机械毕业设计--汽油泵机械部分设计.docx

毕业设计说明书家用汽油机轿车电控供油系统汽油泵机械部分设计6636学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 20*年 *月家用汽油机轿车电控供油系统汽油泵机械部分设计摘 要内燃机是汽车的心脏,电喷式内燃机因其动力性、经济性及环保性远远大于传统内燃机而广泛采用。电喷式内燃机中，燃油供给系统机械结构的设计对内燃机的性能起着一定的作用。本文针对汽车内燃机燃油供给系统中汽油泵的机械结构进行设计。汽油泵是内燃机燃油供给系统中的重要零件，汽油泵的作用是把汽油从油箱中吸出，并经管路和汽油滤清器压送到化油器的浮子室内。正是由于有了汽油泵，汽油箱才能安放到远离发动机的汽车尾部，并低于发动机。汽油泵工作中承受一定的压力，并长期浸泡在汽油中，所以要求它应有足够的结构强度和耐腐蚀性；又因汽车油箱容积有限，所以汽油泵设计时应考虑小尺寸、轻量化设计。在本次的汽油泵的机械结构设计中，以汽油泵泵芯为主要设计对象，采用有限元法作为主要研究手段，选用solid work与i-deas作为实体模型建立及有限元分析的软件平台，完成对汽油泵泵芯油压载荷下的应力分布的分析。对泵芯的的计算边界条件采用接触单元的方式进行了强度分析，并对求解结果进行了分析总结。关键词：汽油泵，有限元，油压，强度目 录1 绪论31.1 课题研究背景与意义31.2 课题的主要研究内容31.3 汽油泵国内外研究现状41.3.1 机械驱动式汽油泵41.3.2 电驱动式汽油泵52 汽油泵基本参数63 汽油泵电动机的选择63.1 根据车型供油流量参数推算电机功率63.2 根据汽油机最大耗油量、汽油流阻损失校核电动机73.2.1 根据汽油机最大耗油量校核电动机73.2.2根据汽油流阻损失校核电动机74 汽油泵泵芯设计84.1 汽油泵泵芯壳体设计94.1.1 汽油泵泵芯壳体外形尺寸设计94.1.2 汽油泵泵芯壳体与泵体端盖、壳体端盖配合处相关设计104.2 汽油泵叶轮设计114.3 汽油泵泵体端盖设计124.4 汽油泵壳体端盖设计134.5 汽油泵泵芯单向阀、安全阀柱塞设计144.6 汽油泵泵芯单向阀、安全阀弹簧设计154.6.1 汽油泵泵芯单向阀弹簧设计154.6.2 汽油泵泵芯安全阀弹簧设计154.7 汽油泵泵芯单向阀出油口设计164.8 汽油泵泵芯安全阀出油口设计175 汽油泵外壳设计175.1 汽油泵外壳壳体设计175.2 汽油泵外壳端盖设计185.3 汽油泵滤网架设计186 汽油泵泵芯壳体有限元分析196.1 有限元方法概述206.2有限元分析用汽油泵泵芯壳体建模236.3 i-deas软件的仿真模块236.4 汽油泵泵芯壳体有限元分析过程256.4.1 汽油泵泵芯壳体材料物理参数设定256.4.2 汽油泵泵芯壳体模型网格划分256.4.3汽油泵泵芯壳体模型边界条件设定266.5汽油泵泵芯壳体求解计算结果29全文总结31参考文献32致 谢33第ii页 共页1 绪论第 34 页 共 32页1.1 课题研究背景与意义当今汽车的3大任务是节能、环保和安全。为了提高其动力性、经济性、安全性以及减少排放污染、增强舒适性，采用电子控制技术已经成为一种不可阻挡的潮流，而且技术日益成熟、日趋普及。内燃机是汽车的心脏，电喷式内燃机因其动力性、经济性及环保性远远大于传统内燃机而广泛采用。电喷式内燃机中，燃油供给系统机械结构的设计对内燃机的性能起着一定的作用1。电动汽油泵是电喷发动机中燃油供给系统的一个重要组成部件，所以我将针对汽车内燃机燃油供给系统中汽油泵的机械结构进行设计。在早期的汽车中，汽油箱被放置在化油器的上方，汽油由重力作用进入到化油器，但是在发生事故时，从安全角度考虑，那个位置不是最好的，并且邮箱离发动机太近，而工作中的发动机的高温也会增加不安全因素。因此油箱开始被放置在车座后，如在后备箱或者后备箱底部。为了让汽油到达引擎，油泵就产生了，第一代是真空泵，而当时的设计，要想把油从后备箱送到引擎这么远，一种特殊的真空油箱也必须同时具备。到1928年，studebaker首创真空泵换成机械泵，通过凸轮轴来带动油泵摇杆来泵油为发动机源源不断的供油，但是由于被安装在发动机体上，在夏季往往因温度过高而产生“气阻”故障，造成燃油流通不畅，严重影响发动机的正常运转。在20世纪60年代，伴随着航空飞行器发动机的喷射技术的扩大运动，汽车的喷射技术也油然而生，由于电喷技术大大提高了汽油的雾化、蒸发性能，加速性能更好，发动机的功率和扭矩显著提高等优势，因而更强更稳定的油量供给使得电动燃油泵也随之而来。机械泵也随之渐渐被取代2。汽油泵工作的稳定性决定着整个汽车供油系统的工作稳定性，故已给予必要的重视。