毕业设计（论文）-电磁柱塞式燃油喷射泵设计.doc

华中科技大学 毕 业 设 计 论 文 全套图纸加扣 3012250582 题目 电磁柱塞式燃油喷射泵设计 院 系 船海学院 专 业 轮机工程 姓 名 学 号 指导老师 2010 年 6 月 8 日 毕业设计 论文 任务书 姓名 班号 轮机 0601 院系 船舶与海洋工程学院 同组人姓名 指导教师 一 课题名称 电磁柱塞式燃油喷射泵设计 二 课题内容 电磁柱塞式燃油喷射泵是改进发动机燃烧效率 实现节能减排的 关键所在 因此本任务需要设计电磁柱塞式燃油喷射泵结构 分析泵 的动态性能 获得可以指导施工的工程图纸 并把分析结果形成论文 三 课题任务要求 1 检索燃油喷射泵国内外研究现状 2 翻译外文文献 工作量约 5000 汉字 3 动力学建模 仿真分析 4 结构设计 绘制图纸 5 撰写毕业设计报告 四 同组设计者 无 五 主要参考文献 1 何存兴 液压元件 北京 机械工业出版社 1982 2 徐福玲 液压传动与气压传动 北京 机械工业出版社 2009 3 MTALAB 使用手册 指导教师签字 教研室主任签字 年 月 日 此任务书装订时放在毕业设计报告第一页 I 电磁柱塞式燃油喷射泵设计 摘要 本课题主要是研究电磁柱塞式燃油喷射泵的结构 比较其优缺点并确定选择 方案 并对需要设计的电磁喷射泵进行仿真建模 优化计算与其喷油过程的性能 分析 研究 首先对现有的电磁柱塞式燃油喷射泵模型进行比较 针对摩托车上面一些特 殊的结构要求 并按照提出的技术指标来确定一些关键的参数 设计符合要求的 电磁喷射泵结构 确定电磁喷射泵的初步设计结构以后 建立其数学模型 再结 合 MATLAB 软件中的 Simulink 仿真环境来仿真分析泵体关键运动部件的动态性能 对重要参数进行优化 使得设计的电磁喷射泵达到要求喷油压力和流量的同时 喷油性能尽量提高 尤其是配流阀的跟随性能 最终尽可能地提高发动机的燃烧 效率 最后将设计好的电磁喷射泵在 Auto CAD 中绘制出来 其工程图应该包括装 配图与零件图 并且该工程图纸能清楚地指导加工生产 关键词 关键词 燃油喷射 柱塞泵 阀配流 仿真 II Design of Electromagnetic Forced Fuel injection Piston Pump Abstract The structure of electromagnetic forced fuel injection piston pump is studied in this paper After compare the advantages and disadvantages of several examples and identify the best option of them the paper design the injection pump as we need construct and simulate its model analysis and improve the process of fuel injection The first part compares the models of electromagnetic forced fuel injection piston pump Considering the specific structure of the automotive vehicles and the technical indicators we require this paper need to design the structure of the injection pump which meet our requirement After determine the initial design of the pump the second part establishes the mathematical model of it combined with the Simulink simulation environment of MATLAB software Then the paper utilize the simulation results to improve the dynamic performance of the important moving organization making the injection pump meet the requirements of the injection valve and flow and work better With Auto CAD software the last part draws the specific structure of the injection pump we design including the assembly drawings and part drawings and clearly giving the guide of processing the