雾化方式需要高压油泵。 1 1 3 研究汽车加热器燃油泵的意义 通过对不同雾化形式的汽车加热器对比分析，对于适合大功率场 合的喷雾雾化式汽车加热器，需要能够提供较大压力的燃油泵，以利于燃 油的喷射雾化；同时还需要油泵提供足够的供油量，以满足大的加热功率 的需要，而这就需要选择或者是设计合适的油泵。 在设计喷雾雾化式汽车加热器的燃油泵时，有好多型式的泵可供选择， 美国水力学会标准中，仅对旋转容积泵就列举了1 2 种型式，包括常用的偏 心轮柱塞泵、齿轮泵、转子泵、螺杆泵等型式。跚参照国内外应用类似场 合的经验，可选择的形式主要有四种： 八子腔对啮式齿轮泵：考虑到油泵要与风机使用同一电机驱动，而为了 保证小尺寸风机较大的风量和电压，电机必须是高转速，所以 满足要求流量关系的齿轮泵尺寸较小、模数小。如德国埃贝公 司的喷雾式加热器，其油泵为齿轮泵，齿轮外径只有l l m m ，模 数为0 6 。这种小齿轮还要在承受l O b a r 的情况下高速对啮，因 此强度和加工精度要求高，国内难以组织生产，即便能够生产， 造价也很高。 电磁泵：目前国产离心式加热器油很多也采用电磁泵，但是离心式加热 油泵供有压力较低，只有I B a r 左右，而当高压时，电磁泵的工 作寿命就大大缩短，故障率显著提高；而且与机械式相比，电 磁泵自行稳定能力差，机械式油泵一般设有调压弹簧可保证出 油口压力较恒定，而电磁泵磨损后，压力下降较快。另外压力 较高的电磁泵，一般要进口，价格较为昂贵。沈飞汽车制造有 4 山东大学硕士学位论文 限公司生产的S R 6 5 0 旅游车所采用的中外合资生产的“三国” 牌加热器就采用了电磁泵。 柱塞泵：柱塞泵可以提供较高的出油压力，但是在相同流量下，其传动 部件多，结构复杂，柱塞偶件加工成本较高；另外由于其往复 式工作方式使供油压力波动太大，很难与现在的燃烧器的喷嘴 相匹配。 转子泵：转子泵的内外转子转向相同，比较适合于高速运转，具有运转 平稳、体积小、噪音低、压力脉动小、自吸性能好、容积效率 高等特点。内外转子齿间接触应力接触相对较小，可采用粉末 冶金技术加工转子，成本可大大降低，仅转子一项，可使价格 从对啮式齿轮的每对5 0 元下降到5 元左右，大大节省了成本， 提高了产品市场竞争力，故本设计采用了转子泵。 1 2 转子式燃油泵研究的国内外现状 转子式油泵通过内外转子的啮合，完成泵油过程。从内外转子的齿廓 形式来分又分为渐开线式和摆线式两种形式。如图1 - 2 所示： ：空蓄孟：岔蓄孟3 月牙形隔板 ( a ) 4 ；：蓥籍孟；：蜜嚣孟 ( b ) 图1 - 2 渐开线式齿轮泵与摆线式内啮合转子泵结构比较 从结构上看，渐开线式内啮合齿轮油泵要借助月牙形隔板来形成压 油密封腔( 图1 - 2 ，a ) ，比摆线式转子油泵结构复杂。摆线内转子齿廓的左 2 山东大学顾十学位论文 右齿面为一条连续的曲线，而渐开线齿轮齿廓的左右齿面是彼此独立的曲 线。渐开线齿形会出现困油现象，齿轮泵的噪声大；摆线式转子泵，采用 短幅外摆线的内等距线与圆弧配合，不会产生困油现象，性能较渐开线式 的好，降低了噪声，减小了振动，功率损耗小。8 “6 1 随着转子加工技术的不 断提高，摆线式转子的加工成本也不断下降，因此选用摆线式转子泵作为 汽车加热器的燃油泵。 摆线内啮合转子泵是一种先进的燃油泵，它具有体积小、重量轻、吸 入性能好、流量脉动小等优点”1 ，被广泛用于化工、汽车、石油、机械以及 各种精密仪表上，作为流体输运动力装置，特别适用于输送有高精度计量 要求的流体。由于本设计的目的是为汽车加热器提供流量小( 每小时数升) ， 转速高的燃油泵，所以主要参照国内外被大量应用于中小型内燃机上的机 油泵或燃油泵的选型设计。