新型双作用变量叶片泵功率特性仿真分析

1、新型双作用变量叶片泵功率特性仿真分析陈磊,张银东,纪玉龙,孙玉清大连海事大学轮机工程学院 , 大连 116026E-mail :摘 要:考虑实际汽车转向系统中助力泵的输出流量高于实际需求的流量, 增加了泵的功率 损失, 降低了汽车的整体效率的问题, 提出了一种在专利技术基础上的, 含有浮动块的新型 双作用变量叶片泵, 该泵应用在汽车转向助力泵等工况。 同时建立汽车液压助力转向系统的 Matlab Simulink 仿真模型,对转向泵选择不同的参数进行仿真,并对仿真的功率输出结果 进行对比和分析。 仿真结果表明该泵的功率输出明显降低, 是一种较有应用前景的新型叶片 泵。关键词:转向系统;浮动块;

2、双作用变量叶片泵;节能目前大多数商用车和轿车都采用动力 转向, 这是因为动力转向不仅能较好地解决 转向轻便与转向灵活的矛盾, 而且还能提高 行驶安全性和舒适性。 动力转向系统以液压 助力式居多, 但是液压式动力转向需消耗一 定的能量,使汽车燃料消耗增加。 一般动力 转向装置所引起的燃油消耗约占整车燃油 消耗的 3%1。其中又以汽车转向泵消耗的 无功功率为最大。 汽车行驶过程中,发动机 大部分时间在高于怠速的转速范围内运转, 而且 80%以上的时间处于不转向的直线或 等待状态, 因此油泵输出的油液大部分经过 流量控制阀和转向控制阀流回储油罐, 造成 很大的损失 1。在汽车节能呼声日益提高的 今天

3、,有必要研究新一代的汽车转向泵, 解 决传统转向泵无功功率消耗过大的问题。 本文所要介绍的双作用变量叶片泵是 在专利技术 2基础上,提出了一种含有浮动 块的新型叶片泵。此泵具有速度补偿特性, 能降低泵的无功功率消耗, 相对于传统助力 泵是一种较为理想的汽车用转向助力泵。 1. 基本结构双作用变量叶片泵是在现有双作用定 量叶片泵的基础上进行一定的结构改进而 形成的。它主要由定子、转子、叶片、吸油 窗口、排油窗口、 浮动块及联接弹簧等所组 成。如图 1所示, 在外壳体的内圈上装有定 子和定子衬套, 在定子内装有转子。在转子 上均布的装有 8组叶片, 在每两组叶片中间 均布的装有 8组浮动块。 浮动

4、块由浮动块体 和联接弹簧组成; 浮动块体安装在浮动块体 滑槽内, 联接弹簧安装在弹簧槽内,在弹簧 槽底开有联通孔通到吸油腔, 使通过浮动块 泄漏的液压油通过联通孔回到油腔, 并且保 证浮动块体能够顺利的工作、 运动灵活。新 型叶片泵在保持现有定量叶片泵转子径向 受力平衡等优点的基础上, 还能够十分方便 的按照转速的不同要求,自动改变其排量。 图 1 双作用叶片泵结构示意图1. 定子 2.弹簧 3.转子 4.浮动块体 5.浮动槽 6.叶 片新型双作用叶片泵与传统双作用定量 叶片泵在结构上的主要区别:将转子在两个 叶片之间的部分制成随着叶片泵转速的变 化而发生的浮动部件, 使叶片泵的排量在叶 片泵

5、转速变化时,变化较小或不变化。 改变 了随着发动机的转速的增加助力泵的排量 也将随着增加的状况, 通过改变泵的排量达 到在汽车不转向时降低泵输出功率的目的。基金项目:教育部博士点基金项目 (20020151007 作者简介:陈磊(1980-,男,博士生孙玉清(1963-,男,博士,教授,博士 2. 工作原理 2.1 工作原理概述双作用变量叶片泵变量原理是在其转 子的浮动槽上安装可以上下伸缩的浮动块 体,随着转子旋转速度的变化, 浮动块体可 在槽内上下滑动, 这样浮动块体随着转速的 变化在油腔内占据不同程度的空间, 就会使 泵的有效容积空间发生变化,实现泵的变 量。 在不考虑浮动块体重力和油液阻