pumps Key words Fuel injection Piston Pump Valve Control Simulation III 目录 摘要 I Abstract II 一 选题背景 1 1 研究目的与意义 1 2 研究现状分析 2 3 研究方法与设计要求 5 二 泵体的方案选择与结构设计 7 1 方案说明与比较 7 2 结构设计 9 3 小结 14 三 泵体的数学建模与仿真分析 15 1 数学建模 15 2 仿真分析 18 3 小结 30 四 总结 31 1 结论 31 2 展望 31 致谢 32 参考文献 33 1 一 选题背景 1 研究目的与意义 温家宝总理指出 要把节能减排作为当前加强宏观调控的重点 作为调整经 济结构 转变经济增长方式的突破口和重要抓手 当前 循环经济已经形成较大 规模 可再生能源比重显著上升 主要污染物排放得到有效控制 生态环境质量显著 改善 生态文明观念在全社会牢固树立 但节能减排的任务仍然很艰巨 1 汽车的技术发展史已经充分证明 电喷技术同样是摩托车技术的制高点 是 摩托车满足欧 和欧 排放法规的主要技术措施之一 也是我国摩托车企业参与 国际 国内两个市场竞争必须掌握的一种核心技术 从 2001 年 9 月 1 日起 我国 新生产的轿车和 5 座客车全部采用了电喷发动机 虽然到目前为止我国尚未提出 摩托车电喷化的日程表 但有关摩托车的政策中已多次提到在摩托车上采用电喷 技术是一种必然趋势 从 1995 年开始 国内一些具有高瞻远瞩战略眼光的摩托车 整车企业对电喷技术产生了浓厚的兴趣 通过引进国外先进技术的方式 陆续涉 足摩托车电喷领域 由于企业没有电喷技术的知识产权 所以技术引进往往需要 花费大量的资金 直接结果是电喷摩托车的价格居高不下 再加上我国摩托车排 放法规相对滞后 国产摩托车电喷化的进程就显得非常缓慢 从 2001 年 9 月 1 日 起 我国新生产的轿车和 5 座客车全部采用了电喷发动机 虽然到目前为止我国 尚未提出摩托车电喷化的日程表 但有关摩托车的政策中已多次提到在摩托车上 采用电喷技术是一种必然趋势 2 本课题主要是研究及优化设计电磁柱塞式燃油喷射泵 并用其指导小型发动 机车尤其是摩托车喷油系统的制造 使得电喷技术能取代化油器 从根本上改善 了气缸的工作效能 使发动机时刻处于一种最佳的运行状态 从而大幅度提高发 动机的性能 同时降低排放污染 真正地将节能减排和环境保护的工作与国际接 轨 但是这种电喷技术也存在一些问题 如电喷系统能否高速驱动柱塞喷油 还 有汽油的挥发性强可能直接影响到喷油量等等 在此会对这些问题进行一定程度 的讨论与研究 2 2 研究现状分析 柱塞式液压泵 简称为柱塞泵 它是依靠柱塞的往复运动 改变柱塞缸内的 容积进行吸入和排出液体的泵 是容积式液压泵的一种 柱塞泵具有额定压力高 结构紧凑 效率高和流量调节方便等优点 被广泛应用于高压 大流量和流量需 要调节的场合 诸如液压机 工程机械和船舶中 3 1 柱塞泵的结构原理与分类 柱塞泵分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵 轴向柱塞泵与径向柱塞泵比较 排 出压力高 它一般可在20 50MPa范围内工作 效率也高 径向尺寸小 结构紧凑 体积小 重量轻 但结构较径向柱塞泵复杂 加工制造要求高 价格较贵 图 1 1 轴向柱塞泵结构图 轴向柱塞泵目前研究比较成熟 其 大致结构如图1 1所示 轴向柱塞泵一 般都由缸体 配油盘 柱塞和斜盘等主要零件组成 缸体内有多个柱塞 柱塞是 轴向排列的 即柱塞的中心线平行于传动轴的轴线 因此称它为轴向柱塞泵 但 它又不同于往复式柱塞泵 因为它的柱塞不仅在泵缸内做往复运动 而且柱塞和 泵缸与斜盘相对有旋转运动 柱塞以一球形端头与斜盘接触 在配油盘上有高低 压月形沟槽 它们彼此由隔墙隔开 保证一定的密封性 它们分别与泵的进油口 和出油口连通 斜盘的轴线与缸体轴线之间有一倾斜角度 轴向柱塞泵根据倾斜元件的不同 有斜盘式和斜轴式两种 斜盘式是斜盘相 3 对回转的缸体有一倾斜角度 而引起柱塞在泵缸中往复运动 传动轴轴线和缸体 轴线是一致的 这种结构较简单 转速较高 但工作条件要求高 柱塞端部与斜 盘的接触部往往是薄弱环节 斜轴式的斜盘轴线与传动轴轴线是一致的 它是由 于柱塞缸体相对传动轴倾斜一角度而使柱塞作往复运动 流量调节依靠摆动柱塞 缸体的角度来实现 故有的又称摆缸式 它与斜盘式相比 工作可靠 流量大 但结构复杂 改变倾斜元件的角度 就可以改变柱塞在泵缸内的行程长度 即可 改变泵的流量 倾斜角度固定的称为定量泵 倾斜角度可以改变的便称为变量泵 当电动机带动传动轴旋转时 泵缸与柱塞一同旋转 柱塞头永远保持与斜盘 接触 因斜盘与缸体成一角度 因此缸体旋转时 与传动轴平行的柱塞在柱塞孔 内往复运动产生容积变化 进而开始 工作 由于柱塞和柱塞孔 都是圆形零件 加工时可以达到很高的精度配合 因此具有容积效率高 运转平稳 流量均 匀性好 噪声低 工作压力高等优点 但对 液压油的污染较敏感 结构较复 杂 造价较高 关于轴向柱塞泵配流状况的研究工作已有5O多年的历史 很多液压专家 学 