汽油泵工作中承受一定的压力，并长期浸泡在汽油中，所以要求它应有足够的结构强度和耐腐蚀性；又因汽车油箱容积有限，所以汽油泵设计时应考虑小尺寸、轻量化设计。1.2 课题的主要研究内容本课题为“家用汽油机轿车电控供油系统汽油泵机械部分设计”，本课题的任务是在学习掌握车辆供油系统工作原理、性能需求、控制策略的基础上，在本组总体设计同学的协调下，针对1.6l排量的家用汽油机轿车，为其匹配设计一台电子汽油泵，完成汽油泵的机械部分的设计工作。研究过程中将所设计汽油泵在solid works中建立三维实体模型，并以美国sdrc公司研发的机械通用软件i-deas软件为工作平台，利用i-deas软件中仿真分析模块，采用有限元技术，选取合适的单元类型以及确定好边界条件，进行载荷施加分析，完成汽油泵泵芯的强度校核工作。1.3 汽油泵国内外研究现状汽油泵的作用是把汽油从油箱中吸出，并经管路和汽油滤清器压送到化油器的浮子室内。正是由于有了汽油泵，汽油箱才能安放到远离发动机的汽车尾部，并低于发动机3 4。汽油泵按驱动方式的不同，可分为机械驱动式和电驱动式两种。1.3.1 机械驱动式汽油泵图1.1 机械驱动式汽油泵机械驱动式汽油泵 一般靠凸轮轴上的偏心轮驱动，它的工作情况是： 吸油 凸轮轴转动中，当偏心轮顶动摇臂，拉下泵膜拉杆时，泵膜下降，产生吸力，汽油便从油箱内吸出，并通过油管、汽油滤清器、进人汽油泵的油室。 泵油 当偏心轮转过一定角度不再顶动摇臂时，泵膜弹簧伸张，顶动泵膜上升，把汽油从出油阀压送到化油器的浮子室5。 但需要指出的是：汽车上使用的机械式膜片燃油泵,由于被安装在发动机的机体上,在夏季往往因温度过高而产生气阻故障,造成燃油流通不畅,严重影响发动机的正常运转。现在机械驱动式汽油泵已经基本不再使用。1.3.2 电驱动式汽油泵电驱动式汽油泵又分为以下几种：（1）滚柱式电动汽油泵 由壳体、圆柱形滚柱和转子等组成。五个滚柱在转子的槽内可径向滑动，转子与壳体存在一定的偏心。 转子在直流电动机的驱动下旋转，在离心力的作用下，滚柱紧压在泵体的内圆表面上，形成五个相对独立的密封腔。旋转时，每个密封腔的容积不断发生变化，在进油口时，容积增大，形成一定的真空，将经过过滤的汽油吸入泵内。在出油口处，容积变小，压力升高，汽油穿过直流电动机推开单向阀输出。 当输油管路发生堵塞或汽油滤清器堵塞时，汽油压力超过规定值，限压阀打开，汽油流回进油侧。图1.2 滚柱式电动汽油泵（2）齿轮式汽油泵：齿轮泵是容积泵的一种，由两个齿轮、泵体与前后盖组成两个封闭空间，当齿轮转动时，齿轮脱开侧的空间的体积从小变大，形成真空，将液体吸入，齿轮啮合侧的空间的体积从大变小，而将液体挤入管路中去。吸入腔与排出腔是靠两个齿轮的啮合线来隔开的7。（3）叶片式汽油泵：叶片泵是转子槽内的叶片与泵壳(定子环)相接触，将吸入的液体由进油侧压向排油侧的泵。该种结构的电动汽油泵，又称为离心式电动汽油泵8。它是依靠旋转的叶轮来实现燃油的输送。如美国的“卡特”(carter)p4594。该电泵泵油量大，可达250公升/小时以上，并可安装在汽油箱内，加强冷却。但结构较复杂，加工精度高，而且价格昂贵，故只被高级轿车，大排量的发动机所采用9 。电动汽油泵体积很小，但是泵油量与出油压力都比较大，因此其电机的负荷很大。所以，大部分电动汽油泵都采用了使吸入的油流经电机电枢后再从出油阀流出的设计，目的是冷却电枢，保证电机正常油工作。采用这种设计的电动汽油泵，凡是燃油流经的机件表面，都被制造得光洁平滑，以便减少流动阻力。也有少部分电动汽油泵，燃油不流经电枢而直接泵出，这种设计对其电机要求很高。当电动汽油泵停止工作时，出油单向阀关闭，防止油管中具有一定压力的燃油流回到油箱去，有利于再启动。当出油口堵塞造成泵内压力过高时，泄压阀打开，将燃油从泵体内排到油箱里，以免电机负荷过高被烧坏。电动汽油泵的电机都具有在泄压阀短时间内(l min之内)失灵的情况下而不被烧坏的能力12。2 汽油泵基本参数查阅相关资料，知设计任务书所提供车型信息对应车型，每分钟汽油泵供油流量应达79 l/min；汽油泵出口油压应在2.54个大气压之间，即出口油压在250kpa400 kpa之间。本设计汽油泵选择出油口油压为300 kpa。3 汽油泵电动机的选择电动机是汽油泵的动力来源，使得油压由一个大气压提升至所需压力值。电动机型号的选择关系到整个汽油泵的设计，因为电动机外形尺寸是汽油泵设计尺寸的重要参考 。所以电动机的选择就显得十分重要。3.1 根据车型供油流量参数推算电机功率汽油泵功率p泵与进出口油压差p、流量q之间有如下关系： p泵= qp故，p取200 kpa（汽油压力由一个大气压提升至三个大气压），q取8 l/min时，泵的输出功率p泵 = qp=(8l2105pa)/60 27w 考虑到汽油泵功率与电动机功率间存在效率转化，取效率为70%，则电机功率约为39w。