本科毕业论文（设计）车用电子旋片真空泵的设计与研究

本科毕业论文（设计）题 目 车用电子旋片真空泵的设计与研究学 院 专 业 车辆工程 年 级 学 号姓 名 指 导 教 师 成 绩 i目录摘要 .iiiAbstract .iv0 文献综述 .10.1 研究背景 .10.2 真空泵的类型 .10.3 旋片式真空泵的起源与发展现状 .21 引言 .61.1 旋片泵的工作原理 .61.2 旋片泵的工作循环过程 .71.3 本文设计研究内容 .82 设计要求 .82.1 性能要求 .92.2 材料选择要求 .93 结构参数的选择 .103.1 几何抽速 Sth.103.2 驱动主轴转速 n.113.3 旋片数目 Z.113.4 直径比 b.113.5 长径比 a.113.6 实际容积利用系数 Kv .113.7 计算泵腔尺寸 .123.8 计算旋片尺寸 .134 三维结构模型的建立 .134.1 三维建模技术概述 .134.2 零部件的建模过程 .144.3 泵体总成的虚拟装配 .214.4 二维工程图的生成 .24ii5 旋片泵的动力学研究 .255.1 旋片的运动速度研究 .265.2 旋片的运动加速度研究 .285.3 旋片的受力分析研究 .296 结论 .31参考文献 .32致谢 .33iii车用电子旋片式真空泵的设计与研究摘要：本文对小型乘用车电子旋片真空泵的具体性能需求进行分析，并根据实际设计要求计算出旋片泵抽气机构的尺寸大小。系统的进行旋片式真空泵的结构设计，并着重对进、排气口角度进行设计，采用在上下端盖上设置进、排气口的方案。以及对泵体的噪音源进行分析，确定采用抗性消音器的原理设计外壳的消声器。利用三维设计软件 CATIA 的装配设计模块对各个零部件进行虚拟装配，检查装配后虚拟总成的合理性。并根据三维到二维的高效转化方法，转化为工程图纸。最后对旋片机构进行运动学和动力学研究分析，为其平衡及强度设计建立基础。关键词：制动系统；旋片式；电子真空泵；结构设计ivA Study on Design and Research of a Rotary Vane ElectronicYong JiangCollege of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, ChinaAbstract: With advantage of compact frame, excellent dynamical equilibrator and convenient mend, the rotary vane vacuum pump plays an important role in the vacuum equipment market. In this paper, the basic structure of the rotary vane pump, working principle and the main factors affecting the work performance is analyzed and studied. With the analysis of movement and the force of rotary vane, the calculation method of the performance of rotary vane pump is derived, and the dynamic mathematical model is established; according to the requirements for the performance of electronic vacuum pump in passenger cars, a three-dimensional structural model is established. Through the research, a feasible design method is provided for further research and development on electronic rotary vane vacuum pump.Keywords: Braking system; Rotary vane; Electronic vacuum pump; Structural design毕业设计（论文）10 文献综述0.1研究背景制动性作为是汽车主要性能之一,它涉及到驾驶员和乘客的生命以及财产安全，是汽车在高速行驶时能迅速完成刹车的重要保障。