者及制造商之所以对柱塞泵配流副的状况问题产生浓厚的兴趣 是因为配流副的 工作状况的优劣是泵质量的关键 长期以来 前苏联 英国 德国 美国 日本 法国 芬兰 丹麦以及中国的学者围绕着配流副状况问题 进行了多方面的研 究 取得了不少定性的及半定量的理论与实验研究成果 这些成果 为不断改进 和开发一代叉一代的新型轴向柱塞泵提供了依据 4 2 柱塞泵的国内外发展趋势 1 柱塞泵结构的国内外发展趋势 早在1902年 美国Harvey Williams教授和Reynold Janney工程师就设计了第 一台端面配流的斜盘式轴向柱塞泵 于1905年使用在军舰的炮塔液压传动装置上 1980年 瑞士人Hans Thoma教授设计了第一台斜轴式轴向柱塞泵 这两种类型的 泵经多年来一代又一代的更新 已发展成为现代几种常见结构型式的轴向柱塞泵 在工业生产中起着很大的作用 随着液压技术向高压 高速方向发展 轴向柱塞 泵将得到愈加广泛的应用 可以说自端面配流轴向柱塞泵问世以来 人们就围绕 着这类泵所存在的各种问题进行了多方面的研究 如力矩传递方式 变量方式 缸体支承方式 泵内各种零件材料的选择 缸休的平衡方式等等 关于轴向柱塞 泵配流状况的研究工作已有近四十年的历史 很多液压专家 学者及制造商之所 以对轴向柱塞泵配流副的状况问题产生极为关注的兴趣 是因为配流副工作状况 的优劣是决定着轴向柱塞泵质量优劣的关键 长期以来 苏联 英国 西德 日 4 本 美国 法国及中国等国家的有关专家 学者围绕着配流状况问题 进行了多 方面的研究 取得了不少定性的及半定量的理论与实验研究成果 这些成果 为 不断改进和开发一代又一代的新型轴向柱塞泵提供了依据 5 上个世纪 90 年代之前 福特公司就已研制了一种试验性的溢流控制喷射泵 在发动机转速 6O00r min 时 其单个柱塞可将燃油送到多缸机的各气缸 它的供 油量和喷油时刻由一个电磁阀控制 可在发动机的一个工作循环内将供油量和喷 油时刻从一个极限变到另一个极限 电子控制器可对每缸精确微调供油 所以各 缸供油分配极为均匀 油泵可将燃油加压到 8MPa 适用于直接和间接喷射 6 进入了 21 世纪以后 随着汽车工业的发展 人们对汽车环保提出了更高的要 求 尤其是对汽车尾气的排放制定了严格的标准 在此情况下 传统的化油器已 趋于淘汰 而电磁喷射燃油泵是一种应运而生的符合环保要求的产品 杜江 凌跃胜等在汽车燃油泵电机的电磁设计一文中也提及燃油泵在国外高 中档汽车中已广泛应用 在国内 有些国产汽车也已开始使用燃油泵 如神龙富 康 桑塔纳 2000 等 但是当时他们仅仅对配套永磁直流电动机进行了针对提高电 机效率的电磁设计 7 浙江飞亚电子有限公司已于 2005 年 11 月申请了专利详细介绍了一种燃油喷 射器的工作原理属发动机技术领域 包括柱塞泵装置 驱动柱塞泵的动力装置和 喷出装置 柱塞泵装置包括柱塞 泵体和燃油腔 泵体压力部分置于燃油腔中 泵体设供柱塞往复运动和压送燃油的压力腔 腔内设燃油进入通道和排出通道 燃油腔与压力腔之间设燃油吸溢通道 吸溢通道开闭由柱塞运动所控制 燃油进 入燃油腔 一部分燃油及蒸汽由排出通道排出 另一部分燃油在吸溢通道开启时 进入压力腔 燃油及蒸汽的一部分由柱塞运动被挤压回燃油腔 另一部分被压送 到喷出装置而喷出 本发明结构简单 能有效冷却柱塞泵压力腔 降低蒸汽进入 压力腔的可能 从而提高燃油喷射器的耐热性 该专利在原理方面介绍的十分详 细 但是其中泵的各种尺寸数据没有提供 8 由于本课题中的电喷泵主要应用于小型发动机 因此我们也可以通过摩托车 这种小型交通工具上的发动机来看国内外的研究进展 嘉陵集团在电喷摩托车项目上 先后与多家国际知名电喷系统供应商开展了 广泛深入的合作 其中该集团与美国江森汽车电子公司合作 成功开发了 JH125 3lB型电喷摩托车 在国内市场 作为新一代的绿色环保电喷摩托车产品 嘉陵电喷摩托车将为嘉陵集团赢得良好的社会效益和经济效益 9 德尔福汽车系 统 中国 投资有限公司已为国内摩托车生产企业开发了若干款摩托车EMS 在我国 和印度摩托车上的应用证明 该系统可对发动机的各项性能进行综合优化 得到 5 最佳的排放控制效果 较好的燃油经济性和优良的骑乘性 10 马瑞利公司则是在 摩托车EMS Engine Management System的英文缩写 技术方面有着较深的研究 该 技术管理和控制发动机的燃油 空气混合气和点火时机 根据各传感器所传递的发 动机运行状态数据来计算出与上止点相关的喷油时间和点火提前角 11 2 柱塞泵仿真的研究现状 在检索文献时发现 柱塞泵配流阀的仿真研究偏少 基本都是在MATLAB软件 的Simulink仿真环境中完成 大都是近些年才有的一些关于仿真的文献 而且都 不是用于电磁柱塞泵方面的 2001年 杨国平 刘忠等发表的新型液压破碎锤先导式配流阀的仿真研究一 文中 作者用Simulink仿真模型得到了对先导式配流阀的计算机仿真研究 对其 控制液压系统的压力 以及能否进行无级调节的能力进行了具体的仿真 为进一 步研制该阀提供了理论依据 同时也为配流阀的研究提供一定的参考价值 12 2004年 贺小峰 