机械工程及自动化毕业设计 节能型汽车转向油泵的设计和研究

1、节能型汽车转向油泵的设计和研究节能型汽车转向油泵的设计和研究学 院： 机械与车辆学院机械工程及自动化专 业： 姓 名： 指导老师： 学 号： 职 称： 教 授 中国 二一一年 五 月 xxxx 学院毕业设计学院毕业设计诚信承诺书诚信承诺书 本人郑重承诺：本人郑重承诺：我所呈交的毕业设计节能型汽车转向油泵的设计和研究是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。承诺人 ： 日期： 年 月 日 Xx 学院 2011 届本科生毕业设计（论文） I节能型汽车转向油泵的设计和研究摘 要 助力转向泵性能的好坏直接关系到汽车转向

2、系统是否能正常运行。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。本文提出单作用叶片泵替代双作用叶片泵的设计思路。与双作用叶片泵相比，单作用叶片泵具有良好的预升、卸能力和节约能量等优点，而且满足变工况调节。针对单作用叶片泵流量脉动较大、定子受力不好的情况，文中对其流量特性和定子力学特性进行研究分析，得出的结论是:叶片数的奇偶性与叶片泵的流量脉动没有直接的关系；定子在 x 轴向的所受作用力较小，而且方向恒定。对常见的机械中位开式、机械中位闭式、电动中位开式和电动中位闭式几种液压助力转向系统的节能策略进行分析，并进行节能效果的比较。通

3、过分析和比较，发现电动中位闭式液压助力转向系统具有明显节能的优势。在电机方面采用了新型节能的变频液压技术，研究和分析了一种新型变频闭式液压动力系统，主要由变频电机驱动的主油路和补油回路组成。此外，本文运用软件 Pro/E 对转向泵进行三维数字化建模以避免将来在加工装配过程中人力、物力、财力等不必要的浪费和损失。总之，本文对解决车辆能耗问题具有较高的现实意义，同时对复杂液压元件的虚拟设计有着重要的参考价值。关键词关键词:电动液压助力转向泵 中位开式 中位闭式 变频电机 三维建模 Xx 学院 2011 届本科生毕业设计（论文） IIDESIGN AND RESEARCH IN THOERY ABO

4、UTSTEERING PUMPS OF POWER-SAVING TYPEABSTRACTThe quality of power assisted steering pump influences the automobile steering systematic normal running directly. The double action vane pump using extensively at present has great energy waste; however the single action vane pump, owing to output flow v

5、arying with load, can reduce energy waste. So text adopted single action vane pump to replace double action this vane pump, optimized port plate design and emulated its distributing flow characteristic. The result indicated that this steering pump nicer boosting and unloading pressure ability in adv

6、ance . This text studied the pumps flow characteristic and mechanics characteristic of its stator and drawed the conclusion that vane number is odd or even number has no relation with flow pulses when vane number is even number, force the stator suffering along the X anxis is less than when vane num

7、ber is neighboring odd number and its direction is constant. These Center-open EHPS system, Center-closed EHPS system Though analyzing and comparing, it can be proved that the EHPS system will be dominant and developed mainly in the future. The variable speed control hydraulic technology is a new ki

8、nd of energy saving transmission technique. In this paper, a new variable speed control hydraulic power unit is developed. In addition, this text used the software PRO/E to build the three-dimensional model of the steering pump, thereby avoiding the waste and loss of manpower, material resources, fi

9、nancial resources in the course of processing and assembling in the future.In a word, this text has certain actual meanings in solving the vehicle energy consumption problem. At the same time, there is important reference value to the fictitious design of the complicated hydraulic pressure component

10、. KEY WORDS：Electro-Hydraulic Power Steering(EHPS) of the pump, Center-open, Center-closed, Frequency conversion motor, Three-dimensional modeling Xx 学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 目 录摘 要.ABSTRACT .1 绪论.11.1 汽车转向系统简介： .11.2 国内外研究动态 .21.3 开展本论文研究的工程意义 .41.4 本论文的创新点 .51.5 论文研究的主要内容 .52 研究电控液压助力转向系统(EHPS)的特点和工作原

11、理.72.1 EHPS 系统构成及工作原理 .72.2 EHPS 系统分类和特点 .82.3 EHPS 系统与其它转向系统的比较 .93 转向泵的流量和压力特性的分析和设计.113.1 转向泵的流量特性分析 .113.2 理想状态下节能型转向泵的瞬时流量特性分析 .113.3 卸荷槽引起的回冲流量特性 .133.4 考虑实际影响因素时节能型转向泵的瞬时流量 .143.5 节能型转向泵定子的力学特性分析 .16 Xx 学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 3.5.1 定子受力的数学模型 .163.5.2 定子受力计算结果分析 .213.5.3 变量机构参数的确定 .213.5.4 节能型转向