目前绝大多数的轿车和装载质量小于 35t 的轻型汽车多采用真空助力伺服制动系统，该系统可提高制动可靠性和减轻驾驶员的疲劳，有利于降低行车事故发生率，提高整车安全性，应用日益广泛。真空泵主要作用是为真空助力制动系统中的制动伺服装置提供动力。多装在25L 以下柴油动力的车上。早期的汽油动力车助力制动系统的动力源主要来自于发动机的进气歧管产生的真空。但是汽油发动机在低速时，会出现进气歧管真空度下降，导致刹车助力下降，影响刹车性能。随着汽车工业的发展和人们驾乘标准的不断提高，越来越多的汽油动力车上也开始加装了独立式真空泵 1。0.2真空泵的类型真空泵即产生、改善和维持真空的装置。基本上分为气体传输泵和气体捕集泵两种类型，气体传输泵又分为变容真空泵和动量传输泵。具体分类见图 0-1。毕业设计（论文）2图 0-1 真空泵的分类Figure 0-1 Classification of vacuum pumps0.3旋片式真空泵的起源与发展现状0.3.1旋转式叶片泵的发展概述1909 年盖德(WGaede)发明旋片泵并取得德国专利，1936 年又发明气镇泵，毕业设计（论文）31941 年取得专利 2。60 年代末，国际上对旋片泵进行了提高转速和小型化的改进；直到 70 年代初，市场上出现了直联式旋片泵。80 年代初，设计人员又对旋片泵结构进行改进，增加了油路止回阀和气道截止阀，来改善抽气时的返油现象；另外在附件上，消雾器、入口过滤器、气味过滤器、灰尘过滤器等的加入，给了用户更多的选择空间。90 年代初，又推出了能监视油压、油温、油质等的电子显示器，一些附件甚至开始可以与计算机联接，便于对旋片泵运行工况进行自动控制。一百多年来，通过研究人员不断的改进推广，旋片式真空泵得到了广泛应用和不断完善。旋片式真空泵是一种利用转子和可在转子槽内滑动的旋片，组合形成旋转运动以获得真空的一种变容机械真空泵，具有结构简单、体积小、重量轻、抽气量大、效率高等特点。它可以作为其他真空泵的前级泵，也可以单独使用。旋片式真空泵主要用于抽取容器中的干燥气体，如果安装有气镇装置，还可以抽取含一定量油气的可凝性气体。目前，旋片泵已被广泛应用于机械、电子、冶金、化工、轻工、石油及医药等领域 3。但旋片泵不适合用于抽取有爆炸性的、对金属有腐蚀性的、含有颗粒尘埃的气体。当采用工作液来进行润滑并填充泵腔死隙，分隔排气阀和大气时，即为通常所称的油封旋片真空泵。无工作液时，即为干式旋片真空泵。0.3.2国内外发展现状比较近年来，随着我国电子科技、食品加工、医疗生产等方面的不断进步，对旋片式真空泵的各项性能指标的要求也越来越高，急切需要更可靠、更高效的旋片泵产品来满足国内生产的需求。(1)国内外的旋片泵产品性价比参数相差巨大。虽然近几年来，国产旋片泵的性能指标比如：抽气速率、极限真空、用油量、最高使用温度等方面取得了一定的进步，但是在一些用户比较关心的方面，如密封、重量、比功率、使用寿命、外形、噪声等方面，与国外的同类产品相比还存在着很大的差距 4。与国外产品相比，国产旋片泵存在的问题具体表现在以下几个方面 5-6：a) 抽气效率过低泵的抽气效率是指实际抽速与理论抽速之比。按照 JBT65331997旋片真空泵标准规定，2Pa 时双级泵的抽气效率不应低于 45，15kPa 时不低于80。该项指标表示了泵的抽气能力，旋片泵不合格产品中有 40是因为该项指标毕业设计（论文）4过低。b) 存在喷油漏油现象不喷油、不漏油是关系着环境保护的重要指标，对于制冷、半导体、电子、食品包装行业来说都是不允许有喷油漏油现象的。