杨明国在水压柱塞泵配流阀的设计与实验研究一文中提及 自己针对柱塞泵的配流阀进行了一系列的实验 对结果的处理没有采用Simulink 仿真模型来进行仿真 对实验结果的数据仅仅做出了折线图 不能得到满意的结 论 13 2010年 李凯 钱志博等发表的鱼雷柱塞变量泵配流阀参数设计与仿真一文 中 作者将鱼雷HAP三组元能供系统的端面配流结构改为使用阀式配流 并且分析 了柱塞变量泵的配流阀的结构形式 主要部件的参数计算和建立配流阀模型 在 Matlab软件中 用ODE45算法仿真了柱塞泵在阀式配流下 柱塞腔的压力变化情况 并计算了阀式柱塞泵在高低两种转速下的容积效率 但是该模型中使用的配流阀 为平板阀 没有涉及其他类型的阀芯计算 14 3 研究方法与设计要求 1 研究方法 1 数学建模 以牛顿运动定律以及流体力学方程为基础 针对配流阀与活塞 的往复运动过程列写其动力学方程 建立数学模型 2 结构设计 参照现有的电磁柱塞式燃油喷射泵 重新设计一个电磁柱塞式 燃油喷射泵 结构设计包括了流道设计 材料选择和强度校核等 选用的材料既 要满足耐压 又要具有良好的工艺性能 以保证其可长期使用 另外 在保证了 性能 功能及强度的前提下 结构应尽可能的简单 重量应尽量的小 3 仿真及结果分析 首先根据数学模型 在 Simulink 仿真环境 15 中搭建出 仿真模型 然后根据要求 设定仿真参数 接着对其动态性能和抗冲击性能进行 6 仿真 得出其仿真结果 最后对仿真结果进行分析 鉴定和评价设计的燃油喷射 泵的动态性能特别是关键部分运动的跟随性能 最终得出一定的结论 4 绘制图纸 根据设计的结构 详细的绘制二维 CAD 图 工程图中应该包 括总体的装配图和若干零件图 2 设计要求 泵的设计参数和指标要求 1 设计单柱塞泵 2 相对压力 P 300kPa 50kPa 3 最大 流量 Q 20L h 4 每燃烧循环喷油 4 10 L 优先取 10 L 计算 5 启动时 蓄压腔可以供油 工作油 3s 6 电磁力不超过 10N 7 二 泵体的方案选择与结构设计 1 方案说明与比较 参考的四种方案简图如图 2 1 和图 2 2 所示 图 2 1 方案一 左 与方案二 右 图 2 2 方案三 左 与方案四 右 8 1 方案说明 整个泵体主要作用是将油箱的汽油吸入并压缩至高压油腔 等待喷油 吸油口位于泵体左侧 柱塞因为失去电磁力作用后 复位弹簧将柱塞推往下 运动 整个密闭容腔压力减小 排油阀渐渐关闭 同时吸油阀渐渐开启 从而开 始吸油过程 排油口位于泵体右侧 柱塞因为电磁力作用克服复位弹簧的弹簧力 而上行 整个密闭容腔压力增大 吸油阀渐渐关闭 同时排油阀渐渐开启 从而 开始排油过程 当泵体内整个密闭容腔的压力过高时 设计的溢流阀渐渐被压力顶开 多余 的高压油液通过卸油口流回油箱 在中间偏上的高压腔室上面设有橡胶膜片 膜 片的弹性应该保证高压腔室内油液的压力在一定数值内变化 故而该腔室又称为 蓄压腔 2 方案比较 1 方案一设计为左端进油口 右上为出油口 右下为卸油口 通过电磁线圈 的得失电来控制衔铁以及柱塞的来回往复运动 再配合吸油阀 左 与排油阀 上 两个配流阀完成吸油与排油全过程 但是它仅仅考虑了油压过高时给工作 容腔设计了一个溢流阀 该阀直接与密闭容腔相通 限制了排油的压力 造成的 浪费较严重 属于最初的设计模型 2 方案二不将溢流阀与工作容腔直接连通 而是与中上位置的高压油腔相通 这样减少了工作容腔的密闭性问题 而且该方案中还考虑在柱塞处泄漏的油液与 大气相通 防止衔铁与活塞共同运动时的阻力过大的问题 3 方案三将上端的出口接头改为了外接的方式 避免了可能存在的扳手空间 问题 而且衔铁的中心钻孔方式也改为了四周开槽的方式 减少了加工时的工作 量同时 也使得柱塞衔铁往复运动更加顺畅 4 方案四将溢流阀反向 即增大了排油的高压油腔最高压力 也不需要刚度 太大的弹簧来提供压力 而且前三种方案的主缸体结构加工十分困难 因而在方 案四中将缸体再分离出一个可以旋合的缸体下盖 使得加工缸体更加容易 同时 原来的柱塞泄漏口置于下部 使其可以通过重力作用流回油箱 原来的排油口也 相应的往下挪动 排除了重力对出油的影响 使其出油过程更加通畅 属于比较 成熟的一个模型 9 2 结构设计 1 配流方式 目前应用的各种柱塞泵 其配流方式大体可分为 阀配流 轴配流 端面配 流3种 且以端面配流 配流盘配流 和阀配流为主 1 端面配流轴向柱塞泵可实现变量 可逆 作马达用 但缸体与配流盘之间是一 对主要的相对运动摩擦副 2 阀式配流轴向柱塞泵通过配流阀阀分别实现吸液和排液 阀式配流泵优点是减 少了一对摩擦副 缸体与配流盘 同时 配流阀 结构有锥阀 球阀和平板阀 具 有良好的密封性 可在高压状态下工作 但其变量困难 不可逆 不能作马达用 由于配流阀门的惯性和柱塞缸腔中死体积的影响 阀门的运动和柱塞的运动之间 出现不协调现象 造成阀门滞后 阀门运动滞后则会使泄漏增加 容积效率下降 2 配流阀与溢流阀 配流阀常用结构有球阀和锥阀 溢流阀一般选择锥阀 图 2 3 锥形阀芯 左 与球形阀芯 右 1 锥形阀口 阀芯为圆锥体 阀座为柱形孔或锥形孔台阶 此类型阀口是通 