12、泵的流量-转速特性 .244 对现有中位开式、闭式液压助力转向系统进行能耗分析.264.1 现有传统液压助力转向系统的能耗分析 .264.2 几种转向助力系统节能方案的原理介绍和能耗分析 .274.2.1 变量泵中位开式转向助力系统 .274.2.2 电动中位开式转向助力系统 .284.2.3 中位闭式转向助力系统 .284.3 汽车转向助力系统节能方案的确定 .285 研究变频闭式液压电动机动力系统.305.1 变频液压技术的优点 .305.2 变频调速技术的基本原理及特点 .305.3 变频调速装置及其控制方式 .315.3.1 变频调速装置的组成 .315.3.2 异步电机变频调速的控制

13、方式 .325.4 变频液压动力系统中电机的选型比较 .335.5 变频液压动力系统中泵的类型比较 .375.6 变频闭式液压动力系统的方案设计 .395.6.1 变频液压动力系统的控制方案组成 .39 Xx 学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 5.6.2 变频闭式液压动力系统的元件选型设计 .395.6.3 系统整体结构设计 .416 转向泵的三维实体造型 .426.1 三维实体造型 .426.1.1 转子的三维建模 .446.1.2 泵盖的三维建模 .446.1.3 左配流盘的三维建模 .466.1.4 泵体的三维建模 .466.2 虚拟装配 .486.2.1 转向泵的组装 .486

14、.2.1 转向泵的爆炸图 .49参考文献.50总结与展望.52附 录.53谢 辞.62XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）1 1 绪论1.1 汽车转向系统简介：汽车转向系统可以分为无助力转向系统和有助力转向系统。随着科技发展和新技术的采用，有助力转向系统逐渐由传统的液压助力转向(HPS)(Hydraulic-Power-Steering)系统向电动液压助力转向(EHPS)(Electro- Hydraulic-Power-steering)系统和电动助力转向(EPS)(Electro-Power-steering)系统及线控转向系统（SBW）（Steering-By-Wire）发展。

15、汽车在转向的时候，由于车轮与地面的摩擦，前桥载荷可以高达几千牛顿，在没有助力的情况下用手臂转动转向盘会感觉到比较沉重，所以，需要采取助力转向来解决转向轻便性问题。而随着车速的增加，车轮与地面的摩擦力减小，在提供相同助力的情况下，高速时会令人感觉到转向盘发飘，另外，转向盘高速转动的时候，助力容易出现严重滞后，因此需要采用助力调节来解决转向盘发飘和助力跟随性问题。传统的液压助力转向系统是利用发动机带动转向油泵工作，油泵的流量和压力随发动机的转速升高而增加当转向的时候，液压油流入其中的一个缸，而另外的一缸则有一部分油回流。这样两缸之间产生了压力差，从而产生助力。如果油泵的流量和压力越高，那么产生的助

16、力就越大。对于汽车来说，车速越高，发动机的转速越快，这样油泵的流量和压力就会越大，相应的产生的助力也就越大，导致高速时转向盘发飘，为了解决这个问题，液压助力转向系统使用控制阀控制进入油缸的流速，让流速不要随着泵的转速改变而改变，这样解决了发飘的部分问题【1】。电动液压助力转向系统(EHPS)【2】是在传统液压系统(HPS)的基础上增设了电控单元(ECU)而组成的，它使用电机代替发动机带动转向油泵工作。通过 EUC控制电机转速，电机转速越高，转向油泵的流量和压力越大，相应产生的助力也就越大。通过调节电机转速，就可以实现助力可变。电动助力转向系统是由独立于发动机的蓄电池提供动力带动电机，用扭矩传感

17、器测出施加于转向轴的扭矩，根据不同行驶条件通过 EUC 传送给电动机一个合适的电流以产生适合工况的转向助力。传统的液压助力转向系统(HPS)还存在以下问题:首先没有实现真正的助力调节，它采用恒流速的方法，只能部分解决转向盘发飘问题，高速时感觉较轻，低速时感觉较沉，操控舒适性较差;另外，在车速升高时，发动机转速升高，泵XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）2 的流速升高，控制阀控制大部分液压油没有进入油缸而是回流入泵，这样造成了较大的能源损耗。 电动液压助力转向系统(EHPS)能量损耗较小，可以根据不同的路况提供可变助力，操纵手感好，适用于中型以上的货车和豪华轿车。电动助力转向系统（EP

18、S）最节能，但目前使用的是有刷直流电机，寿命相对较短，适用于轻型轿车【3】。线控转向系统（SBW）技术含量高，目前处在概念研究中。1.2 国内外研究动态l953 年通用汽车公司在凯迪拉克和别克轿车上首次批量使用液压动力转向系统以来，液压动力转向系统给汽车的发展带来了巨大的变化，使驾驶员的转向操纵力大大降低，转向的灵敏性得到提高，但液压动力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性。2O 世纪 60 年代末，德国 Kasselmann 等试图将转向盘与转向车轮之间通过导线连接(即电子转向系统)，但由于当时电子和控制技术的制约，电子转向系统一直无法在实车上实现。1983 年日本 K