当前旋片泵不合格产品中有 20是因为该问题的存在。c) 噪声过大工作噪声也是评价旋片式真空泵的重要指标,特别是在对 NVH 要求较高的工作场合,比如汽车发动机舱。标准 JB/T6533-1997 中规定,抽速为 2L/s 的旋片泵噪声不得大于 72dB,国产旋片泵中有些产品噪声高达 75dB,在不合格的产品中,有 20%是因为工作噪声过大。以上三个方面是目前国产旋片泵存在问题比较严重的地方。此外，在极限压力、比功率、用油量、重量、最高使用温度、外观造型上都还有待提高。我国的真空泵市场十分巨大,旋片式真空泵又占据了真空泵设备销量的第一位。但这个销售情况也仅限于油封式旋片泵,在干式旋片泵市场,具有自主知识产权的干式旋片泵基本没有。旋片式真空泵的结构虽然相对简单,但其对工艺设计、加工及装配精度的均有很高要求,特别是对于干式旋片泵,其核心部件对材料的要求很高,这也是导致我国干式旋片真空泵发展缓慢的主要原因之一。目前,在汽车配套方面,旋片泵市场几乎被德国垄断。配套高级轿车的有德国大陆(CONTINENTAL)集团生产的膜片泵,主要应用于奔驰、宝马等品牌的车型;配套中、低级轿车的有德国海拉(HELLA)生产的旋片泵,主要应用于大众、通用、奇瑞等品牌的车型。0.3.3旋片式真空泵理论研究现状目前，真空泵的理论研究主要集中在泵的材料、结构、流体流动、传热、喷油、可靠性等方面的计算和简化模型的分析和实验，以及对整体或部分的计算机模拟仿真。其中，相对于其他的真空泵，如涡旋泵、罗茨泵、螺杆泵、水环泵等，旋片泵的理论研究更少。综合各文献，真空泵的理论研究主要集中在以下几个方面：a) 结构研究：包括真空泵的整体和部件结构，如吸气口和排气口的确定，工作腔局部的位置和形状，工作副的间隙大小，以及结构的有限元分析等。b) 传热研究：包括对传热模型的简化分析计算和实验以及计算机模拟分析。毕业设计（论文）5c) 材料研究：主要是对材料的测试和分析，对其强度及耐磨性等相关信息进行比较。在满足强度要求的情况下，求取最合适的摩擦副。d) 真空泵性能研究：包括对真空泵的运动特性、功率损耗、振动噪声等整体性能的分析比较和实验。e) 泵油的研究：油液对真空泵的工作过程和内部参数的影响，包括喷油对其的影响和对喷油状态的测试分析。在真空泵的理论研究文献中，以旋片式真空泵作为研究对象的很少，主要集中在涡旋泵、罗茨泵、螺杆泵、滑阀泵等方面。而且，在现有的旋片泵研究中，对主题结构研究主要集中在材料和局部结构上，对整体结构的改进的研究较少。毕业设计（论文）61 引言电子式真空泵是指在汽车上由直流电机驱动，并由电子元件控制的旋片式真空泵，近年来在小型汽油发动机汽车中广泛使用。电子式旋片泵由工作腔、连接支架和驱动电机组成。电子式旋片泵的特点是：驱动力由直流电机提供，电力来自 12V 的车载电源；发动机转速较高，一般为 30005000r/min，工作时间可根据汽车需要由电子元件控制；为了减轻泵体总量，一般采用自润滑的工作方式，转子与旋片多为自润滑性能较好的非金属材料。电子式旋片泵由直流电机驱动，因此它的抽气速率不会受发动机的运行工况的影响，而且真空度传感器与控制单元的加入，可以使汽车智能的启动或暂停旋片泵，大大减少旋片泵的实际运行时间。另外，在汽油发动机中增加电子式旋片泵，不需要发动机直接提供动力，对汽车动力性的影响较小。1.1旋片泵的工作原理旋片泵在工作时，转子带动叶片旋转，叶片借离心力(有的还有弹簧力)紧贴定子内壁，把进排气口分割开来，使叶片两侧气腔的容积大小发生周期性变化，从而完成吸气、压缩、排出气体的过程 7。其中起抽气作用的是各个基元腔，它是由前后两叶片、转子和定子组成的容积腔。工作过程可分为三个步骤：a) 当第一个叶片扫过进气口时，基元腔体积逐渐变大，开始吸气过程；b) 当第二个叶片关闭进气口时，基元腔体积达到最大并开始逐渐变小，开始压缩过程；c) 当第一个叶片扫过排气口时，基元腔体积继续变小，开始排气过程。