通过查阅相关文献铆，可以知道国外对转子油 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转子泵的模型，并在专门的模拟软件 ( A M E S i m ) 进行系统的模拟，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、负荷特性、角速度和流体 特性任意改变，利用软件进行快速模拟，大大加快了转子泵的设计进程。 在材料上，根据使用场合的不同，转子元件采用合金钢、粉末冶金；在制 造工艺方面由于数控机床和加工中心以及专门的计算机辅助制造软件的出 现，大大提高了对复杂转子齿轮齿廓的加工能力和加工精度。例如利用以 色列的C E M T R O N 计算机辅助制造软件，很快就可以设计出转子泵的模具， 并转化成计算机程序传给加工中心把它加工出来。国外有不少公司在中小 功率柴油机上采用转子式机油泵，例如英国的泼金斯( P e r k i n s ) ，美国的福 特公司( F o r d ) 等。另外用于汽车的新型燃油泵也不断设计出来，但是由 于燃油的自润滑性能差，泵的磨损也比较大，国外对燃油泵的磨损也作了 大量的试验，力求找到好的燃油泵润滑性能模拟评价方法。“”“” 我国从本世纪5 0 年代初期开始设计摆线式转子泵，在农机、汽车、水 产、矿山、建工、军工等机械上获得应用。以前我国生产的转子泵由于工 艺水平的限制，生产出来的转子泵齿形精度不高，影响了转予的使用寿命 6 山东大学顾十学位论文 而且泄漏量大，容积效率低。“2 1 我国于1 9 6 0 年开始在农用柴油机上是有转 子式油泵。1 9 6 6 年至1 9 7 7 年进行了转子机油泵粉末冶金转子的系列产品实 际、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，设计研制了共有3 种齿数比( 4 ：5 ，5 ：6 ，6 ：7 ) 6 种规格的转子，初步形成了一个新的具有多种齿数比的系列型谱。研制的 机油泵系列产品在材质、工艺和制造精度上都有很大提高，使用寿命可达 6 0 0 0 小时以上。“3 1 随着计算机辅助设计“4 1 和计算机辅助制造技术“”水平的 提高，以及线切割“”等先进加工工艺在磨具制作上应用，现在国内转子式 机油泵的无论从工艺和设计上都已经非常成熟，在汽车，摩托车上得到大 量应用。“” 目前国内又J Z S 系列J B Z 系列转子泵系列型谱，当用户所需流量处于 型谱之内时，只需选择适合自己流量的转子配上自己的泵体即可，大大节 约了开发研制成本。但上述型谱转子泵的工作流体为机油( 粘度较高，自 润滑性能好) ，且设计转速和压力分别低于4 0 0 0 r m i n 和O 6 M p a 。对于汽车 加热器所用的转子式油泵，因为流量在型谱之外，其各参数如何确定，尚 未见到系统详尽的设计资料。 1 3 课题需要解决的任务 本课题承担的足液体型汽车加热器转子式燃油泵的设计与试验任务。 本论文的主要研究内容有： ( 1 ) 设计转子式燃油泵，能够满足汽车加热器燃油供给的需要；并 为设计转子泵型谱外的小流量，高转速燃油泵提供一种思路。 ( 2 ) 对转子式燃油泵进行试验，验证所设计的燃油泵的工作性能是 否满足加热器需要，各参数选择是否合理。 ( 3 ) 通过试验，找到各参数影响转子式燃油泵工作性能的规律，对 比各参数影响的大小，指出燃油泵进一步的设计和改进方向。 7 山东丈学硕七学位论文 第二章摆线式转子泵的齿廓与参数方程 2 1 转子泵齿廓形式的选择 转子泵是通过偏心配置的内外转子在转动过程中，内外转子齿间形成 的密封空间的容积不断改变，来完成吸油和排油的。