6、力等条 件下, 以两个相邻叶片间的一个浮动块体工 作过程为例, 当汽车发动机驱动转向叶片泵 在低于设定的转速旋转时, 由于浮动块体底 部有弹簧设定的预拉紧力, 浮动块体将被弹 簧牢牢的拉在浮动槽内不能向外伸出, 这时 叶片泵将不能实现变量, 泵的每转排量将不 变。当转速大于设定的转速时, 浮动块体受 到离心力的作用大于弹簧的预拉紧力, 这时 的浮动块体将能伸到有效的变量范围内。 当 浮动块体一端的叶片进入吸油窗口时, 这时 叶片间的油液连通吸油腔, 浮动块体受离心 力作用克服弹簧的拉力逐渐向外伸出, 同时 弹簧也将被拉伸,则弹簧的拉力将变大。 当 两个叶片旋转到处于吸排油窗口之间的大 圆弧处而

7、已脱离吸油窗口未进入排油窗口 时, 浮动块体将受到离心力与弹簧力这对相 互作用力,而达到静止状态。 浮动块体将在 有效的变量空间占据相邻两叶片间的一定 片间容积。 当浮动块体一端的叶片进入排油 窗口后, 浮动块体由于受高压油和弹簧力的 共同作用将把浮动块体迅速的拉回到浮动 槽中。同样, 当浮动块体与两个相邻叶片旋 转到定子小圆弧处,叶片间仍为高压油, 浮 动块体不能伸出,会顺利的通过小圆弧处, 直到叶片转到下一个吸油窗口处, 浮动块体 开始了下一个工作过程。 在浮动块体上升到 一定的高度会与浮动槽产生缝隙, 这样一部 分的高压油也可流进浮动槽内, 当泵转到吸 油区内时,这部分的高压油流入吸油腔

8、, 从 而也能降低泵的排量。2.2理论流量和输出功率方程建立浮动块体上升过程中会在定子曲线内 的有效变量空间内占据一定的片间容积。 当 浮动块体下降时, 会从上升过程中的最大高 度位置开始被压回浮动槽, 同样在排油过程 中占据同样的片间容积来减少叶片间的有 效工作容积。因此, 浮动块体上升和下降过 程中对减少叶片泵排量的影响是相同的。 在 只考虑浮动块体与浮动槽泄漏量的理想情 况下,泵的平均理论流量公式222122111(2(cos88vcR R zq b R Rxb xb q n=(1 从浮动槽缝隙中所泄漏掉流量公式312(12cb h p pql =(2式中 x 浮动块体的伸长量b 浮动块

9、体宽度n 叶片泵的转速z 叶片泵的叶片个数1 浮动块体厚度2 叶片厚度 叶片倾角R 1 叶片泵定子短半径R 2 叶片泵定子长半径b 油 液 流 速 垂 直 方 向 上 的 缝 隙 宽 度 缝 隙 高 度hp1 缝 隙 高 压 侧 的 压 力p 2 缝 隙 低 压 侧 的 压 力l 缝 隙 长 度 油 液 的 动 力 粘 度叶 片 泵 输 出 功 率 方 程 为vP q P=(3 3叶片泵输出功率动态仿真基于以上泵的工作原理分析和输出功 率方程建立, 参照参考文献 6中的液压助力 转向系统数学模型和参数的选取,应用 Matlab 中 Simulink 软件建立液压助力转向 系统仿真模型, 对双作

10、用变量叶片泵作为系 统转向泵的输出功率动态特性进行计算机 仿真研究。3.1参数选取参照于大连液压件厂生产的 VOP 型转 向叶片泵的各项设计参数, 设定双作用变量 叶片泵的各项参数如下:(1转速范围为 转速 5003200 r/min,工作压力 6 MPa; (2 定子长半径 22.6 mm, 短半径 19.3 mm, 厚度 20 mm,转子半径 19.0 mm,叶片个数 10,叶片厚度 1.4 mm。(3浮动块体整体 n高度设计约 4.76 mm,浮动块体顶端是宽 5 mm ,高约 0.16 mm的圆弧,然后相连的是 宽 5 mm, 高 0.3 mm的矩形结构, 下面是宽 4 mm,高 1.