在考察市场上各厂家生产的直流电动机相关参数的基础上，决定选择北京奕山科技有限公司36syk2340.b型直流电动机，该型号电动机功率为40.5w，质量340g，外形尺寸如图3.1。图3.1 36syk2340.b型直流电动机尺寸参数3.2 根据汽油机最大耗油量、汽油流阻损失校核电动机3.2.1 根据汽油机最大耗油量校核电动机查相关资料：汽油化学计量空燃比l0=14.515.3（kg空气/kg汽油）取 l0=15（kg空气/kg汽油）；汽油密度油=0.75103kg/m3，空气密度空=1.2 kg/m3。故进入气缸的油气体积比a=1 l0空油=1.07 10-4由最大功率下转速为6000r/min，得每分钟汽油机运行3000周期，对1.6l排量汽油机，所需汽油流量为：q=1.6l6000r/min2a=0.5136l/min=8.56ml/s所选电机符合最大供油要求。3.2.2根据汽油流阻损失校核电动机取供油管直径为0.01m，则油管截面面积a=d24=7.8510-5m2。由q=va得，进入汽油机汽油所需出口断面平均流速v= qa =0.11m/s。汽油粘度系数u=0.3110-3pas，在速度v=0.11m/s，输油管直径d=0.01m的情况下雷诺数： re= vdau = 0.110.010.751030.3110-3 =2661 recr= 2300故汽油流动状态为涡流状态。因2300 re 3000，处于过渡区，故沿程损失系数与相对粗糙度/d无关，而与re有关： = 0.3/64re0.25 = 0.044 ；对于圆管，沿程损失 hf = luv22g 。所以单位管长沿程损失 hfl = 0.0027 m/m 。局部损失 hj= v22g ，其中为局部损失系数，代入 数值后得 v2 2g = 6.1710-4 m ；与本组负责供油系统总体设计的同学协调后，供油系统共12处有局部损失，其中10处 取0.99，1处 取1.98，1处 取0.3；取基本扬程为0.5m，估算等效扬程h： h =0.5+hfl4+hj12=0.5+0.00274+6.1710-4( 0.9910+1.981+0.31) =0.53m 由以上数据可得汽油通过油管将会损失的功率 p损= wt = mtgh = 6.4210-39.80.53 = 0.033 w可见电动机输出功率足以克服汽油流动过程中的沿程损失和局部损失。故所选电机符合要求。4 汽油泵泵芯设计 汽油泵泵芯是汽油泵的主要部件，它的外形尺寸和重量决定了汽油泵的外形尺寸及重量，所以为了汽油泵轻量化设计，泵芯部分的材料除直流电动机和弹簧外，都选择pc高粘度工程塑料。pc是聚碳酸酯的简称，聚碳酸酯的英文是polycarbonate，简称pc工程塑料，是工程塑料中的一种。作为被世界范围内广泛使用的材料，pc是一种综合性能优良的非晶型热塑性树脂，具有优异的电绝缘性、延伸性、尺寸稳定性，耐中性油及耐化学腐蚀性，较高的强度、耐热性和耐寒性，耐高温125度，耐低温-40度；还具有自熄、阻燃、无毒、可着色等优点，在生活的各个角落都能见到pc塑料的影子，大规模工业生产及容易加工的特性也使其价格极其低廉。它的强度可以满足从手机到防弹玻璃的各种需要。应毕业设计任务书中要求，本设计采用了三维设计技术，应用solid works软件作为三维造型软件。solid works为达索系统下的子公司，专门负责研发与销售机械设计的视窗产品。是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有internet整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名的catiav5就出自该公司之手，目前达索的cad产品市场占有率居世界前列。在solid works软件的主要模块中，零件建模具有很好的操作性。solid works提供了基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、薄壁 特征、镜像、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。 在solid works软件中的装配模块中，可以插入零件，也可在设计库中导入标准件，方便快捷。4.1 汽油泵泵芯壳体设计汽油泵泵芯壳体是支撑电动机同时连接泵芯各零件的重要零件，同时它的尺寸基本决定了汽油泵的外形尺寸，故应尽量实现小型化设计。