工作原理如图2 1 所 示： lc I C D I 图2 - I 转子泵工作原理图 内外转子同向顺时针旋转，在旋转过程中，右侧任意两齿问的密封 面积( 平面) 空间越来越大，燃油不断进入，到达底部中线位置后面积最 大；在转到左侧后，两齿之间的密封面积又越来越小，燃油油不断排出， 直到转到顶部中线位置时，密封面积又最小( 几乎为0 ) ，油全部排出“。 在燃油泵完成吸油排油的过程中，我们最关心的是两个问题：一是两 齿之间密封空间的密封问题；另外就是两齿之间的磨损问题。我们要求转 子泵的内外转子之间的啮合性好，这样它的容积效率就高，同时也要求它 们之间相对运动轨迹合理，耐磨损。 。 采用摆线式的内转子齿形形廓就可以很好的解决这一问题，内转子齿 8 山东大学硕十学位论文 廓外形为摆线，而外转子的齿形曲线为圆弧，这样内外转子在旋转时内外 转子之间是一段无间隙啮合的共轭曲线“”，保证了很好的密封性。同时由 于内外转子同向转动，传动比为内外转子的齿数之比，而转子泵的内外转 子之相差1 齿，所以尽管其转速很高，但内外转子之问的相对速度却很低， 因此理论上磨损也较小。汹3 摆线转子泵以其结构紧凑、体积小、运转平稳、 噪音低、不易产生“气穴”、容积效率较高等优点而被得以广泛应用。 摆线转子泵的轮廓曲线是摆线的一种特殊形式，为了了解摆线转子泵 的齿廓形成原理，首先要了解摆线的形成及参数方程。 2 2 摆线及摆线参数方程 所谓摆线是当一半经为r 卫的滚圆( 也称动圆、发生圆或生成圆) 沿着 一定直线( 如图2 2 中的X 轴) 做纯滚动时，其滚圆圆周上某一点E 所画 出的平面曲线称之为摆线，也叫做普通摆线或平线( 见图2 。2 ) 。摆线具有 等时性和最速降性。吼1 图2 - 2 定直线上摆线的形成 半径为r g 的滚圆上的点E 由起点0 开始滚动一周便产生一拱摆线，其拱 宽为2 nr g ，而拱高( 或称幅高) h 2 r g 。因为滚圆做纯滚动，因此其滚过的弧 长应该和滚过的定直线距离相等，因此有方程： ( f s i nr ) ( 1 ) 0 ( 1 一c o s t ) 如果将产生摆线的点到滚圆圆心0 3 的距离设为e ，显然对于普通摆线 有e = r g 。若e r g ，其幅高( 1 l 2 r g ) 长于普通摆线的幅高，故该摆线叫作长幅普 通摆线。短幅和长幅普通摆线亦称作次摆线。 长幅普通撂线普通摆线 、- 短幅普通女 、 ，一 妒 一o 、，。 一 、 。孓 2 1 1r C 图2 - 3 定直线上各种摆线的形成 如图2 - 3 所示，可以得出摆线的参数方程为 I 工2 f e s i n t = r s ( t k s i n t ) 【y = 一e c o s t 2 l k C O S t ) 式中：t ：滚圆沿定直线的滚动角 e ：动点到滚圆圆心的距离 k ：k = e r g ( 短幅系数) 1 0 图2 - 4 外滚法各种外摆线的形成 山东大学硕十学位论文 如果将滚圆沿一半径为R J 的基圆( t g 称定圆或导圆) 的圆外侧滚动，便 会产生如图2 - 4 所示的各种( 圆) 外摆线。长幅与短幅外摆线也称外次摆线。 以上的各种次摆线还统称为变态摆线。 2 3齿轮泵内转子齿廓的形成 内转子的齿廓形线是由短幅外摆线而来。当滚圆由图2 - 4 中0 。位置以 顺时针方向沿半径为L 的基圆滚动一个周长到X 轴位置时，该滚圆内距如 为e 的点N ( o ) 则画出一拱短幅外摆线，其幅高h = 2 e ( 见图2 - 4 中O 。：位置) 。 沿短幅外摆线上取若干点为圆心，并以a 为半径画若干圆，这些圆的内侧的 包络线即是内转子的一个齿廓。该齿廓与短幅外摆线平行等距离，其等距值 为8 。又因它处在形成包络线的一组圆的内侧，故称该齿廓为短幅外摆线圆 内等距线胁1 。同理，若在这组圆的外侧绘出包络线则称为短幅外摆线的圆外 等距线。上述一组圆的半径a 正是外转子的齿形圆半径。