19、oyo 公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统 (EHPS)。EHPS 是在液压动力系统基础上发展起来的，在传统的液压动力转向系统的基础上增设了电控装置，它通过控制电磁阀，使动力转向系统的油压随车速的变化而改变，在大转角或低速行使时，转向轻便；在中、高速时，能获得具有一定手感的转向力。但是仍然无法克服液压动力系统在布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损和噪声等方面的一些缺陷。1988 年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动动力转向系统(EPS)，转向系统才真正摆脱了液压动力转向系统的束缚。EPS 的动力形式也从低速范围动力型向全速范围动力型发展，并且其控制形式与功能

20、也进一步加强。奔驰公司于 1990 年开始了前轮电子转向系统的深入研发，并将其开发的电子转向系统应用于概念车 F4OOCarving 上。世界其它各大汽车厂家、研发机构(包括 Daimler-Chrysler、宝马、ZF、DELPHI、TRW 等)以及日本的光洋(Koyo)精工技术研究所、日本国立大学、本田汽车公司等也先后对汽车电子转向系统做了深入研究。XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）3 1995 年日本 Toyota Machine Works 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。宝马汽车公司的概念车 B

21、MW Z22，应用了 SBWS 和 BBW(BrakeByWire)技术，转向盘的转动范围减少到了 160，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大程度的降低。由于汽车供电系统的因素，转向电动机难以提供较大功率，现阶段电子转向系统的研究以及近期的应用对象主要针对轿车。要在重型载货汽车上应用，还必须采用液压执行机构。随着蓄电池技术的发展和 42 V 电子设备在汽车上的应用，全电子转向系统必将应用到中型和重型车上。目前 42 V 电源已经在一些概念车上得到应用，通用的“自主魔力”和 Baritone 的“FILO”都采用了 42 V 电源。DANA 公司认为未来 EHPS 将取代传统的液压转向助力系

22、统，该公司预测2010 左右，欧洲全部小客车的三分之一将采用 EHPS，全球市场潜力将由 2001年的 2500 万美元增加到 2010 年的 7000 万美元，那时全球每年的 EHPS 产量达到 1000 万套。由于 EHPS 系统涉及电子、机械、液压等诸多领域，面临的难题较多，再加上国外对此方面的技术非常保密，故国内对该系统的研究还处于探索阶段，有一些汽车公司对其进行研究，主要是高校在进行一些探讨。2004 年比亚迪股份有限公司申请了电动汽车液压助力制动系统的专利，本发明公开了一种电动汽车液压助力制动系统，包括一个制动主缸、一个制动踏板机构和一个管路装置，其特征在于，本系统还包括一个与该制

23、动主缸相通的液压助力体，该制动踏板机构还包括一个与制动踏板转动轴连接的角度传感器 2006 年奇瑞汽车有限公司申请了汽车电控机械式自动变速器的液压系统的专利，本发明涉及一种汽车电控机械式自动变速器的液压系统，优点在于：由于储能器一直储存较高的工作压力，能对各个控制阀需要的油压作出迅速反应；另一方面可以使齿轮泵处于良好的工作状态，延长了使用寿命。离合器控制采用进出油道采用同一出口，实现了离合器的快速分离和慢速结合。 北京航空航天大学的高峰等通过对转向器转阀及 EHPS 的分析，建立了转向器模型以及分流式 EHPS 的模型，采用简化算式对转向器及分流式 EHPS 操舵力特性曲线进行了分析并且通过改

24、变转阀的预开隙、转阀的坡口半径、转向器扭杆刚度及电磁阀阀芯节流口形状等参数，分析了 EHPS 的影响参数。XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）4 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0.3-0.7 之间。此外还有一些厂家对 EHPS 项目处于探索阶段，如浙江恒隆万安泵业有限公司成立了电机、油泵技术研究所，产品结构将向电磁阀控制的液压助力和由电机驱动的电动液压助力方向发展，但目前尚未有成熟的技术产品投向市场。电控液压助力转

25、向是传统液压助力转向 HPS 和电动助力转向 EPS 之间的一个过渡产品，EHPS 技术的提出及实用性研究对汽车转向系统有着重大的工程价值。虽然随着 EPS 技术的成熟，成本的降低，EPS 将成为主流技术。但在目前阶段，由于 EHPS 技术正趋于完善，成本也较 EPS 低，较 HPS 节能环保，并且较 HPS 具备非常优越的转向感，因此 EHPS 在一定时期内还将具有极大的市场潜力和显著的经济效益。1.3 开展本论文研究的工程意义当今汽车技术的发展趋势是节能、安全和轻便。据公安部的统计，2003 年我国的汽车保有量为 242.16 万辆，预计 2020 年将达到 1.4 亿辆左右。巨大的市场需

26、求以及能源和环境因素要求汽车生产企业改进技术，提高产量。所以如何提高助力转向系统的工作性能、减少系统的能耗也成为了日益关注的问题。目前，转向系统种类越来越多：机械转向系统、液压动力转向系统（HPS）、电控液压助力转向系统（EHPS）、电动助力转向系统（EPS）、线控转向系统（SBW）。本课题通过对电控液压助力转向系统（EHPS）节能、安全和轻便等方面的研究，为开研制电动液压助力转向系统提供相关知识和技术储备，进而为研制适合轿车的电控液压助力转向系统的样机奠定基础。所研究的电动液压助力转向系统具有如下优点：(1)EHPS 系统通过 ECU 控制直流电机转速来带动电动泵工作，可根据转向需求提供不同