4.1.1 汽油泵泵芯壳体外形尺寸设计根据电动机外形尺寸（直径36mm，电机主体长77mm），将壳体装载电动机的部分外直径定为60mm，公差为js7；内直径定为46mm，公差为h8；壳体装载电动机的部分的深度在考虑了与壳体端盖配合后，定为82mm。壳体装载叶轮部分为实现汽油泵作用的关键之处，我在设计时参考了文献16中关于汽油流道给出的相关资料，将流道设计为闭式侧边流道式。电动机输出轴根部直径17-0.02 0，即公差为17h7。因为电动机主要靠螺钉固定在壳体上，所以与壳体配合处配合可以为间隙配合，故此处配合选基轴制优先配合，定为17h8/h7，即孔尺寸为17 0 +0.027。电动机输出轴直径为6-0.011-0.005，公差为6g5，与壳体配合处为避免不必要的摩擦，此处配合应选择为间隙配合，故此处配合定为6h7/g5，即孔尺寸为6 0 +0.027。4.1.2 汽油泵泵芯壳体与泵体端盖、壳体端盖配合处相关设计汽油泵泵芯壳体与壳体端盖、泵体端盖间的连接考虑到壳体厚度及小型化，连接处螺钉选为40cr材料的十字盘头螺钉m2.58 。因为汽油泵泵芯为压力容器，必须保证其气密性，根据压力容器的技术规范对法兰螺钉的间距的规定：一般允许螺钉的最大间距lmax（lmax=dz ，其中d为压力容器内直径，z为螺钉数量）为：当p1.6mpa时，lmax7d；当p=1.610mpa时，lmax=4.5d；当p1030mpa时，lmax43d。根据以上规定，本设计选定的汽油压力为三个大气压，即0.3 mpa，所以螺钉最大间距应小于7d=72.5=17.5。壳体与泵体端盖、壳体端盖间连接螺钉分布在直径55mm的圆上，故螺钉数z dlmax = 3.140.0460.0175 =8.25，考虑到螺钉对称性承受拉力的问题，将螺钉数量定为10个。现进行螺钉强度校核：由于连接处螺钉处于紧固连接状态，故螺钉不但会受到拉力，还会有一定的扭转，螺钉将处于正应力和扭剪应力共同作用的符合应力状态。根据材料力学，螺钉正应力=fad24,其中fa为螺钉所收拉力，d为螺钉直径。fa=pd24z=49.8n；所以正应力=fad24=10.1 mpa。根据材料力学，对于处于正应力和扭剪应力共同作用的符合应力状态的普通受拉螺钉，只需要将其正压力加大30%用以考虑扭剪应力的影响，就可以按照单纯受拉螺钉来计算了，所以螺钉所受等效正应力为10.1 mpa(1+30%)=13.2 mpa，远小于40cr材料的抗拉强度b：7501000 mpa。所以所选择的螺钉符合强度要求。电动机输出轴直径为6-0.011-0.005，公差为6g5，壳体与电动机输出轴间应尽量无摩擦，故该配合应选则间隙配合，根据基轴制常用配合表，配合选定为6g6/g5，孔尺寸为6+0.004+0.012。为了泵芯密封良好，在壳体与壳体端盖配合处，设计了凹入壳体的一段平台，此处选择过渡配合46h8/js7，即此处孔径尺寸为46 0+0.039。同样在壳体与泵体端盖配合处选择过渡配合49h8/js7，即此处孔径尺寸为49 0+0.039。这样会使得汽油从汽油泵泵芯壳体与泵体端盖连接处渗出时，所需经过的油路变得更加曲折，从而增加渗漏阻力，起到增加密封性的功效。另外在壳体与泵体端盖连接处装配时，使用石棉橡胶纸质密封圈，从而保证汽油在300kpa的压力下不会从连接处渗出。 图4.1 汽油泵泵芯壳体三维模型图汽油泵泵芯壳体相关具体尺寸见所附 工程图纸1 壳体4.2 汽油泵叶轮设计旋涡泵工作原理：星形轮在旋转时，产生了离心力，液体在此离心力的作用下，由泵壳侧面孔流入叶片根部并被抛向外圆，进入两侧盖板的槽道中。这部分液体原来随着叶片做圆周运动，具有一定的速度能，在盖板槽道中速度能变为压力能，之后又被叶片所攫取。在液体质点由入口到出口的过程中，这样的作用多次重复，能量逐次增加，就像液体在离心水泵中受多级叶轮的作用那样。液体在槽道中随星形叶轮运动，到了截止点，由于槽道突然被堵塞，液体就从出口孔流出。汽油泵选定为旋涡泵，主要考虑到旋涡泵有如下优点：(1) 结构简单，体积小，重量轻，扬程高；(2) 大部分旋涡泵具有自吸能力；(3) 具有陡降的扬程特性曲线，如图4.2；(4) 很多旋涡泵能实现气液混输，这对于抽送含有气体的易挥发的液体具有重要的意义；(5) 某些零件，如叶轮可使用非金属材料模压。图4.2 旋涡泵特性曲线旋涡泵叶轮叶片分为：径向、朝旋转力一向前倾、后弯直叶片、后转角、前转角式五种，根据流量叶片选择为径向式，叶片数选择为40片。电动机输出轴直径为6-0.011-0.005，公差为6g5，因叶轮转动靠电动机输出轴与叶轮配合处带动，故该配合应选则过盈配合，配合选定为6j7/g5，孔尺寸为6-0.008+0.010。