由图2 4 可见，若 将内转子的齿廓向短幅外摆线逐渐地等距靠拢，这就意味着外转子齿形圆 的半径a 在逐渐减小，当齿廓与短幅外摆线重合时，此时a = O ，齿形已不存在， 即齿形圆缩成了一点，显然点是无法进行传动的，也就是说a 要大于0 才能 产生外转子的齿形，因此相应的内转子齿廓就必须用短幅外摆线的内等距 线。若采用普通外摆线的等距线，则会因普通外摆线两拱之间存在尖点( 见 图2 - 4 中0 。与0 。线上的E 点) ，而使普通外摆线的等距线齿廓也易产生尖点， 因此在传动中会产生冲击。而长幅外摆线则在两拱连接处出现了交叉。所 以普通外摆线与长幅外摆线均不宜用作齿廓曲线。只有短幅外摆线在两拱 连接处有一段过渡圆弧，因此传动时比较平稳，冲击小。故目前摆线转子泵 的内转子均采用短幅外摆线作为内转子的理论齿廓曲线。然而并非是任一 短幅外摆线均可作为内转子的理论齿廓曲线，它是有一个合理的取值范围 的。为便于评价，人们引入了一称之为短幅系数的特征参数K 其定义为 K = e r 。可以看出，O K I 。在极端情况下，当K = O ，即e = O 时，其内转子理论 齿廓曲线变成为滚圆中心点0 3 的运动轨迹，此时只是一个基圆的同心圆( 参 见图3 ) ，而已不是摆线：若使K = I ，即e = r 。，此时内转子的理论齿廓曲线已成 为普通外摆线，而非短幅外摆线。实践和理论证明，当K = O 5 O 7 5 时，摆 线齿廓的承载能力最大，磨损最小。因普通外摆线、短幅外摆线与短幅外摆 山东大学硕十学位论文 线的内等距线( 即内转子的齿廓) 是对应的，那么因内转子的齿数z 。是整数 且是均布的，所以普通外摆线、短幅外摆线也应是完整的，并分别以基圆和 圆G 以Z 拱均布。当在大于基圆以半径为r J + ( r , - e ) 的圆G 上作出z 。拱短幅 外摆线后，便可用上述包络线法画出整个内转子的齿廓，即工作齿廓( 也称 实际齿 基圆滚圆中心轨迹线外转子齿型圆滚圆短幅外 摆线( 理论齿廓) 短幅外摆线内等距线( 工作齿廓) 图2 5 内转子齿廓的形成 廓) ，通常把短幅外摆线称作内转子的理论齿廓，而将图2 - 5 中的以点0 4 为圆 心半径为a 的圆弧称为外转子的理论齿形。由上述己知，半径为r 。的滚圆在 半径为r ，的基圆上自滚一个周长便产生一拱摆线，即相应一个齿廓。也就是 说，若基圆上对应有Z 个齿廓，其滚圆在绕基圆公转一圈后应自转Z 个周 长。图2 5 中0 。为内转子齿轮中心，晚为外转子齿轮中心，O 。0 2 = e 为内、外转 子偏心距，R 是外转子中心到外转子齿形圆中心的距离，称创成圆( 外转子的 齿形圆均布圆) 半径。根据图2 5 可以建立起内转子工作齿廓的直角坐标参 山东大学硕t 学位论文 数方程： XR c o R c o R c o R c o 十e C o S e C O S e C O S e C O S 一d a + B Z 。B + Z 。+ 1 ) = R c o sB e c o s Z 2 B Y = R s i n B e s i n ( 一a 一6 ) = R s i n B e s i n ( a + B ) = R s i n B e s i n ( Z 2 B ) 式中：d ；滚圆滚过的弧度 8 ：基圆被滚过的弧度 因为r 。d = r j B ，所以Q = r j r 。B = Z ，B 以短幅外摆线上任一点N 为圆心的外转子齿形圆方程为 ( X - X 。) 