27、的助力，改变了传统液压助力转向系统单一助力特性的缺点。(2)EHPS 系统采用液压提供助力，使助力比较平滑，手感好，解决了现有电动助力转向系统中存在的方向盘摆振问题。(3)对于以前的 HPS 可以经过相对简单的改装即可成为 EHPS 系统，适用于各种车型，而且比 HPS 更节能、省油。XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）5 而对于 EPS 和 SBW,国内科研机构和一些高校正在做探索性的研究工作，在台架上基本实现了电动转向的助力功能，但一些关键技术尚未取得突破性进展，如在转向控制方面没有解决转向盘的摆振、转向的快速响应回正以及阻尼控制等。尽管它们是动力转向器未来的发展趋势，但是没有充

28、分利用现有液压动力转向系统技术，而且会丧失许多人习惯的液力感觉和转向路感。目前国内还没有成熟的产品投向市场，仍处于概念研究阶段，而电控液压助力转向系统作为中间产品起着承前启后的作用，能提高转向动力系统的工作性能、降低系统的能耗，而且可以提供较大的转向助力，滞后时间短，可吸收来自路面的冲击。所以，EHPS 能提供比其它转向系统更安全、更舒适的转向操控性的同时还具有较好的节能效果。因此，开发电控液压助力转向系统（EHPS）具有很好的发展前景和深远的社会意义。1.4 本论文的创新点图 1-4 节能型电控液压助力转向系统（1）用单作用变量叶片泵替代双作用定量叶片泵（2）采用中位闭式转向系统（3）采用变

29、频电机作为动力源1.5 论文研究的主要内容XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）6 基于 EHPS 的国内外研究现状以及我国研究处于初级阶段，本文从实际出发，结合理论研究、系统设计与实验的研究方法，具体研究内容如下：（1）研究电控液压助力转向系统的结构和工作原理。（2）转向泵的流量和压力特性的分析和设计。（3）对现有中位开式、闭式液压助力转向系统进行能耗分析。（4）研究变频闭式液电动机动力系统。（5）转向泵的三维实体建模。 XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）7 2 研究电控液压助力转向系统 (EHPS)的特点和工作原理2.1 EHPS 系统构成及工作原理系统构成：电动液压助

30、力转向系统是在液压动力转向系统基础上发展起来的，是将电机与液压动力电动泵、齿轮齿条式转向器、转向控制阀、电控单元等集成在一起的一种转向技术。它的结构如图 2-1 所示。图 2-1 电动液压助力转向系统组成图XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）8 系统工作原理:首先控制器实时的根据角度传感器和车速传感器等的信号计算出合适的电机转速，并调节电机达到该合适转速;在电机带动下，液压泵将高压油从出油孔泵出通过出油管进入转向阀，当有转向操作时，转阀阀芯和阀套产生相对运动，导致高压油进入其中一个油缸(如左缸)，使左右油缸产生压力差，从而产生助力一个油缸(如右缸)的低压油被压出来回流入液压泵。图中深

31、色管为高压油色管为低压油。当无转向操作时，高压油不进入油缸，直接回流入液压泵【4,5】。2.2 EHPS 系统分类和特点电动液压助力转向系统根据转阀的不同分为中位开式和中位闭式。中位开式工作系统的组成如图 2-2-1 所示。转向阀中位有预开量，不转向时，来自转向液压泵的液压油经过槽和槽脊之间的间隙(预开口)、阀芯上的径向孔流回油箱，因此也被称为常流式转向助力系统。转向液压泵通常由发动机驱动(亦可由电动机驱动)。中位开式转向助力系统的优点是结构简单、液压泵寿命长和转向手感好。 图 2-2-1 中位开式 EHPS 系统中位闭式转向系统如图 1-4 所示。当方向盘处于不转向的中间位置时，转向阀的进出

32、油口关闭。液压回路中装有蓄能器，当蓄能器中的压力低于某一位时，卸荷阀关闭，液压泵向蓄能器供油;当蓄能器中的压力达到另一较高值时，XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）9 卸荷阀打开，液压泵停止向蓄能器供油。由于蓄能器中总保持一定的工作压力，所以也被称为常压式转向助力系统。中位闭式转向系统最大的优势在于，在非转向工况下，系统几乎不消耗原电动机的能量，而在液压泵不运转的情况下，系统保持一定的转向能力，这些将在第四章分析。2.3 EHPS 系统与其它转向系统的比较传统液压助力转向系统由于由发动机带动转向油泵，在不转向或转向时都要消耗发动机部分动力。由于动力转向系统要求转向油泵的流量如图 2-