毕业设计（论文）7(a) (b)R-工作腔半径 r-转子半径 E-转子偏心距e-叶片偏心距 B-叶片厚度图 1-1 旋片泵工作腔结构原理图Figure 1-1 Rotary vane pump cavity structure diagram1.2 旋片泵的工作循环过程车用旋片式真空泵的工作腔由多个基元容积腔组成，在转子的每个运动周期内，各个基元都完成相同的工作循环过程。因此，只需研究其中一个基元容积腔的循环过程，就可以了解整个真空泵的工作情况。基元的容积大小随转子的转角变化而变化，设转子旋转一周的时间为 T，则每过一个周期 T，基元容积腔便完成一个完整的循环过程。假设基元容积最小时为零，并以此刻作为转子转角的起点，便可绘制转子旋转过程中基元容积和转角的关系曲线，如图 1-2(a)所示。图中 V2 便是每个基元所能吸入的最大气体体积。通过合理的设计，可以保证基元容积在不断变大的情况下，基元始终与进气口相连接，直到基元容积腔体积达最大时停止进气；进气口关闭后，气体开始压缩，且基元内气体压力的升高；排气口接通，当基元内气体压力足够高时，开始排气。如图 1-2(b)所示，由 1 到 2 是旋片泵的吸气过程，2 到 3 是气体的压缩过程，3 到 4 是排气过程。其中，2 、2 、2 是分别考虑到压缩过程可能为绝31 32 33热、多方、等温等情况。毕业设计（论文）8(a) 基元容积与转角的关系曲线 (b)工作腔内气体循环过程图 1-2 旋片泵基元的理论工作循环(a) a primitive volume and angle of the curve (b) working cycle of the gas chamberFigure 1-2 theoretical work cycle rotary vane pump primitives1.3本文研究设计内容a) 根据小型乘用车对电子真空泵的性能要求，推导旋片泵主要性能参数的设计方法，并确定旋片泵的结构尺寸，然后建立车用旋片泵的三维结构模型。b) 对零部件进行虚拟装配，检查其设计的合理性，并探究在三维设计软件中从三维到二维的高效设计方法。c) 对旋片机构进行运动学和动力学进行研究分析，推导叶片的速度、加速度以及受力的计算公式，为其平衡及强度设计建立基础。2 设计要求在车用旋片泵的结构设计过程中，可以简单分为以下四个步骤。首先，根据汽车对该电子真空泵的性能要求，计算出旋片泵的主要结构尺寸；其次，设计旋片泵的内部结构，包括工作腔形状及气体管道的布置等；再次，设计旋片泵的外观形状及与汽车车架的连接方式；最后根据实际需求对零件总成进行结构优化，在保证功能强度的前提下，减轻旋片泵总成的质量和体积。毕业设计（论文）92.1 性能要求本课题设计的旋片式电子真空泵，是向小型乘用汽车的助力制动系统提供真空源的汽车零部件，根据汽车真空泵性能要求及台架实验方法 ，其性能必需满足以下几个要求：（1）该电子真空泵的极限工作温度至少为40C+120C，以保证汽车助力制动系统在极寒或极热环境下均能正常工作；（2）该电子真空泵的极限工作电压至少为 6V16V，以保证汽车助力制动系统在电压不稳定时能正常工作；（3）旋片泵的极限真空度要达到当前大气压的 86%以上，以保证汽车助力制动系统的助力强度；（4）在当前大气压下，从容积为 4.5L 的真空罐开始抽气，必须保证真空罐内部真空度达 50%时所需时间不超过 4 秒，真空度达 70%时所需时间不超过 10 秒，以保证汽车的助力制动系统的响应速度。（5）电子真空泵的累积工作时间不低于 500 小时。表 2-1 车用电子真空泵的性能要求Table 2-1 automotive electronic pump performance requirements参数名称工作温度范围工作电压范围测试真空腔容积达到 50%真空度的时间要求达到 70%真空度的时间要求极限真空度要求工作寿命要求要求 -40 C120 6V16V 4.5L 小于 4s 小于 10s 86% 500h2.2 材料选择要求在旋片泵工作时，转子与旋片是泵腔内的主要运动部件，受到来自泵腔内壁摩擦、气体压力、自身惯性力等载荷的作用，运行条件比较恶劣，因此在材料的选择上必须重点关注。