图4.3 汽油泵叶轮三维模型图汽油泵叶轮相关具体尺寸见所附工程图纸2 叶轮4.3 汽油泵泵体端盖设计汽油泵泵体端盖部分外直径定为60mm，公差为js7。汽油泵泵体端盖与泵芯壳体配合处设计一平台，直径49，公差取js7，即49-0.012+0.012。与壳体凹回的平台配合后，使其达到与迷宫密封槽类似的密封效果。汽油泵泵体端盖内侧还需设计一孔洞，与电动机输出轴构成间隙配合，用来支撑电动机输出轴，限制电动机输出轴转动时的振动。电动机输出轴直径为6-0.011-0.005，公差为6g5，电动机输出轴与汽油泵泵体端盖内侧配合处配合定为6h7/g5，即孔尺寸为6 0 +0.027。汽油泵泵体端盖上还应设计汽油进油口，因旋涡泵工作原理应用了离心力，故进油口应在圆心附近，使汽油从更加靠近叶轮中心处被吸入泵中，所以进油口设计为矩形。考虑到机械加工工艺性，泵体端盖外侧面螺帽孔处，设计为图4.3所示。图4.4 汽油泵泵体端盖三维模型图汽油泵泵体端盖相关具体尺寸见所附工程图纸3 泵体端盖4.4 汽油泵壳体端盖设计汽油泵壳体端盖部分主要分布了单向阀出油口、安全阀出口和电极接头。汽油泵壳体端盖处不应该仅有一个简单的汽油出口。因为这会导致汽油泵不再工作后，汽车供油系统油路内油压将降至一个大气压，非常不利于汽车启动。为保持油路油压，在汽油泵汽油出口处应设置一个单向阀。当电动汽油泵停止工作时，出油单向阀关闭，防止油管中具有一定压力的燃油流回到油箱去。当出油口堵塞造成泵内压力过高时，泄压阀打开，将燃油从泵体内排到油箱里，以免电机负荷过高被烧坏，或泵内油压过高，破坏汽油泵结构，使汽油泵报废。电极接头位置分配在靠近圆周处，主要是考虑到为单向阀、安全阀留出足够的空间，同时方便装配时接线，达到小型化设计。单向阀、安全阀处螺纹若从密封考虑，应选择圆锥管螺纹，但因此处尺寸较小，出口处受冲击、振动较频繁且不常拆卸，故用耐受冲击、振动的细牙普通螺纹代替圆锥管螺纹，装配时加装密封橡胶垫，即可保证此处螺纹密封性。所以单向阀、安全阀处螺纹大径d=12，中径d2=10.863，小径d1=10.106，螺距p=1.5，牙型角=60。汽油泵壳体端盖部分与泵芯壳体配合处设计一平台，直径46，公差取js7，即46-0.012+0.012，与壳体凹回的平台配合后，使其达到与迷宫密封槽类似的密封效果。考虑到机械加工工艺性，泵体端盖外侧面螺帽孔处，设计为图4.5所示。图4.5 汽油泵泵体端盖三维模型图汽油泵壳体端盖相关具体尺寸见所附工程图纸3 壳体端盖4.5 汽油泵泵芯单向阀、安全阀柱塞设计汽油泵泵芯单向阀、安全阀柱塞底端选择半球形，这是基于单向阀或安全阀在开启、闭合时需保证良好的与壳体端盖出油口的同轴性。半球形底端开启时受力均匀，闭合时不会卡在出油口之外无法闭合。柱塞杆部直径与单向阀、安全阀弹簧内径相同，以保证弹簧承受竖直方向上的压力，这保证了弹簧能够提供正确的单向阀或安全阀的开启压强控制，同时延长弹簧寿命。图4.6 汽油泵泵芯单向阀、安全阀柱塞三维模型图汽油泵泵芯单向阀、安全阀柱塞相关具体尺寸见所附工程图纸4 柱塞4.6 汽油泵泵芯单向阀、安全阀弹簧设计汽油泵泵芯单向阀、安全阀弹簧受力循环次数一般在十万次数量级，故属于类弹簧，选择弹簧形式为底端磨平无死圈型。选用弹簧材料为65mn，弹簧中径d2=5mm，弹簧形变量=4mm。由以上参数得其许用切应力t=560mpa；切变模量g=8140078500 mpa取g=80000 mpa；。4.6.1 汽油泵泵芯单向阀弹簧设计由本设计说明书第二章所定汽油泵选择出油口油压为300 kpa，汽油泵泵芯单向阀弹簧所受力：f=ps=31050.0022=3.77n，式中s为出油口面积。弹簧旋绕比（弹簧指数）c= d2 d。根据汽油泵泵芯单向阀弹簧强度要求，确定弹簧丝直径d：弹簧丝直径d由以下三个公式相互作用决定，故需经过多次验算。 d=1.6fkct；k=4c-14c-4+0.615cc=d2d经过多次验算，最后确定d=0.45，c=11。c在国家旋绕比推荐值范围内（d在0.10.5之间，c应在714之间）。弹簧刚度推导汽油泵泵芯单向阀弹簧圈数：n=gd48fd23=3.48；根据弹簧设计相关规定，弹簧圈数少于15圈的，n应该是0.5圈的倍数，故弹簧实际圈数为3.5圈。4.6.2 汽油泵泵芯安全阀弹簧设计根据本设计中汽油泵泵芯出油口油压为300 kpa，选定汽油泵安全阀泄压压力为400 kpa。汽油泵泵芯安全阀弹簧所受力：f=ps=41050.0022=5.03n，根据本设计4.6.3小节方法，经多次试验计算后，确定汽油泵安全阀弹簧丝直径d=0.5，c=10。c在国家旋绕比推荐值范围内（d在0.10.5之间，c应在714之间）。