33、3-1 所示，要求随着发动机转速的提高所要求转向油泵的流量保持不变或下降。因此，在高速时，转向油泵内大部分流量通过溢流阀返回，在转向油泵内循环，造成转向油泵发热，更重要的是造成能源浪费，不符合汽车节能要求，也不符合汽车对转向系统的要求，能耗对比如图 2-3-2。图 2-3-1 转向泵流量特性曲线图 图 2-3-2 能量消耗比EHPS 系统可根据转向需求提供不同的转向力，满足汽车对转向系统的要求。在发动机怠速时，电动泵提供较大的流量，而在高速时，按转向要求，使其流量有所下降。亦即在低速行驶时，驾驶员需较小的转向操纵力就能灵活地进行转向，而在高速转向时，使操纵力逐渐增大，优化了转向操纵，提高了驾驶

34、员舒适性和转向灵活性，又克服了转向“发飘”感觉，使驾驶员操纵时有显著的“路感”，保证在高速行驶时的稳定性和安全感。XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）10 另外，EHPS 系统将电机、控制器、液压泵集成在一起降低了占用空间，安装比较轻便。控制器具有可编程性，可根据不同车型或个人喜好调节系统的性能，有较好的可移植性。 综上所述，EHPS 系统相对 HPS 系统具有如下特点:1) 采用变频电机，降低了能源损耗。2) 结构紧凑，便于安装。3) 具有可编程的助力特性，性能便于调试，能得到舒适的转向路感。4) 提高了可控性，可靠性，具有更好的安全性。5) 与传统的叶片泵相比，采用齿轮泵的 EH

35、PS 系统泵油效率提高。6) 维护方便。7) 具有较高的性能价格比。XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）11 3 转向泵的流量和压力特性的分析和设计3.1 转向泵的流量特性分析转向泵的性能对助力转向系统的正常工作具有至关重要的作用，尤其是其输出流量特性更是一项重要指标。单作用叶片泵的输出流量可随负载压力自动调节，具有节省功率、减少油液发热、可简化液压系统的优点，因此本文节能型转向泵采用单作用叶片泵。但不足之处是单作用叶片泵的流量脉动比双作用叶片泵的要大。因此对单作用叶片泵流量特性的研究并采取有效措施最大限度地降低流量脉动就成为节能型转向泵研究的首要工作。现有的理论普遍认为单作用叶片泵

36、相邻叶片，奇数叶片数的流量脉动要比偶数叶片数的小。所以在降低流量脉动方面的研究也主要针对奇数叶片数进行。结果表明:当预升压幅角和偏转角之和小于叶片夹角的一半且叶片数为偶数时，单作用叶片泵的流量脉动最小;得出了流量脉动频率与叶片数的奇偶性无关的结论【6】。3.2 理想状态下节能型转向泵的瞬时流量特性分析单作用叶片泵的工作原理如图 3-2-1 所示，主要由 1.转子 2.叶片 3.定子和两侧的配流盘组成。XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）12 图 3-2-1 单作用叶片泵的工作原理图中，即两相邻叶片间夹角的一半。在配油腰槽间隔角等于/ 2014叶片间夹角(即图中，)，且不考虑油液可压缩

37、性的理想010020020状况下，设时间内转子转过。叶片, 所扫过的容积差为，表达为:dtddv=() （3-1）dv2B2212d此时在忽略泄漏的情况下，泵的瞬时流量完全决定于工作腔几何空间变化率，其表达式为: （3-2212()shdvQB ndt2）式中:B-转子的轴向宽度;n-转子转速; 叶片的矢径; -叶片的矢径;取图123-1 中坐标系 oxy，相对 ox 轴转角为，叶片的矢径(见图 3-2-1)的表达式为:iXX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）13 图 3-2-1 矢径与转角的关系i22cos(sin)iieRe 按牛顿二项式展开，忽略高次小量得:22cossin/ii

38、ReeR 对上式平方，可得: （3-2222coscos2iiRe Re 3）记叶片相对于 oxy 轴的转角为,从开始计时，理想状况下单作用叶片0泵的瞬时流量公式为:1、叶片为奇数时 1)当时， 0 （3-2 cos(/ 2) cos(/ 2)sin(2) sinsheQLR4）2)当时， 2 （3-2 cos(3/ 2) cos(/ 2)sin(23 ) sinsheQLR5） 式中，当泵的参数选定后，为一常数。 LBe R L2、叶片为偶数时 1)当时， 0XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）14 （3-2cosshQL6） 2)当时， 2 （3-2cos(2 )shQL7） 叶

39、片泵的主要结构参数:定子内半径 R=26mm, 最大偏心距，定max1.6emm子宽度 B=15.4mm，转子转速 n =700r/min。从中我们可以看出理想状况下，奇数叶片数的流量脉动频率为；偶数叶片数的流量脉动频率为相邻/ 2Z/Z叶片数，叶片数为奇数的流量脉动幅值要比偶数的小。这也正是目前大多文献普遍认可的结论【6,7,8】。3.3 卸荷槽引起的回冲流量特性在预升压区内，排油腔的高压油通过卸荷槽向密闭油液回冲流量，这种回冲流量是负流量，使叶片泵的瞬时流量减小。预卸压区的卸荷槽对叶片泵瞬时流量并无影响，因此我们这里不对预卸压区的卸荷槽进行研究。 预升压卸荷槽的流量为。 （3- ( )2