在干式旋片泵的设计中，由于缺少泵油的润滑，旋片与转子的材料选择不仅需要满足强度要求、轻量化要求，还要满足自润滑性能的要求。另外，考虑提高旋片泵的使用寿命，旋片材料还要具有较高的耐磨性。毕业设计（论文）10参考机械设计手册，干式旋片泵的旋片材料一般以非金属材料为主，如陶瓷、酚醛树脂、石墨等。本课题中，旋片与转子均采用聚甲醛材料，具有强度高、质量轻、自润滑和耐磨性好等优点。3 结构参数的选择结构参数的确定是产品结构设计的前提，根据车用旋片泵的性能要求，对每一个影响性能参数的结构参数进行计算分析，最终得出产品的结构尺寸。3.1几何抽速 Sth抽气速率是指旋片式真空泵在单位时间内抽出气体的体积，常用单位为升/秒（L/s） ，主要包括名义抽速、几何抽速和实际抽速。a) 名义抽速名义抽速是指泵在出厂时，标牌上锁表明的抽气速率。b) 几何抽速几何抽速是泵按照额定转速运转时，在单位时间内抽出气体的体积。几何抽速Sth 是吸气终了时吸气腔容积 Vs 与转子转速 n，以及旋片数目 z 的乘积，即：（3-1）=式中 A吸气终了时吸气腔的截面积；L泵腔高度。c) 实际抽速实际抽速是在实际应用中测得的泵的抽气速率。实际抽速是入口处压力的函数，在实际抽气过程中，随着入口处压力的下降而下降。当入口处压力等于极限压力时，实际抽速变为零。此时，泵抽取的空气的体积等于泵内气体通过间隙返回吸气腔的气体体积。在正常大气压下，泵在设计时要考虑使实际抽速等于名义抽速。国内行业标准规定用几何抽速来考核抽气效率。根据表 2-1 对旋片泵抽气速率的要求，结合旋片泵性能参数的计算方法，可得当名义抽速 Sm 1(L/S)时，可以满足抽速需求。根据标准 JB/T6533-1997，泵的几何抽速 Sth 应为名义抽速的1.01.2 倍 8。为了保证名义抽速，则应选较大的 Sth 值。 ，这里取 Sth= 1.2Sm。毕业设计（论文）113.2驱动主轴转速 n对于同一抽速，转速小则尺寸大，体积大，重量大，材料消耗较大，但温升较低，旋片头部最大线速度较小，对旋片材质和泵油要求较低，橡胶件不易老化。考虑到汽车发动机舱空间有限，对泵体体积、重量要求严格，这里取较高转速 n = 3800 r/ min 。3.3旋片数目 Z普通真空泵一般叶片数为 2。因为片数多，加工复杂，成本高。通过旋片泵几何抽速的计算可知，当泵的转速达到较高的数值时，再增加旋片可以在不加大转子偏心距，又不增加最大线速度的情况下提高抽速。车辆用真空泵为增加怠速时的抽速，取 Z=5，这样多个叶片可共同工作，也可使真空泵性能更加稳定。3.4直径比 bB=dD，d 为转子直径，D 是泵腔直径，抽速一定，b 小则泵的定子尺寸小，偏心距 e 大，泵运转时旋片最大伸出长度与留在槽内的长度之比大，旋片受力大，容易磨损或发生故障，在实用中 b=075090。连续工作入口压力较低的可取小值，反之可取大值。在这里，初选 b =0.85 。3.5长径比 aa=h/D，h 是泵腔长度，D 是泵腔直径，a 值的选取影响叶片头部的最大线速度，与泵温、磨损有关，影响加工工艺性外形尺寸和重量以及外形的美观。a 值还受进气口结构的限制。通用化规格选择不当，会使泵温度较高，外形尺寸大，重量大，一般取 a=o515，对于大泵取大值，小泵取小值。初选 a =0.5 。3.6实际容积利用系数 Kv容积利用系数即旋片泵吸气结束时，进气腔容积占整个工作腔容积的比例，通常总通过合理的布置进气口和进气导流槽来获得最大吸气容积利用系数。由图 3-1，可以很清楚的看到当相邻两叶片相对于 x 轴对称时，吸气腔的横截面积最大。毕业设计（论文）12图 3-1 旋转式真空泵几何示意图Figure 3-1 Schematic rotary vacuum pump geometry设 r 为转子半径、R 为定子半径、z 为叶片数目，则直径比 b =d/ D=r/R 、P 2= /z。