弹簧刚度推导汽油泵泵芯单向阀弹簧圈数：n=gd48fd23=3.97；根据弹簧设计相关规定，弹簧圈数少于15圈的，n应该是0.5圈的倍数，故弹簧实际圈数为4圈。图4.7 汽油泵泵芯单向阀、安全阀弹簧三维模型示意图4.7 汽油泵泵芯单向阀出油口设计汽油泵泵芯单向阀出油口一端与油管相连，另一端与壳体端盖单向阀出油口相连。与油管相连处为密封考虑，设计了两个槽，装配时将该段插入油管，在连接处油管外加装可调直径的油管卡环加强固定，即可保证油路的密封性。与壳体端盖单向阀出油口连接处，螺纹参数：大径d=12，中径d2=10.863，小径d1=10.106，螺距p=1.5，牙型角=60。此处螺纹强度将在有限元分析时予以校核。图4.8 汽油泵泵芯单向阀出油口三维模型图汽油泵泵芯单向阀出油口相关具体尺寸见所附工程图纸 单项阀出油口4.8 汽油泵泵芯安全阀出油口设计汽油泵泵芯单向阀出油口与壳体端盖安全阀出油口连接处，螺纹参数：大径d=12，中径d2=10.863，小径d1=10.106，螺距p=1.5，牙型角=60。此处螺纹强度将在有限元分析时予以校核。图4.8 汽油泵泵芯安全阀出油口三维模型图汽油泵泵芯安全阀出油口相关具体尺寸见所附工程图纸 安全阀出油口5 汽油泵外壳设计汽油泵外壳用来支撑汽油泵泵芯，使其保持垂直状态，并用来将汽油泵固定在油箱上，实现安装、拆卸方便的需求。同时汽油泵外壳还用来固定油箱油液面传感器。5.1 汽油泵外壳壳体设计汽油泵外壳壳体外直径90mm，内直径70mm，公差h8，高165mm。外壳壳体与汽油泵泵芯配合应有一定的固定汽油泵泵芯的作用，但又不宜使用过盈配合，故选择略松的过渡配合，该处配合选择基孔制优先配合60h7/k6，即孔为60 0+0.030，汽油泵泵芯为60+0.002+0.021。与汽油泵滤网架配合选择基孔制优先配合40h8/h7，即孔为40 0+0.039。经过与本组负责汽油泵电子部分设计的同学协商，用来固定油箱油液面传感器的部分为边长4646的矩形，并在四个角留了m2.5的螺纹孔，用以固定油液面传感器。汽油泵外壳壳体与汽油泵外壳端盖连接处选用m2.5螺钉连接。图5.1 汽油泵外壳壳体三维模型图5.2 汽油泵外壳端盖设计汽油泵外壳端盖用来连接汽油泵外壳与汽车油箱，将汽油泵固定在油箱上。同时与汽油泵外壳的配合还起到了固定汽油泵泵芯的作用。汽油泵外壳端盖与汽油泵外壳连接处选用m2.5螺钉连接。汽油泵外壳端盖与油箱连接处，开有六个对称小槽作为汽油泵安全阀开启时的汽油泄流口。泄流口开在上方而非下方外壳壳体上，是考虑到防止汽油不经过滤网而经过该泄流口进入汽油泵，汽油杂质对泵芯出入口造成阻塞。汽油泵外壳端盖与汽油泵外壳配合处选择间隙配合，查阅相关标准，配合定为70h8/h7,即此处外形尺寸为70-0.03 0。图5.2 汽油泵外壳端盖三维模型图5.3 汽油泵滤网架设计汽油泵滤网架与汽油泵外壳配合40h8/h7，即滤网架外直径为40-0.025 0，其内直径定为34mm。六个支撑杆宽2mm，厚3mm。图5.2 汽油泵滤网架三维模型图注：图中滤网为示意图，汽油泵滤网架实体不含此部分。至此汽油泵机械部分设计基本完成，利用solid works软件，对以上设计的各零件进行三维造型、并进行装配，生成图5.3中汽油泵泵芯、汽油泵装配体三维模型图。图5.3 左图：汽油泵泵芯装配体三维模型图 右图：汽油泵装配体三维模型图注：图中左右两图为清晰起见，左图缩小比例小于右图。6 汽油泵泵芯壳体有限元分析汽油泵泵芯作为汽油泵功用的直接体现者，承受着较大的压强，应力分析较为复杂，故借助有限元分析校核其强度。泵芯设计时泵芯壳体与泵体端盖、壳体端盖的连接处充分考虑了汽油泵泵芯作为密封容器的情况，连接强度足以保证汽油泵工作时所承受的压强，故不予再次校核。所以本设计仅针对泵芯壳体进行有限元分析。6.1 有限元方法概述有限元方法（finite element method）简称fem，作为求解数学物理问题的一种数值方法，已经历了60余年的发展。经过半个多世纪的发展，fem已从弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，从静力问题扩展到动力问题、稳定问题和波动问题，从线性问题扩展到非线性问题；从固体力学领域扩展到流体力学、传热学、电磁学等其他连续介质领域；从单一物理场计算扩展到多物理场的耦合计算14。fem理论研究的重大进展，引起了数学界的高度重视。自20世纪60年代以来，人们加强了对fem数学基础的研究。如大型线性方程组和特征值问题的数值方法、离散误差分析、解的收敛性和稳定性等。fem理论研究成果为其应用奠定了基础，计算机技术的发展为其提供了条件。