2 + ( y - - y ) 2 = a 2 ( 4 ) 式中x ，Y 为外转子齿形圆圆周上的点的坐标，根据摆线性质，外转子齿 形圆与内转子工作齿廓的啮合点不仅在该圆上，且同时还在短幅外摆线的N 点的法线上，其法线方程为 器c 工训+ 努c y 嘞瑚 联立方程( 4 ) ( 5 ) 得 X = 石 口碧 Y = Y 肛 口鲁 ( 5 ) ( 6 ) 1 3 山东大学硕十学位论文 式为 将式( 3 ) 代入式( 6 ) 整理可得外转子齿形圆包络线的直角坐标参数方程 州s f l - - e C O S Z 2 雕嚣啬筠 ( 7 ) 州心n f l - e s i n Z 2 肌意筹端 式( 7 ) 中，上面的一组正、负号表示外转子齿形圆外侧的包络线方程式， 而下面的一组负、正号则表示外转子齿形圆内侧包络线的方程式，亦即内转 子工作齿廓曲线方程式，因而内转子工作齿廓曲线的直角坐标参数方程式 为 州胁s 即础栅一带嵩豢 ( 8 ) 州心n f l - e s i n 珈书等端 在实际绘制内转子齿廓时，只要确定了e 、R 、a 和内、外转子的齿数z 、 Z ：( z ：= z ，+ 1 ) 后，便可由内转子齿廓参数方程( 8 ) 计算出任一9 角时w 点的x 、 Y 直角坐标值，从而得到内转子的齿形曲线。 随着A u t o c a d 等计算机辅助设计技术的发展，不但可以把参数方程中， 转子泵的相关参数输入到计算机，利用软件很快得到设计样图；嘲而且 可以借助先进的C A D ，选择合理的配合间隙和生产工艺，开发出大量的可互 换的摆线内外转子。 2 4 外转子齿廓的形成 因外转子上的各段曲线均为圆弧( 见图2 - 4 ) ，故齿廓的形成比较简单。 先以R 为半径画出创成圆，将创成圆以z 。均分，再以均分点( 即图4 中氓) 为 圆心，以a 为半径向外转子中心0 2 方向画出乙个齿形半圆：然后以外转子齿 根圆半径L 作圆弧与各齿形半圆相交便可产生出外转子齿廓。 L = p 。+ e + A ，p 。为内转子中心0 。到内转子齿顶的距离，称内转子齿顶圆 1 4 山东大学硕t 学位论文 半径：是内转子齿顶与外转子齿根之问所留的间隙。 有的转子为了消除a 与L 相交后在外转子齿根形成的尖角，而用- d , 圆弧与 a 、L 圆弧相切( 见图5 ) ，这样可以减小油压的波动和延长转子的寿命”。不 过该过渡圆弧的半径不能太大，其前提是应保证外转子齿根与内转子齿顶 不发生干涉现象。 图2 - 6 齿根无尖角的外转子 2 5 小结 ( 1 ) 介绍了摆线式转子泵的优点，并从理论上分析了其啮合特性。 ( 2 ) 将各种摆线的方程及定义进行了系统归纳，较详细的阐述了内转子 摆线齿廓的形成过程，并整理建立了内转子齿廓参数方程。 ( 3 ) 明确了下一步的设计任务：根据泵的工作要求，选择合适的参数 代入到参数方程中，就可以得到内转子的齿廓曲线。 山东大学硕卜学位论文 第三章转子式燃油泵的设计 3 1 设计思路 由于摆线式转子泵具有结构紧凑，噪音低，容积效率高等优点，所以 在汽车加热器燃油泵的型式选择上，确定了摆线转子泵。通过前一章的分 析，明确了转子泵的主要设计任务：根据需要选择合适的结构参数，然后 把相关参数代入参数方程就可以得到所需齿廓曲线，在此基础上设计转子 燃油泵其他组成部分。 要确定转子式油泵的结构参数，首先要选择或者计算出燃油泵的供油 压力和实际供油量。然后根据供压力和实际供油量来推算燃油泵的所需的 理论供油量，根据理论供油量以及转子式油泵内外转子自身参数之间的相 互关系，以满足供油量、供油压力为目的，进行优化设计，达到以下设计 目的。 ( 1 ) 能够满足供油特性的需要，提供足够的供油量和供油压力，并 有一定富裕量，以满足工况波动需要。 ( 2 ) 保证合适的尺寸、转速，使转子式燃油泵能够和汽车加热器配 套使用。 ( 3 ) 在实现前面两条要求的基础上，有较高的容积效率、机械效率。 3 2 转子式燃油泵的供油要求 由于喷雾化式加热器的燃烧方式是将燃油通过喷嘴向燃烧室喷射雾 化，并与空气相混合进行燃烧。这就必须要求燃油泵提供的足够的压力以 使燃油能够从喷嘴中喷出，汽车加热器的燃烧器的设计借鉴燃油锅炉燃烧 器的成熟应用经验，所用喷嘴也与其相匹配。