令 S 为工作腔横截面积，S0 为吸气腔横截面积，S1 为 O1O2B 面积，S2 为扇形 BO1C 面积,S3 为扇形 AO2D 面积。则（3-2）1=2+(1)2（3-3）1=12()1（3-4）2=122（3-5）3=122（3-6）=(22)（3-7）=0=2(1+2+3)毕业设计（论文）13当采用五片式旋片泵结构时，初步设计容积利用系数 Kv=0.418 。3.7计算泵腔尺寸D 为泵腔直径，d 为转子直径，h 为泵腔长度，e 为偏心距。旋片泵腔的主要尺寸间存在如下关系 9：（3-8）= 24107(12) （3-9）=（3-10）=（3-11）=12()把前面选定的系数代入上式，再对计算出的数值圆整后，可得： D =48, d =40 ，h =22, e =4 ，单位为 mm。3.8计算旋片尺寸 转子中叶片槽偏置距离 的选取1根据转子尺寸大小，选取 = 11( mm)。1 旋片厚度 B 的选取对于高速直联干式真空泵，一般都应采用非金属的旋片材料。这里选用聚甲醇材料，厚度 B = 3(mm)。根据上面的分析计算，可以得出车用旋片式电子真空泵的主要结构参数，如表 3-1 所示表 3-1 旋片泵的主要结构参数Tab 3-1 The main structural parameters of rotary vane pumps名称 泵腔直径 mm转子直径 mm泵腔高度 mm转子偏心距 mm叶片数目叶片偏心距 mm叶片厚度 mm电机转速r/min大小 48 40 22 4 5 11 3 3800毕业设计（论文）144 三维结构模型的建立4.1 三维建模技术概述三维建模技术是结构设计的主要技术手段，是计算机视觉、计算机动画、计算机虚拟现实等领域中建立三维实体模型的关键技术。任何形状的产品都可以看作是由三维几何构成的组合体，用来描述产品的形状、尺寸大小、位置与结构关系等几何信息的模型称为几何模型。而设计建立这个集合模型的技术即称为三维建模技术。在旋片泵的结构设计中，本课题采用 CATIA 三维建模软件。CATIA 是法国达索公司的产品开发的旗舰解决方案。CATIA 软件可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。图 4-1 CATIA 软件主界面Figure 4-1 CATIA software main interface毕业设计（论文）154.2 零部件的建模过程旋片式真空泵的结构各种各样，本课题设计的旋片泵采用无润滑油的工作形式，且安装于汽车发动机舱，设计过程中重点考虑了结构的简单化和轻量化。该旋片泵由近 30 个零件组成，按照各个零部件的功能划分，产品模型可以分为三大部分：抽气机构、驱动机构、外壳及附件机构。图 4-2 旋片泵的组织结构图Figure 4-2 Organization Chart rotary vane pumps4.2.1 抽气机构的结构设计 泵腔组件的设计旋片泵的工作腔是由定子、上下端盖组成的密闭空间，是旋片泵的核心部件，必须保证采用可靠的材料。对于干式旋片泵，由于没有润滑油的冷却作用，选取的材料必须是耐摩擦和耐高温的，经过查阅机械设计手册，这里选用碳素结构钢 45。工作腔大小决定着旋片泵的抽气速率，通过上一章的理论计算，已知当转子直径为40mm、高度为 22mm，定子内壁直径为 48mm 时，可以满足对抽速的设计要求。 转子与旋片组件的设计在干式旋片泵中，为减小真空泵的内泄漏，一般采用 36 个槽的转子结构，本次设计采用五槽的转子结构。由一般旋片泵的设计经验可知，使叶片相对转子径向倾斜一定角度，可以减小叶片顶部作用力对叶片沿滑槽运动的阻碍，改善叶片在滑槽中的运动情况，避免叶片侧面与滑槽间的严重磨损。在油封式旋片泵中，一般采用强度高、变形小的铸铁作为转子与叶片的材料；而在干式旋片泵中，一般采用非金属材料，如陶瓷、酚醛树脂、石墨等，这里选用耐磨性好的聚甲醛材料。转子的高度为 22mm，直径为 40mm；叶片高度为 22mm，厚度为 3mm，长度为 18mm。