过改变阀芯和阀座之间的缝隙来接通或断开油路 同时阀芯和阀座之间形成的圆 台侧面为流体的流通截面 2 球形阀口 阀芯为球体或半球体 阀座为孔径小于球径的柱形孔台阶 当 阀芯紧贴在阀座上时 阀口关闭状态 当阀芯离开阀座后 阀口为开启状态 此 时阀芯和阀座之间形成的圆台侧面为液流的流通截面 对于配流阀 球阀结构简单 阀芯可以采用标准的滚珠轴承用钢球 制造方 便 成本低 但是缺点是阀芯没有导向 钢球可能转动 在高频运动中 阀座常 常将钢球表面撞击出相互交叉的网纹状环带 使密封性破坏 泄漏增加 通常球 阀只用作小通径的配流阀 多用于压出阀 锥阀采用锥面密封 圆柱面导向 但 10 是如果作为小通径配流阀的吸入阀 显得比较笨重 惯性也较球阀大 3 3 球阀流量公式 由液压传动与气压传动 16 有关知识可知球阀流量公式如下所示 2 1 p R x dhCq d 2 0 式中 R 球阀阀芯半径 Cd 流量系数 d 阀口直径 x 阀芯开度 阀芯两端压差p 液体密度 配流阀关闭时阀芯球心与线密封圆心的距离 即 0 h 2 2 0 2 d Rh 4 缝隙流动 由液压传动与气压传动 16 有关知识可知圆柱体周围的缝隙流动流量公式如下 所示 1 无相对运动时 2 2 p l d q 12 3 式中 q 缝隙流动流量 d 圆柱体直径 单边间隙 圆柱体两端压差p 液体的动力粘度 l 圆柱体长度 2 有相对运动时 v d p l d q 212 33 式中 v 相对运动速度 在我们建立的模型当中 柱塞的运动过程中有相对运动 但是为往复运动 所以 11 可以视为正负号互相抵消 即作为无相对运动的过程考虑 5 绕流阻力公式 由工程流体力学 17 有关知识可知绕流阻力公式如下所示 2 3 ACF D 2 u 2 0 式中 F 绕流阻力 A 绕流物体在垂直来流方向上的投影面积 来流与绕流物体的相对运动速度 0 u 绕流阻力系数 由实验决定 对球体来说 D C47 0 D C 6 弹簧刚度公式 由机械设计手册 根据微段弹簧丝 ds 受转矩后扭转 d 从而产生微量变形 d 再将 d 积分而得到圆弹簧丝螺旋弹簧在受载荷 F 后所产生的变形量 4 3 2 8 Gd nFD 移项后得 nC Gd nD GdF c 33 4 88 2 2 5 式中 c 弹簧的刚度 即倔强系数 k F 弹簧所受的载荷 弹簧在受载荷 F 时所产生的变形量 G 弹簧材料的切变模量 钢为 8 104MPa 青铜为 4 104MPa d 弹簧丝直径 D2 弹簧直径 n 弹簧有效圈数 C 弹簧的旋绕比 又称为弹簧指数 d D C 2 由上式可知 当其它条件相同时 C 值愈小的弹簧 刚度愈大 亦即弹簧愈 硬 反之则愈软 还应注意到 C 值愈小 弹簧内 外侧的应力差愈悬殊 卷制 愈难 材料利用率也就愈低 并且在工作时将引起较大的扭应力 所以在设计弹 簧时 一般规定 C 4 且当弹簧丝直径 d 越小时 C 值越宜取大值 12 如在设计柱塞弹簧时 查看参考模型数据后可取 C1 1 6 103 N m 由式 2 5 综合考虑参考模型放置弹簧的大小后取 D2 10mm 故有弹簧圈数与簧丝 直径的关系式为 2 6 3 2 4 8 d cD G n 对钢丝弹簧 G 8 104MPa 带入式 2 6 得 n 6 25d4 2 7 对式 2 7 取有效圈数 n 6 得 d 0 990mm 近似考虑为 d 1 0mm 方便加 工 7 初步参数设定 查取机械手册及参考模型数据后 给出表 2 1 如下 表 2 1 初步参数表 物理量取值物理意义及说明 678kg m3汽油密度 0 29 10 3Pa s 汽油的动力粘度 E1 109Pa汽油的体积模量 d13 10 3 m柱塞直径 d23 10 3 m左端配流阀入口直径 d33 10 3 m上端配流阀出口直径 i 1 2 2 4 i dA 3 7 10 6m2压差作用面积 V01 15 10 7m3闭死容积 L3 10 3 m柱塞行程 5 10 6m柱塞的单边间隙 l14 6 10 3m柱塞长度 l d K 12 3 1 0 2 32 10 14m3柱塞间隙的自定义泄漏系数 d d2 d33 10 3 m R2 10 3 m配流阀阀芯半径 13 2 2 0 2 d Rh1 32 10 3 m配流阀阀芯上某固定尺寸 Cd0 82 流量系数 考虑有附壁的存在 即认为模型里面是厚壁孔口 2 0 R dhC K d 2 78 10 4配流阀的自定义流量系数 2 0d CK 1 71 10 3配流阀的自定义流速系数 m11 85 10 2 kg柱塞以及衔铁质量 m2 m32 63 10 4 kg配流阀阀芯质量 C11 6 103 N m柱塞弹簧刚度 C20 2 103 N m左端配流阀弹簧刚度 C30 2 103 N m上端配流阀弹簧刚度 l12 10 3 m柱塞弹簧预压缩量 l20 5 10 3 m左端配流阀弹簧预压缩量 l30 5 10 3 m上端配流阀弹簧预压缩量 F0N 10N电磁力 脉冲形式 8 性能与强度校核 1 泄漏量应该不超过总流量的 5 吸油与排油时闭死容腔内的压力差别很大 因此需要分开考虑 吸油时压力 略低于 Pa 排油时压力略大于 