因为燃油锅炉燃烧器出油压 力为I M P a ( 约1 0 公斤，平方厘米) ，以其为参照选定转子式燃油泵的出油压 力为0 8 1 2 M P a 。 衡量油泵流量的参数有四个： 转排量：不考虑转子泵的泄漏损失，转子转一周，由其密封容积几何 尺寸的变化计算得出来的排出液体的体积。 理论流量：不考虑转子泵的泄漏损失，转子泵单位时间内由其密封容 积几何尺寸变化计算出来的排出液体的体积。 1 6 山东大学硕士学位论文 实际流量：考虑转子泵的泄漏损失，转子泵在实际压力下单位时间内 排出的液体体积。 额定流量：考虑转子泵的泄漏损失，转子泵在额定压力下单位时间内 排出的液体体积，额定压力一般大于或等于实际压力，才能 满足实际需要。这是转子泵铭牌上的一个重要参数。 在确定燃油泵的流量参数时，应该先确定其实际供油量，再根据经验 的容积效率、机械效率推算出理论流量，根据理论流量以及转子各参数之 间的相互关系，确定出油泵的相关结构参数。 而流量参数中的转排量，在转子参数确定后，可以求出；转子泵的额 定流量则是在燃油泵设计出来后所要达到的流量，额定流量的标定需要经 过试验确定。 本设计中，转予式燃油泵的实际流量应该等于汽车加热器燃烧器的实 际燃油量： m ，2 3 6 0 0 x P x H u 式中m f ：燃油流量率( K g ，1 1 ) J P：加热器设计功率( k w ) n 。：加热器效率( 一般取O 8 ) H 。：柴油低热值( 4 2 4 9 6 k J k g ) 以设计功率为2 8 k W 的加热器为例，其实际燃油流量约为3 升小时；但是 考虑到泄漏、磨损以及供油稳定等因素，其设计流量要远高于实际流量。 3 3 摆线转子式燃油泵的设计 3 3 1 转子的设计 转子燃油泵的内外转子的设计，是整个燃油泵设计中的最主要的部分， 只要内外转子的结构参数确定了，其他的参数也就随之而定。根据转子泵 的理论流量公式可以看出，在同样满足流量的情况下，转子泵的内外转子 可以有很多种组合。我国目前有j z s 和J B Z 两种转子泵型谱，如果所要设 计的转子在型谱之内，可以根据型谱选择合适的转子，然后配上自己设计 1 7 山东大学颐十学位论文 的泵体就可以了，工作量会大大减轻。但是由于汽车加热器所需燃油流量 很小，在l 一5 L h 之间，转速又很高，所用转子泵不在型谱之内，因此只 能自己设计。 内外转子的结构尺寸的合理选择，不仅关系到转子泵的体积，也关系 到到其配合间隙，相对转速等方面，对其容积效率和磨损都有不可忽视的 影响。因此在选择内外转子的半径，齿数，偏心距等参数时，不仅要根据 流量公式，还要根据它们之间的相互关系，参考经验值，科学合理的进行 选择。 3 3 1 1内、外转子结构参数名称及相互关系 图3 - 1 中( a ) 、( b ) 为一内、外转子啮合关系图，由图可见，内、外 转子的中心0 ，与如之间有一偏心距e 。一般内转子为主动齿轮，通常4 8 个齿夕h 转子是从动齿轮，比内转子多一个齿，相应为5 9 个齿。外转子的 参数有： a ：外转子齿形圆半径 R ：创成圆( 齿形均布圆) 半径 L ：外转子齿根圆( 亦称限制圆) 半径 r ：外转子齿顶内切圆半径 D ：外转子外径 Z ：外转子齿数。 内转子的参数有： p 。：内转子齿顶圆半径( 亦称长半径) p ：内转子齿根圆半径( 亦称短半径) Z ：内转子齿数( Z I - Z r l ) d o ：内转子传动轴孔径。 