毕业设计（论文）16图 4-3 泵腔组件模型示意图Figure 4-3 Schematic model of the pump chamber assembly图 4-4 转子与旋片模型示意图Figure 4-4 Schematic model of the rotor and the rotary vane毕业设计（论文）17 进气口的开设 对于油润滑的旋片泵，进排气口一般开设在定子上，这样便于整体的铸造加工。而这里设计的旋片泵，是无油润滑，且必须考虑结构的紧凑性。因此，本课题设计的旋片泵进排气口开设在上下端盖。进排气口角度的开设，直接影响了旋片泵的抽速及工作效率。对于进气口角度的开设，要求当基元容积达到最大时，进气口恰好关闭，这样可以保证旋片泵的抽气速率达到最快 10。在吸气过程中，相邻两叶片的轴线与定子内壁交点 A、B，关于 X 轴对称时，它们组成的吸气腔容积达到最大。对于五槽式旋片泵，两叶片间的夹角为 72，此时 OA 与 x 轴的夹角为 36。如图 4-5 所示，为保证此时进气口恰好关闭，通过几何作图，可以确定进气口角度为 46。图 4-5 利用几何作图原理确定进气口的角度Figure 4-5 geometric mapping principle to determine the angle of the inlet 排气口的开设在干式旋片真空泵中，转子偏心的安装于定子内部，转子外圈与定子内壁接触，并存在相对运动。一般在初次安装时，尽量让转子与定子内壁压紧接触，但由于磨毕业设计（论文）18损效应，转子与定子总会出现间隙。这个间隙的出现会导致排气腔内的气体回流到吸气腔，降低了旋片泵的极限这空度与工作效率。因此，必须合理设计排气口的角度，使回流的气体体积达到最小。在排气过程中，当相邻两叶片的轴线与定子内壁交点 A、B，关于 X 轴对称时，它们组成的回流腔容积达最小。对于五槽式旋片泵，两叶片间的夹角为 72，此时 OA 与 x 轴的夹角为 36。为保证此时排气口恰好关闭，通过几何作图，可以确定排气口的角度，如图 4-6 所示。图 4-6 利用几何作图原理确定排气口的角度Figure 4-6 Geometric mapping principle to determine the angle of the exhaust port4.2.2 驱动机构的结构设计 支架结构的设计直联式旋片泵的支架具有连接泵体工作腔与直流电机、开设进排气道，与汽车车架连接等作用。它作为一个连接部件，既要保证其强度，又要尽可能的减轻重量。经过对比分析，铝锌合金 zl401 符合要求，其铸造性能好，将起作为支架的加工材料。在结构设计的过程中，首先根据泵腔组件的结构，确定支架上表面的气道开孔位置；再次，根据选择的电机模型，设计支架下表面的结构形状，并确保不与电机上端盖的电子器件干涉；最后，根据旋片泵在发动机舱的固定方式，设计两个安装毕业设计（论文）19泵体总成用的支臂。图 4-7 支架组件的模型示意图Figure 4-7 Schematic model of the bracket assembly 电机与驱动组件的设计在动力驱动组件的设计中，根据上一章的计算结果，选用德昌电机集团生产的直流电机，该电机在转速 3800r/min 时，可以输出 0.5N m 的扭矩，符合该旋片泵所需的动力需求。该旋片泵采用电机直驱的动力传递方案，相比传统的直联式旋片泵，中间省略了联轴器零件，使整体结构更紧凑，运行更平稳。电机直驱方案是指在直流电机的输出轴处压入一个用于递扭矩的拨动块（起到类似键连接的作用） ，通过拨动块驱动转子，实现旋片泵的正常运转。图 4-8 电机与驱动组件的模型示意图Figure 4-8 Schematic model of the motor and drive components毕业设计（论文）204.2.3 外壳及附件机构的结构设计 外壳消声器组件的设计对于直联式旋片泵，运行过程中的噪声主要来自三个方面：泵体、联轴器和电机。本课题选用的直流电机功率较小，相对泵体而言，其运行过程中产生的噪声可以忽略；该旋片泵采用电机直驱方式，取消了联轴器结构，也不存在联轴器产生噪声问题；因此，泵体噪声是在设计过程中唯一需要重点考虑的噪声源。