3 105Pa 即考虑吸油时泄漏流量 q吸 0 压油时泄 漏流量 q压 2 5 q 0 1q 综合考虑有 2 8 3 1 55 max 10 110 3 1 0 12 d ql 将表 2 1 的数据带入上式得m 0 67 max 和表 2 1 的数据比较知 故满足要求 m 5 max 2 校核泵体的最小壁厚 泵体壁厚设计最薄处为 1mm 缸内径为 D 16mm 所以 D 1 16 0 0625 最大压差处有 Pmax 0 35MPa 14 由机械设计手册公式 2 9 max max 3 3 2P DP 将数据带入式 2 9 得 Pmax D 3Pmax 2 3 2 89 N mm2 泵体材料为 45 钢 45 钢的抗拉强度为 b 600N mm2 安全系数为 n b 600 2 89 207 5 故安全系数满足要求 3 小结 本章首先详尽的阐述了电磁柱塞式燃油喷射泵的工作原理 然后对一些关键 部件进行了初步结构设计 最后给出了整个系统关键部分的初步参数表并对其进 行性能与强度校核 与常规的燃油喷射泵相比 该电磁柱塞式燃油喷射泵是通过 电磁线圈的得失电来控制柱塞的运动 这种方式可以进行高频驱动 同时用阀配 流替代了以往的端面配流 减少了一对摩擦副 十分有利于应用在高速往复运动 的场合 15 三 泵体的数学建模与仿真分析 1 数学建模 1 弹簧振子模型 整个系统中重点有三个弹簧振子模型 中间的柱塞 左端和上端的两个配流阀阀 芯 下面逐个分析其受力 1 柱塞受力分析 电磁力 F t 为方波 最大 10N 最小 0N 液压力随柱塞两端液体压力差的变化而变化 F1 P Pa A1 由胡克定律 复位弹簧力 T1 c1 x1 l1 由牛顿第二定律 惯性力 W1 m1a1 零位置处作用反力 N N x1 0 故合力 F F t F1 T1 W1 N x1 0 即 3 1 0 11111 2 1 2 1 tFxNPaPAlxC dt xd m 2 左端配流阀阀芯受力分析 与 1 类似有 液压力 F2 P Pa A2 复位弹簧力 T2 c2 x2 l2 惯性力 W2 m2a2 故合力 F F2 T2 W2 N x2 0 即 3 2 0 22222 2 2 2 2 xNPaPAlxC dt xd m 3 上端配流阀阀芯受力分析 与 1 类似有 液压力 F3 P 4Pa A3 复位弹簧力 T3 c3 x3 l3 惯性力 W3 m3a3 故合力 F F3 T3 W3 N x3 0 即 3 3 04 33333 2 3 2 3 xNPaPAlxC dt xd m 16 2 流量连续性方程 由流体力学知识 流体的等温压缩率的倒数称为体积模量 其公式为 3 4 dV dP VE 式中 E 液体的体积模量 简化处理后可视为定值 对于无实测条件的情况 对 油液一般可取 0 7 1 4 109N m2 V 闭死容积 P 闭死容腔的液压 变换一下即 3 5 dt dP E V dt dV 考虑式 3 5 这部分的流量与整个闭死容腔流入流出的流量有 3 6 oi QQA dt dL dt dP E V 式中 流入闭死容腔的液体流量 i Q 流出闭死容腔的液体流量 o Q 3 吸油过程 建立吸油过程的数学方程 将式 2 1 式 2 2 带入式 3 6 得 3 7 PaP R x dhCA dt dx PaP l d dt dP E V d 2 12 2 01 1 3 联立式 3 7 式 3 1 和式 3 2 有 3 8 0 0 2 12 22222 2 2 2 2 11111 2 1 2 1 2 01 1 3 xNPaPAlxC dt xd m xNPaPAlxC dt xd m PaP R x dhCA dt dx PaP l d dt dP E V d 上式即为吸油过程的数学方程组 4 排油过程 建立排油过程的数学方程 与 3 类似 有 17 3 9 04 0 4 2 12 33333 2 3 2 3 11111 2 1 2 1 3 01 1 3 xNPaPAlxC dt xd m tFxNPaPAlxC dt xd m PaP R x dhCA dt dx PaP l d dt dP E V d 上式即为排油过程的数学方程组 其中仿真时可以设置为一个电磁力脉 tF 冲 初值 10N 到设定时间后归零 5 吸油排油的总过程 将式 2 1 式 2 2 带入式 3 6 得 3 10 PaPKxPaPKxA dt dx PaP l d dt dP E AxLV 4 12 321 1 3 110 式中 2 0 R dhC K d 由于配流阀阀芯处汽油的流动是双向的 由压差决定 因此仿真时需要对根 式进行如下修正 PaP PaP PaP KxPaP PaP PaP KxA dt dx PaP l d dt dP E AxLV 4 4 4 12 321 1 3 110 3 11 联立式 3 11 式 3 1 式 3 2 和式 3 3 有 04 0 0 4 4 4 12 33333 2 3 2 3 22222 2 2 2 2 11111 2 1 2 1 321 1 3 110 xNPaPAlxC dt xd m xNPaPAlxC