20世纪70年代以来,相继出现了一些通用的有限元分析( fea : finite element analysis) 系统，如sap、aska、nastran等，这些fea系统可进行航空航天领域的结构强度、刚度分析,从而推动了fem在工程中的实际应用。20世纪80年代以来,随着工程工作站的出现和广泛应用,原来运行于大中型机上的fea系统得以在其上运行，同时也出现了一批通用的fea系统，如ansys - pc、nisa 、supersap 、i-deas等。20世纪90年代以来，随着微机性能的显著提高，大批fea系统纷纷向微机移植，出现了基于windows 的微机版fea系统。它经历了从低级到高级、从简单到复杂的发展过程，目前已成为工程计算最有效的方法之一。fem的研究热点目前表现在两个方面:超收敛应力计算和有限元模型修正技术。有限元法的主要优点为：物理概念清晰；可以从不同的水平建立对该法的理解；适应性强、应用范围广；已经出现了许多大型的结构分析通用程序，可直接应用。有限元方法的实质是用有限个单元体的组合代替连续体，化无限自由度问题为有限自由度问题；是用有限子域的组合代替一个连续域，化连续场函数的微分方程求解问题为有限个参数的代数方程组求解问题。对于大多数形状和边界条件复杂的工程问题，要想获得问题的解析解答是不可能的，只能寻求各种近似的数值方法，而有限元方法是一种行之有效的数值分析方法。在使用有限元方法对所要研究的连续体进行计算分析时，要将研究的连续体划分为若干个有限大小的子区域，即有限元。在对单元进行分析时，首先假定单元内部位移为结点位移的简单雨数建立单元的结点位移和结点力之间的关系，其次将这些单元组合成为整体引入边界条件，通过求解整体结点力和结点位移关系的代数方程组，最终得到连续体在离散点处未知量（位移和应力）的解答。有限元方法常采用的单元类型有：1）杆、梁单元，这是最简单的一维单元，单元内任意点的变形和应力由沿轴线的坐标确定。2）板单元，这类单元内任意点的变形和应力由xy 两个坐标确定，这是应用最广泛的基本单元，有三角形单元和矩形板单元。3）多面体单元，它可分为四面体单元和六面体单元。六面体网格的自动划分是非常困难的，用四面体单元来划分三维结构，比较灵活，可以适应复杂的几何形状。4）薄壳单元，这是由曲面组成的壳单元。应用有限元法解题的具体步骤如下：1）单元剖分和插值函数的确定根据构件的几何特性、载荷情况及所要求的变形点，建立由各种单元组成的计算模型。再按单元的性质和精度要求，写出表示单元内任意点的位移函数或d = s (x, y, z)利用节点处的边界条件， 写出以a 表示的节点位移并写成 （3-1）求 及 ，并代入，得 （3-2）它是用节点位移表示单元体内任意点位移的插值函数式。2）单元特性分析根据位移插值函数，由弹性力学中给出的应变和位移关系，可计算出应变为 （3-3）式中 b 应变矩阵。相应的变分为 （3-4）自物理关系，得应变与应力的关系式为 （3-5）式中，d 是弹性矩阵。自虚位移原理可得单元节点力与位移之间的关系式为 （3-6）式中， 是单元特性，即刚度矩阵，并可写成 （3-7）3）单元组集把各单元按节点组集成与原结构相似的整体结构，得整体结构的节点力与节点位移的关系式，即整体结构平衡方程组 （3-8）式中 k 整体结构的刚度矩阵；f 总的载荷列阵；q 整体结构所有节点的位移列阵。对于结构静力分析载荷列阵f 可包括式中（体积力转移） （表面力转移）（集中力转移）。4）解有限元方程可采用不同的计算方法解有限元方程，得出各节点的位移。在解题之前，必须对结构平衡方程组进行边界条件处理。然后再解出节点位移q 。5）计算应力若要求计算应力，则在计算出各单元的节点位移后，自和 = d 即可求出相应的节点应力17。 6.2有限元分析用汽油泵泵芯壳体建模在此次建模过程中有两个矛盾方面，一方面要尽量准确描述实体几何形状，为下面的有限元分析网格划分、求解提供更为精确的数据。另一方面，对于部分圆角和螺纹孔，在不影响求解结果时，我们要给予忽略，这样会出的图就与实际存在一定的差距。因此，在此次建模的过程中，由于圆角和螺纹孔的处理不影响连杆组静强度校核的结果，所以在此处都给予忽略。使用solid works绘制有限元分析用汽油泵泵芯壳体模型，如图6.1，与图4.1相比，略去了壳体与泵体端盖、壳体端盖连接处螺孔。图6.1 有限元分析用汽油泵泵芯壳体建模6.3 i-deas软件的仿真模块在solid works软件工作平台上建立好三维实体模型后，在i-deas软件中利用simulation(仿真模块)，分别进入子任务meshing（网格）、boundary condition（边界条件）、model solution（模态求解）、post precessing(后处理)中，设置参数及计算方法，对汽油泵泵芯壳体进行网格划分和静强度校核分析，大体操作步骤如下：1）模块区选择simulation模块，子任务先选择meshing。