泵体噪声又可分为机械噪声和气压噪声。机械噪声包括转子与泵腔内壁的摩擦噪声、运转过程中旋片对定子内壁的冲击噪声、机械不平衡引起的振动噪声和共振噪声；气压噪声主要包括进排气时气体的冲击噪声、有害空间引起的气流噪声。这些噪声都会随着气体排到空气，影响乘车人员的舒适性。因此很有必要在旋片泵的排气口出设计一消声器，减小噪声的对外扩散。抗性消声器是指利用管道的突然扩张、收缩或旁接共振腔，使沿管道传播的噪声在截面突变处有一部分向声源反射回去，而不通过消声器,这种消声器对中低频噪声消声效果好高频较差 11。 这里设计的消声器便是利用了抗性消声器的工作原理，该消声器由外壳、橡胶圈、上端盖和定子组合而成，如图 4-9 所示。噪声通过泵腔排气口时，噪声的通道截面突然扩张，通过橡胶圈口时又突然收缩、扩张，然后通过外壳与定子组成的通道时截面再次收缩，这一过程取到了抗性消声的作用，如图 4-10 所示。图 4-9 外壳消声器组件的结构示意图Figure 4-9 Schematic diagram of the muffler housing assembly毕业设计（论文）21图 4-10 噪声的传播路线及消声器原理图Figure 4-10 Route propagation and noise muffler schematics 密封组件的设计旋片式真空泵作为一台真空抽气机械，其密封性直接影响了整机的性能。旋片泵总成除了进气口与排气口与外部零件相连，其余部位均要实现密封，保证内部气体不对外泄漏，外部水汽也不进入泵体。在泵腔内部，通过转子、叶片与泵腔的滑动接触在实现密封，少量的泄漏无法避免；在泵腔外部，选用橡胶圈，基本可以保证连接件间的密封无泄漏。密封圈的形状必须根据连接部件接口处的形状来设计，因为橡胶的可变形性，密封圈大小可以比接口处间隙稍大。 其它组件的设计除了以上介绍的零部件，一台旋片泵总成还需要用于减小振动的橡胶衬套和用于固定的螺栓等零部件，这里就不再详细介绍。4.3 泵体总成的虚拟装配虚拟装配是三维结构设计中的一个重要环节，在虚拟技术领域和仿真领域中都得到广泛的应用。它是一种零件模型按照约束关系进行重新定位的过程，可以根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品的装配过程。通过虚拟装配，可以检查各零部件间是否存在干涉，有效的分析产品结构设计的合理性。本课题的采用由里到外、逐级引用的方式，建立旋片式真空泵的虚拟装配模型。其装配方式如下：（1）按照功能把旋片泵分成 3 个一级部件，每个部件又可以分成 3 到 7 个二级部件；（2）逐次对上下级的从属关系进行描述，利用几何特征位置记录下零件间的装毕业设计（论文）22配关系；（3）在 CATIA 中，新建一级部件的存档，把各个零件插入进去，再根据装配特征进行约束；（4）新建用于存放总装模型的存档，插入各个一个部件，再次对其进行装配约束；（5）最后把附件都装配上去，虚拟装配就完成了。装配后的零部件可以通过参数化和无约束化两种方式来修改，并把修改后的零件更新到总装图，保证了零部件与总装配图的数据一致性，具体装配步骤如下。4.3.1 抽气机构的装配抽气机构的装配是以定子为固定元件，其它零部件通过插入“相合” 、 “接触” 、“偏移”和“角度”命令装配到定子上，组成一个具有抽气功用的泵腔。图 4-11 抽气机构装配示意图Figure 4-11 Schematic pumping mechanism assembly4.3.2 驱动机构的装配在实际装配中，拨动块内孔与电机主轴是过盈配合，必须通过压机才能把它们装配上；而电机与支架间是通过圆孔定位，再用三颗 M4 螺栓进行固定。在虚拟装配中，与抽气机构的装配一样，通过 CATIA 的约束命令，就可以准确无误的把拨动块安装到驱动主轴上面。毕业设计（论文）23图 4-12 驱动机构装配示意图Figure 4-12 Schematic assembly drive mecha