dt xd m tFxNPaPAlxC dt xd m PaP PaP PaP KxPaP PaP PaP KxA dt dx PaP l d dt dP E AxLV 3 12 上式即为吸油排油总过程的数学方程组 其中仿真时可以设置为一个电 tF 18 磁力方波 上限为 10N 下限为 0 2 仿真分析 1 仿真环境 Matlab软件是由美国New Mexico大学的学者Cleve Moler于1980年开始开发的 在1984年才由Cleve Moler等人创立的Mathworks公司推出了其第一个商业版本 Matlab是一个优秀的计算机辅助分析与设计软件包 其有两个非常的显著特点 强大的矩阵运算能力和完美的图形可视化功能 这使得它成为控制界应用最广泛 的计算机辅助软件之一 现在Matlab不仅应用于控制领域 而且也应用在其它的 工程或非工程领域 其中Matlab Simulink已经成为动态系统仿真最为著名的仿真 环境之一 其已在各领域得到了广泛的应用 18 Simulink是一个针对动态系统建模 仿真和分析的软件包 具有强大的功能 一方面 在其操作平台上用户可以建立子模型库 并可以对模型进行组合和更改 另一方面 Simulink拥有丰富可靠的矩阵运算 图形绘制 数据处理和方便的 Windows编程等便利工具 可以对仿真结果进行分析和可视化 19 鉴于Simulink 的优点 本课题将使用Simulink软件来进行动态仿真 2 仿真模型转化 考虑到变步长算法的不稳定性 本文在仿真时均采用定步长的算法 Fixed step 并且用具有一定精度的四阶龙格库塔算法 ode4 Runge Kutta 这样可以 消除因为变步长而导致曲线不稳定的干扰因素 使整个仿真过程更加顺利 1 把表 2 1 的数据带入式 3 8 中 然后基于 MATLAB 软件将该吸油过程的 数学模型转化为 Simulink 模型如图 3 1 所示 19 图 3 1 吸油过程 Simulink 模型 a 闭死容积绝对压力曲线 b 柱塞位移曲线 c 吸油阀芯位移曲线 图 3 2 运动特征曲线 由图 3 2 可以看出 整个吸油过程大概在 0 004s 时刻完成 柱塞从上止点运 动到下至点的同时 闭死容积内的高压油液迅速降低到一个大气压以下 然后吸 油阀逐渐开启 柱塞停止运动后 由于泄漏流量的存在 闭死容积内的油压恢复 一个大气压 同时吸油阀逐渐关闭 2 把表 2 1 的数据带入式 3 9 中 然后基于 MATLAB 软件将该排油过程的 数学模型转化为 Simulink 模型如图 3 3 所示 20 图 3 3 排油过程 Simulink 模型 图 3 4 电磁力曲线 tF 21 a 闭死容积绝对压力曲线 b 柱塞位移曲线 c 排油阀芯位移曲线 图 3 5 运动特征曲线 由图 3 4 以及图 3 5 可以看出 电磁线圈从 0 时刻到 0 005s 时刻得电 推动 柱塞从下止点运动到上止点 同时排油阀在 0 005s 内迅速地开启与关闭 完成了 这整个排油过程 闭死容积内的油液最开始时压力迅速上升 以保证排油阀芯及 时开启 而电磁线圈失电后 衔铁与柱塞在复位弹簧的作用下 以较快的速度回 到下止点 油液的压力也迅速降低到一个大气压以下 最后柱塞停止运动后 由 于泄漏流量的存在 闭死容积内的油压最终能恢复一个大气压 3 把表 2 1 的数据带入式 3 12 中 然后基于 MATLAB 软件将该吸油排油 总过程的数学模型转化为 Simulink 模型如图 3 6 图 3 9 所示 其中 算法按前述规定设置 仿真时间取 0 05s 仿真步长取 0 00005s 电 磁力设置参数为 幅值 10N 周期 0 01s 占空比 50 延时 0s tF 22 图 3 6 吸油排油总过程 Simulink 模型 图 3 7 吸油排油总过程 Simulink 模型模块一 23 图 3 8 吸油排油总过程 Simulink 模型模块二 图 3 9 吸油排油总过程 Simulink 模型模块三 设置好参数并运行后 仿真结果如图 3 10 图 3 14 所示 图 3 10 电磁力曲线 tF 24 图 3 11 闭死容腔的压力曲线 图 3 12 柱塞位移曲线 图 3 13 吸油阀芯位移曲线 25 图 3 14 排油阀芯位移曲线 2 明显可以看出上述曲线组中存在一些不足 下面对其一一讨论 1 曲线有些地方不够光顺 这个很有可能是定步长算法中取的步长不太合适造成的 为了讨论步长大小 对曲线的影响这个问题 下面给出一组步长与排油阀芯位移的变化关系图组来说 明步长对于曲线的影响 图 3 15 步长 0 0001s 对应的排油阀芯位移曲线 26 图 3 16 步长 0 00005s 对应的排油阀芯位移曲线 图 3 17 步长 0 00001s 对应的排油阀芯位移曲线 图 3 18 步长 0 000005s 对应的排油阀芯位移曲线 对比以上四幅图可以看出取步长 0 00001s 的曲线最圆滑适中 因为步长越小 确定曲线的点就越多 因此曲线越圆滑 但是步长缩小也是有限度的 最后一幅 27 图的曲线横坐标已经不是从零开始 说明采样点超出了限制 一般是 5000 