由图3 - 1 ( a ) 和( b ) 内、外转子两个特殊位置可得内、外转子各参数的关系式 如下： R = a + P 2 + e 2 a + p I e = a 卅一2e 山东大学硕 学位论文 = a 十r 2 r j Z 2 = r jZ 2 Z l = r J i ( i 为转速比) 由图3 - 1 ( a ) ( b ) 内外转子两个特殊位置可得内外转子各参数的关系式 如下： e = ( p 广p2 ) 2 = r 2 - r l = r - Z - = r z z 2 i = n ：n ( r 1 、n ：分别为内、外转子的转速) = Z 。Z 2 t2 = R - a 。： L = P + e 内、外转子是有啮合间隙的，以上几何关系式中没有考虑。在对应于图 3 - 1 ( a ) 中 - 。位置的内转子齿顶与外转子齿根实际应有一间隙，该值与转 子直径的大小和加工精度有关，大约为0 0 3 0 5 0 m m ，当考虑此间隙时， 则L = p l + e + A 。 3 3 1 2 转子参数的确定 流量计算 图3 - 1 ( b ) 中所示A 。为内、外转子两相邻啮合点问最大包容面积，而图 3 - 1 ( a ) 中所示虬。则为最小包容面积。最大包容面积A 。与最小包容面积A 。 之差称为内、外转子两相邻啮合点间最大有效包容面积，也称( 内转子) 一齿 扫过面积。若用A 。表示，则有A 。= A 。一A - 。此时油泵每分钟的几何流量( 即理 论流量) Q o 为汹1 ： Q o = A o B Z n 。1 0 4 ( L m i n )( 1 ) 式中O o ：几何流量 z ，：内转子齿数 B ：转子的宽度( m m ) 1 9 山东大学顾十学位论文 n ，：内转子转速( r m i n ) 凡：一齿扫过面积( 咖2 ) ； 因内、外转子的齿廓曲线比较复杂，欲用数学方法精确地计算A 0 值十 分困难，有时也显得没有必要，因此常用作图法和近似计算法求解。作图 法是将图放大若干倍“数方格”求之。近似计算法使用较多的公式为 肛( p 。乙p 0 z 。( 2 ) 式( 2 ) 的误差约为2 4 ，将其代入式( 1 ) 得 O o - ( p 卜p2 2 ) B n 1 0 1( L m i n )( 3 ) 理论流量是不考虑油液被压缩及泄漏等因素的影响，而仅由转子几何 参数决定的流量，它是表征转子泵工作能力的主要参数。也是确定内、外转 予几何尺寸和齿形参数的重要依据。而在实际泵油的过程中，其实际泵油量 的大小，除与转子的 靡惑 巡勖 、- 。 ， 1 宅羹鳞 f 汹l I 】 i - 位置I b 】 眦雌 移 铀I 目转予步I 转手 图3 - 1 转子示意图 几何参数有关外，还与转子的转速、油压的高低、油液的粘度、内外转子的 径向啮合间隙和轴向端面间隙的大小等有关。在考虑到压力、泄漏等因素 山东大学硕士学位论文 的影响之后，其实际供油量Q 应为 Q = B ( p 。2 一p ：勺r l 。q ，1 0 。6( L m i n ) ( 4 ) 式中r l ，为泵的供油效率，也称容积效率，它是压力为P 时的输出流量 ( 实际流量) Q 与油泵的输出几何流量( 理论流量) Q 。之比，即I l ，- Q Q 。目前 国内不少文献称r l ，约为0 8 0 O 9 0 ，这可能是国内此类泵大都用作机油 泵且压力较低之故。n ，的高低除受流体粘度、转子端面及啮合等处配合 间隙的大小影响外，r l ，随输出压力P 的增大而迅速下降。当作为柴油等粘 度较低的流体泵时，下降更甚。以作者最近对柴油泵所作的实验来看，尽 管转子端面间隙和径向齿隙均远远小于目前国内机油泵标准的规定值， 但当压力达I M P a 时，其n ，在0 6 以下。所以n ，的选取应根据泵的用途、 配合间隙、所能达到的加工精度及其使用条件等确定。当压力较高、粘 度较低、问隙较大时取小值，反之取大值。 油泵流量的确定 R 暖 酱 舞 油泵蒎量 图3 2 油液流量与压力、油路阻力关系 流量和压力是油泵的主要参数。由图3 2 可见1 ，在同一转速下，当 油泵出