40、()/dsQCAPP8）流过截面的面积的表达式为： A （3- 22min1112sin(/ 2)ASRtgtg9）式中:-卸荷槽的流量系数；-油液的密度；-排油腔压力；-卸荷槽的dCsP( )A过流面积; -预升压区工作腔中油液压力。P将式(3-8)代入式(3-9)可得: （3- 221112sin(/ 2)2 ()/sdsQCRtgtgPP10）预升压卸荷槽的阻尼过流流速 v 的表达式:XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）15 （3-( )2 ()/dsvCPP11） 卸荷槽的流量系数=0. 82; 预升压区卸荷槽的分步圆半径dC=25mm; 排油腔压力=7MPa; 油液的密度;

41、 预升压卸荷槽幅1RsP3860/kg m角，得出：当偏转角和预升压幅角时，01601300160014016排量调节系数 K=1, K=0.5 和 K=0 时预升压卸荷槽的阻尼过流流速曲线近似于与油泵排量调节无关。3.4 考虑实际影响因素时节能型转向泵的瞬时流量叶片 从水平位置逆时针转过时，没有立即和配流盘的排油腰槽接通，而是要继续转过后才能和排油腰槽接通。在这个角度区间内叶片排油窗11口被配流盘闭死平面封闭，自行进行封闭的机械压缩，没有向排油腰槽排油。预升压卸荷槽的流量表达式见式(3-10)。sQ配流盘偏转角和预升压幅角对叶片泵瞬时流量的波形有着很大的影响，11我们需要分为下列两种情况进行

42、讨论:1、当预升压幅角和偏转角之和小于叶片间夹角的一半，即时:1110(1)当叶片数为奇数时1)当时，10 （3-2cos(/ 2)cos(/ 2)sin(2)sinsheQKR12）2)当时，111 （3-2cos(/ 2)cos(/ 2)sin(2)sinshseQKQR13）3)当时；112XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）16 （3-2cos(/ 2)cos(3/ 2)sin(2)sin3 sheQKR14）式中：，当泵的参数选定后，为一常数。LBe R K(2)当叶片数为偶数时1)当时，0 （3-2cosshQK15）2)当时，1 （3-2cos()cossin(22 )

43、sin2 sheQKR16）3)当时，111 （3-2cos()cos( )sin(22 )sin2 shseQKQR17）4)当时，112 （3-2cos(2 )shQK18）2、当时，据工程经验恒有：成立：112112(1)当叶片数为奇数时1)当时110 （3-2cos(/ 2)cos(3/ 2)sin(2)sin3 shseQKQR19）2)当时，111 （3-2cos(/ 2)cos(/ 2)sin(2)sinsheQKR20）3)当时，12XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）17 （3-2cos(/ 2)cos(/ 2)sin(2)sinshseQKQR21）(2)当叶片数

44、为偶数时1)当时，110 （3-2cos()cos(/ 2)sin(22 )sin2 shseQKQR22）2)当时，11 （3-2cosshQK23）3)当时， 1 （3-2cos(/ 2)cos(/ 2)sin(2)sinsheQKR24）4)当时， 12 （3-2cos(/ 2)cos(/ 2)sin(2)sinshseQKQR25）通过以上的理论研究，在考虑卸荷槽回冲流量和油液可压缩性对单作用叶片泵流量脉动的影响，得出以下几点结论【9,10】：(1)不论叶片数为奇数还是偶数，其流量脉动频率均为。这是因为预升压/ 2Z区卸荷槽中油液倒灌作用破坏了原来的周期；(2)叶片数的奇偶性与叶片泵的

45、流量脉动无关；(3)当预升压幅角和偏转角之和小于叶片夹角的一半时，偶数叶片数的要比11其相邻奇数叶片数的流量脉动幅值要小。3.5 节能型转向泵定子的力学特性分析3.5.1 定子受力的数学模型XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）18 图 3-5-1 给出的是节能型变量叶片泵配流盘尺寸以及单工作腔内油液压力对定子作用力的示意图【8】： 图 3-5-1 单作用工作腔定子受力示意图图中，为两叶片中心相对定子中心的夹角。配流盘在设计时，使得叶片高压通高压低压通低压，主要靠离心力的作用仅仅贴在定子表面，这样叶片对定子的作用力就主要是叶片的离心力。不考虑叶片厚度，对于任意相邻两叶片在油压作用下对定

46、子产生的合力大小可以表示为：1F （3-22cos2sin2iiitFP R BxdxP R B26）显然是的一个函数。下面给出求解的过程：1()iFfi1在中，有：12OO A （3-22222112cos()O ARO AeO Ae27）在中，有：12OO BXX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）19 （3-22222112cosO BRO BeO Be28）所以有: （3-2221cos()sin ()O AeRe29）又因为总是锐角，所以(3-28)和(3-29)两等式中均取正号。12O BO由正弦定理得: （3-112sin()sin()O AROO A30） （3-112s