在其操作图标中，选择auto setting，点击打开后，出现一个创建分析模型的任务，确定新建模型，随后出现automatic mesh checking区，内部设置了对网格各种参数的自动检查功能，包括单元扭曲度，狭长比质量参数等几项。如图6.2所示： 图6.2 i-deas软件中的网格划分任务2）选择操作图标中的define solid meshing，对实体进行单元网格划分，对话框中提示，需要选择free option（自由模态分析）、element length（单元长度）、element type（单元类型）以及material（材料）等，对各项参数定义后然后点击右下角的网格预览，后选择keep mesh即可实现网格划分。图6.3 网格划分对话框3）子任务换到boundary condition（边界条件），选择“边界条件设置”操作，添加约束及载荷，完成后，最后对边界条件进行确认。4）子任务换到model solution（模态求解），选择“模态求解设置”操作，再选择“solve”操作进行模态分析求解。5）子任务换到post precessing(后处理)，查看应力及位移结果云图。6.4 汽油泵泵芯壳体有限元分析过程6.4.1 汽油泵泵芯壳体材料物理参数设定在本设计第4章中，汽油泵泵芯壳体材料已选为pc高粘度工程塑料。查询相关资料，获得该材料相关参数如下：弹性模量e=2.32109pa；泊松比=0.3912；剪切模量=8.29108pa；密度=1190kg/m3。图6.4 汽油泵泵芯壳体材料物理参数6.4.2 汽油泵泵芯壳体模型网格划分汽油泵泵芯壳体单元类型经过试验，选用2.5mm的十节点四面体较为合适。汽油泵泵芯壳体模型共分为53175个单元，86815个节点。汽油泵泵芯壳体模型网格划分如图6.5所示：图6.5 汽油泵泵芯壳体有限元模型6.4.3汽油泵泵芯壳体模型边界条件设定1) 面约束因为汽油泵泵芯壳体与两端盖连接处用10个螺钉连接（可认为是10个点约束），点约束非常密集，所以可简化认为泵芯壳体两端为面约束，即两端面六自由度全部约束。约束设置对话框如图6.6所示：图6.6 约束设置对话框2) 载荷施加作用在汽油泵泵芯壳体上的力只有直流电动机的重力，由北京奕山科技有限公司36syk2340.b型直流电动机所附参数知：电动机质量为340g。则直流电动机的重力g=0.34kg9.8m/s2=3.33n。图6.7 施加电动机重力对话框汽油泵产生300 kpa汽油压力作用在泵芯壳体内壁上，因为油箱内基本保持一个大气压强，所以油箱内汽油对泵芯壳体外壁有100 kpa的压力。图6.8 施加汽油压力对话框将以上载荷全部施加在汽油泵泵芯壳体模型上，载荷分布如图6.9.图6.9 汽油泵泵芯壳体模型载荷分布图6.5汽油泵泵芯壳体求解计算结果（1）汽油泵泵芯壳体变形情况由有限元分析结果中汽油泵泵芯壳体变形图可见，壳体最大变形发生在壳体内表面，最大变形量为0.00797mm。此变形量不大，不会对壳体结构造成破坏，可认为本设计符合安全要求。图6.10 有限元分析结果 汽油泵泵芯壳体模型变形图（2）汽油泵泵芯壳体等效应力情况通常我们把屈服准则称作是等效应力，它遵循材料力学第四强度理论(畸变能密度理论)。大概的含义是当单元体的形状改变比能达到一定程度，材料开始屈服。它用应力等值线来表示模型内部的应力分布情况，它可以清晰描述出一种结果在整个模型中的变化，从而可以快速的确定模型中的最危险区域。由有限元分析结果中汽油泵泵芯壳体等效应力图，可见壳体上最大等效应力为1.25mpa，远小于材料能够承受的应力值（6586 mpa）。产生最大应力处在电动机卡条与壳体内表面连接处，这是因为分析时略去了该处圆角，产生了应力集中。在实际中，此处会有圆角，故壳体所承受最大等效应力会小于1.25mpa，可见汽油泵泵芯壳体设计强度校核安全。 图6.11 汽油泵泵芯壳体等效应力云图 全文总结本文以排量为1.6l的家庭轿车所用电动汽油泵为工作对象，利用solid works三维建模，在i-deas软件为工作平台的基础上，采用有限元技术，选用合理的单元类型，并采用适当的单元尺寸进行网格划分，对该汽油泵泵芯壳体部分进行静强度校核分析。通过对家庭轿车所用电动汽油泵的机械结构设计研究，本人的主要收获和成果有：一、在前期的准备工作中，通过查阅大量的期刊和文献，对家庭轿车内燃机、供油系统的结构、工作原理和特性特别是供油系统中电动汽油泵部分研究现状有了初步了解。二、初步掌握了solid wor