个点 因此曲线看上去不完整 这样我们就找到了最合适的步长 0 00001s 2 柱塞 配流阀阀芯开启的幅值不规律 柱塞的开度不合适 没有达到规定 的 3mm 这个应该由电磁驱动力决定 可以适当把电磁力提前一个相位角 使得柱塞 运动的奇数波峰总比偶数波峰要高一些 然后将电磁力的占空比提高 周期也尽 量和弹簧振子模型的周期接近 这样我们将电磁力作如下修改 设置电磁力 幅值 10N 周期 0 012s 占空比 67 延时 0 003s 修改之后 得到如下曲 tF 线 图 3 19 电磁力曲线 tF 图 3 20 闭死容腔的压力曲线 28 图 3 21 柱塞位移曲线 图 3 22 吸油阀芯位移曲线 图 3 23 排油阀芯位移曲线 29 将上面五幅图 即图 3 19 图 3 23 与图 3 10 图 3 14 比较后可以看出改进 后的仿真结果具有明显的周期性 而且每个周期较稳定 比较令人满意 3 吸油阀芯和排油阀芯的最大开度有十倍左右的差距 而对密闭容腔来说 泄漏的流量不会很大 因而进油应该与排油流量在一个数量级上面 所以应该是 设计的吸油阀弹簧刚度过大造成的 可以作适当调整 C2 0 1 103 N m 这样增大 吸油阀的开度 保证泵的油液输出量 4 优化仿真的分析总结 在使用 Simulink 工具来进行动态仿真中 模型的转换十分重要 如何最妥当 的把数学模型准确地在 Simulink 工具中表达出来 并且需要对所有的边界条件一 一设置 如处理零点的支反力 N x 0 时 在模型中设置一个限幅的模块 当 x 0 时 限制其输入的的大小 然后 设置其仿真的算法十分重要 如果算法不 好 或者定步长算法中设置的步长过大 可能会生成像图 3 15 一样与实际完全不 符的错误曲线 或者步长太小 得到如图 3 18 一样的不完整曲线 所以仿真对算 法及步长的要求较高 本课题中 不同的参数对图像的影响大小也不同 主要是 优化输入电磁力的周期 占空比和初相角 以及三个弹簧振子模型中的弹簧刚度 等 电磁力主要影响柱塞的最大升程 整体的波形以及相邻波峰幅值的差值 而 弹簧刚度则影响对应振子的振幅 从而影响喷油质量 3 优化后重要参数的参数表 表 3 1 优化参数表 物理量取值物理意义及说明 d13 10 3 m柱塞直径 d23 10 3 m左端配流阀入口直径 d33 10 3 m上端配流阀出口直径 V01 15 10 7m3闭死容积 L3 10 3 m柱塞行程 5 10 6m柱塞的单边间隙 l14 6 10 3m柱塞长度 R2 10 3 m配流阀阀芯半径 m11 85 10 2 kg柱塞以及衔铁质量 m2 m32 63 10 4 kg配流阀阀芯质量 C11 6 103 N m柱塞弹簧刚度 C20 2 103 N m左端配流阀弹簧刚度 30 C30 2 103 N m上端配流阀弹簧刚度 l12 10 3 m柱塞弹簧预压缩量 l20 5 10 3 m左端配流阀弹簧预压缩量 l30 5 10 3 m上端配流阀弹簧预压缩量 F0N 10N 电磁力 波形为方波形式 幅值 取 10N 周期为 0 012s 占空 比为 67 延时设置 0 003s 3 小结 本章从三个弹簧振子模型开始 由易到难地建立了吸油过程 排油过程以及 总过程的数学模型 然后介绍了仿真环境 并在 Simulink 仿真环境中将上面的数 学模型转换为仿真模型并计算 从仿真结果入手分析 优化一些重要的参数 最 后给出了整个系统关键部分的优化参数表 这种手法不仅给其他需要做仿真计算 的同行们提供了一种思路 而且通过仿真能够从理论上分析一些实验时难以测定 的数据 如阀芯位移等 这也可以为同类阀的设计提供一些重要的理论依据 31 四 总结 1 结论 全文的主要工作和基本结论如下 1 通过调研国内外电喷泵的发展状况 并根据了其具体的性能要求 在比较过 一些参考模型的基础上 初步设计了一种电磁柱塞式燃油喷射泵的结构 设计中 抓住其重难点进行设计 注重局部细节 对仿真结束后的绘制图纸工作提供较为 详尽的参考 2 根据其工作原理建立了描述电磁柱塞式燃油喷射泵关键运动部件的数学模型 主要是指三个弹簧振子模型以及闭死容腔的流量连续性模型 要充分运用以往学 过的牛顿第二定律以及流体力学知识 然后关键是结合特殊的流量连续性方程来 建立起完整的数学模型 否则整个系统将无法计算 3 利用 Simulink 仿真软件将数学模型转化并进行仿真 通过对仿真的优化设 计以及结果分析 掌握了电磁柱塞式燃油喷射泵关键运动部件的动态性能 为泵 的优化提供了很好的参考 仿真过程中 应该注意引入足够的限制条件 初步得 出图像后 应该及时分析该图像的合理性 为优化设计提供思路 2 展望 本文对电磁柱塞式燃油喷射泵的关键运动部件进行了建模仿真 为今后的工 作打下了基础 由于研究的关键技术难点很复杂 本文还存在一些不足之处 在 此一并提出后以供后续的研究参考 1 通过调研国内外电喷泵的发展状况 并根据了其具体的性能要求 在比较过 一些参考模型的基础上 初步设计了一种电磁柱塞式燃油喷射泵的结构 设计中 抓住其重难点进行设计 注重局部细节 对仿真结束后的绘制图纸工作提供较为 详尽的参考 2 根据其工作原