47、in()sin( )O BROO B31）即： （3-112sin()arcsinO AOO AR32） （3-112sinarcsinO BOO BR33）又因为： （3-11212OO BOO A 34）由上面几式可以得到： （3-222222( cossin)sin2sinarcsin( cos()sin ()sin()/ 2iiiiiiieReFPRBReReR35）这样就得到单个工作腔油液对定子作用力大小与转子转角的函数关系。i分解就可以得到单工作腔油液对定子所产生，轴向的分力。 1FXY （3-cosiiiFXF36）XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）20 （3-sin

48、iiiFYF37）式中：-第 个工作腔对定子产生的合力与轴的夹角，定子的受力具1i1FX有周期性，周期的大小。从叶片刚要进入预升压区时开始计22/TZ时，叶片与轴的夹角为转子转角，研究定子所受作用力随转子转角XF（）的变化规律，就可以知道任意时刻定子的受力情况。3图 3-5-2 计算起始位置示意图对于，任意时刻定子所受作用力在 X 轴上的分量和tFFxF在轴上的分量分别可以表示为:YFy （3-12sincos2niiiFxPRB38） （3-12sinsin2niiiFyPRB39）XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）21 式中: -任意时刻接通预升、预卸压区或排油区的工作腔数目;

49、n -第 个工作腔两叶片相对于定子中心的夹角;ii -预升压区为，排油区为，预卸压区为.P1P2P3P因为是由反正弦函数求出，随着转子转角的变化，分量角和油12OO Bi液压力也在变化，而且叶片数不同（以叶片数为 12 为例），分段情况也大P不相同。所以这里用表格的形式给出各种分段情况下的每个工作腔对应的转子转角、分量角以及油液压力。令.iiPcRarctge (1)当时，1工作腔P110-11P212/ 2iOO B1-22P12/ 2iOO B2-32P212/ 2iOO B3-42P412/ 2iOO B4-52P612/ 2iOO B5-62P812/ 2iOO B(2)当时，14c工

50、作腔P110-12P212/ 2iOO B (3)当时，42c工作腔P110-12P212/ 2iOO BXX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）22 3-42P412/ 2iOO B (4)当时，23工作腔P110-12P212/ 2iOO B3-42P412/ 2iOO B (5)当时，233工作腔P110-12P212/ 2iOO B3-42P412/ 2iOO B5-63P1012/ 2iOO B (6)当时，233工作腔P110-12P212/ 2iOO B3-42P412/ 2iOO B5-601003.5.2 定子受力计算结果分析 我们对式(3-38)和式(3-39)进行计

51、算，可以得到叶片数分别为 11, 12,13 时，定子所受作用力在 X 轴上的分量和在 Y 轴上的分量随转子转角的FFxFFyXX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）23 变化而变化且具有一定的周期性，周期为。叶片数为 12 时，定子在2/ Z轴向的受力大小不但要比叶片数为 11, 13 时的小，而且方向始终指向轴XX负向， 轴向的受力只影响定子移动时的摩擦力，在设计变量结构时，可以忽Y略。为了保证转向泵变工况的正常工作，我们有必要来研究偏心距 对定子受e力的影响。当叶片数为 12 时，偏心距 分别为 1.6mm、0.8mm 和 0 mm 时(分e别对应于前面 K=1, K=0.5 和

52、K=O 时的三个工况点，可以得出偏心距对定子在轴上的受力几乎没有影响，所以在设计变量结构时，可以忽略偏心距的影XFx响。3.5.3 变量机构参数的确定己知单作用叶片泵流量公式为: （3-14sinQnZBeRKe n 40）式中:-叶片数;-定子内半径;-转子轴向宽度; -泵的转速; -偏心距;ZRBne ；，Z14sinKnZBR对于给定的泵是一个常数。1K 流量取决于泵轴转速 及偏心距 e 两个参量。节能型转向泵的设计思路Qn就是用偏心距 e 的变化来平衡或补偿由 引起的泵流量的变化，并把变量泵的n流量恒定在系统所需要量值上。Q节能型转向泵的工作原理示意图如图 3-5-3 所示。为了降低转

53、向泵的机械噪声，本设计中使用滚针轴承来代替滑动轴承，使转子处于动态平衡。当泵轴转速变化时，节能型转向泵的流量可以通过根据负载变化自动调整偏心量来实现该泵输出流量为恒定值。节能型转向泵的变量机构采用了双活塞杆的控制。转向泵刚启动还未建立起压力时，定子 5 在弹簧 3 的作用下，向右移动到最右端，此时偏心距 为最大值。油泵输出的流量为，泵排出的油液全部通过节流emaxeQ阀进入动力转向系统，在节流阀两端形成压力差。当泵轴转速低时，12PPP泵的输出流量较小，也较小，偏心距 保持为最大值，直至流量达到转Pemaxe向系统的额定流量 7L/min 为止。若转速继续增高，也随之增大，变量活塞PXX 学院

54、 2011 届本科生毕业设计（论文）24 在压力差作用下克服弹簧力左移，使偏心距 减小，从而使流量变小。转速越e高，偏心距越小，因而保持泵在泵轴转速改变较大时，其流量在很小的范围内变动。这就是节能型转向叶片泵的恒流机理。图 3-5-3 节能型转向泵的工作原理示意图1-控制活塞；2-双活塞杆；3-弹簧；4-滚针轴承；5-定子；6-转子；7-节流阀 定子所受高压油液作用力在轴上的分量是一个变量，其变化频率FXFx非常高。当转向泵正常工作时，转速 在 2000r / min 左右，其频率在 400 fnfHz 左右。频率如此高的变力，在该液压助力转向系统中可以看作一个恒力，其大小为的平均值。FxFx

55、设控制活塞 1 的面积为，双活塞杆 2 的面积为。推力来平衡1S2S11P S的最大值；推力一方面平衡力，一方面平衡弹簧FxmaxFx2P SmaxFFxFx3 的推力。由于滚针轴承的摩擦系数，定子所受作用力在0.0250.004F轴上的分量所产生的摩擦力仅为几十牛顿，可以忽略不计。YFy力平衡方程为XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）25 （3-2max1111Fxp Spr41）= （3-0K xF22pr42）上面两式中： = 7 MPa，=1600N，=1000N，=600 N 弹簧刚度1pmaxFxFxF，弹簧预压缩量，节流阀两端压差。可45 10/KN m 04xmm3.

56、1pMpa以计算得:控制活塞的半径为：；双活塞杆的半径为：。18.5rmm29rmm3.5.4 节能型转向泵的流量-转速特性 转向油泵的流量对转向的灵敏性和操纵的轻便性有着重要的影响，所以本节我们来研究转向泵的流量-转速特性【9,11】。泵输出的流量全部进入节流阀，通过节流阀的流量与压差的关系可以用下式表示: （3-1dQCA2pKp43）式中: -流量系数；-系数，薄壁小孔为 0.5，细长小孔为 1; -节流阀通流dC1A面积，若调好不变，则为常数。1A21dKCA当转向泵转速增高，流量和压差也随之增大，液压力克服弹簧力使定P子左移，泵的输出流量减小，达到稳定状态时有: （3-0()KxxF

57、22pr44） 式中：-定子左移距离。x泵的偏心距： （3-maxeex45）泵的流量为：QXX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）26 （3-max4()QB n R ex 46）由(3-48)得: （3-(x 220)/prFKx47）将式(3-46)和(3-43)代入式(3-47)得: （3-22max014()drFQQB n RexKCA 48）对于细长小孔节流阀，由式(3-48)可解出:1 （3-max0112(/)1exF KKnQKAnK K49）对于薄壁小孔节流阀，由式(3-46)可解出:0.5 （3-221max022122114(/)2K AKexF KnK KQK

58、A nK K 50）式(3-49)和式(3-50)是节流阀分别为细长小孔和薄壁小孔情况下的泵的流量与Q泵轴转速的关系式。n从式(3-49)看出，当泵转速足够大时，则有:n （3-11221KAKAnnK KK K51）此时对于细长小孔节流阀，泵流量有极大值，表示为: （3-max02(/)limxexF KK KQA52）此时对于薄壁小孔节流阀，泵流量有极大值，表示为：XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论文）27 （3-max02(/)limxexF KK KQA53）通过计算表明，用薄壁小孔节流阀控制的稳流泵比细长小孔节流阀控制的稳流泵稳流效果更理想，所以在本设计中采用薄壁小孔节流阀。

59、4 对现有中位开式、闭式液压助力转向系统进行能耗分析4.1 现有传统液压助力转向系统的能耗分析目前，在使用的汽车转向助力系统中，绝大部分都是传统的中位开式液压转向助力系统（如图 2-2-1 所示）【11】，它的优点是结构简单、液压泵寿命长，转向手感好，但存在如下三方面的能量损失： 1)转向液压泵的能量损失：出于降低成本的需要，转向液压泵大多采用双作1w用定量叶片泵；泵的排量是个定值，因此为了保证在低速时也能提供足够的流量，通常按发动机最低转速来选用液压泵，而当汽车高速行驶时，这一流量会成倍的增长，目前采取的措施是附加旁通阀使多余的流量溢流，来保证发动机XX 学院 2011 届本科生毕业设计（论

60、文）28 转速增大时提供转向的流量不变。由于汽车在行驶过程中，发动机转速在绝大部分时间都是高于怠速的，从而面造成了能量损失。2)转向机构输出与负载不匹配产生的能量损失：当汽车在低速行驶下转向2w车速低于 15km/h 时，由于静摩擦力的影响，需要较大转向力矩，目前的转向r系统正是以此工况来确定系统的输出流量和压力。但当车辆高速行驶时，转向所需力矩减小，车速超过 50km/h 时，仅为低速时的 1/8，而这时供给转向阀的流量仍然不变，甚至增大，造成泵出口压力升高，所以存在与车速有关的能量损失。3)与转向器工作特点有关的能量损失：统计资料表明，汽车在行驶过程中有3w一个重要的特征，就是在行驶当中，