11、6 mm的矩形结构,下端相连宽 2 mm,高 1.4 mm的矩形结构,底端为宽 5 mm , 高度 1.3 mm矩形结构, 都呈中心对称。 相应不同转速范围泵的理论流量方程为(1当转速 5001200 r/min(浮动块体上升高度不大于 0.3mm 时流量方程为 n 222122111( 2( cos 822v c R R z q b R R xb q n =(4(2当转速 12002500 r/min范围内 (浮 动块体上升高度在 0.3mm, 1.9mm,流量 方程为n 22212211112( 2( cos 320.0332(0.03 v c R R z q b R R b x b =q

12、 n(5(3当转速 25003200 r/min(浮动块 体上升高度大于 1.9mm 时,流量方程为n 2221221111213( 2( cos 320.03320.1632(0.19 v c R R z q b R R b b x b q n=(6 3.2仿真结果和分析 转速匀加速上升通常情况下, 传统转向油泵的流量随发 动机转速的提高而增大, 这样在高转速的情 况下,油泵的输出流量比较大, 高于实际需 求的流量, 因而油泵的输出功率也较大, 增 加了泵的功率损失。 在提高泵的转速, 当给 方向盘施加一个力矩,使其产生 0.5 rad的 阶跃转角, 转向系统中转向泵的转速上升斜 率为 15

13、的匀加速, 在 1 s内转速从 10 r/s上 升到 25 r/s,转向泵系统实际输出功率动态 响应曲线如图 2所示。输 出 功 率 /K W图 2 转速上升输出功率仿真曲线 1/t s 由图 2可认为:在 1 s内转速急剧上升,系统的响应速度较快,波动较小。 功率输出变化平稳且稳定在某一范围内。 由于变量机 构在大约 0.65 s的时候开始工作, 转向泵转 速变化导致供油量发生变化, 系统出现不稳 定状况,但是很快的系统重新趋于稳定。在其它参数完全相同的条件下, 转向系 统中转向泵的转速上升斜率为 30的匀加速 变化,在 1 s内转速从 20 r/s上升到 50 r/s, 转向泵系统实际输出

14、功率动态响应曲线如 图 3所示。从仿真曲线的变化趋势可以看出, 对于 同一种变化情况当转速变化较为平稳时, 系 统的变化趋势越平稳,系统的超调量就越 小。 由图 2和图 3 对比可见, 输出功率的峰 值及平稳值均随速度变化的增大而增大, 功 率的波动是由速度变化、 变量机构工作引起 的,这与系统的实际情况相符合。输 出 功 率 /K W图 3 转速上升输出功率仿真曲线 2/t s(2转速变加速上升图 4是在其他参数完全相同的情况下, 转向系统中转向泵的转速上升斜率为 15的 变加速, 转向泵转速在 1 s内上升, 在前 0.3 s 内转速保持在 10 r/s, 从 0.3 s至 1 s的范围

15、内,转向泵转速从 10 r/s上升到 22 r/s进行仿真得到其动态响应曲线。图 4 转速上升输出功率仿真曲线 3此种仿真条件下,在前 0.3 s速度保持 不变,随后的 0.7 s速度上升变化。从仿真 曲线看出 , 在 0.3 s时系统出现超调量, 这是 因为 0.3 s时设定速度开始上升变化,速度 有变化, 因此系统出现轻微波动。 在大约 0.9 s 时,转向泵的速度达到使变量机构开始工 作的速度值,因此浮动块开始上升, 泵的理 论流量再次发生变化, 引起系统的再次出现 不稳定趋势,并很快平稳下来。 纵观整个曲 线的变化趋势,随着转速的不断上升, 输出 功率曲线的变化趋势基本保持恒定, 略微

16、上 升。以上是通常汽车转向几种速度变化时 泵的功率输出的情况, 从仿真的曲线结果来 看,曲线输出较平稳,系统的超调量较小, 当速度发生变化或变量机构开始工作时, 系 统发生波动,但是很快的又能趋向平稳状 态。转速上升后, 系统稳定后输出功率曲线 变化趋势基本保持稳定,并成略微上升趋 势。理论上,在负载压力不变的情况下,转 向泵的输出功率与泵的流量成正比, 也就是 在泵排量一定的情况下与转速成正比, 转速 越高输出功率就越大。 虽然传统转向泵会加 有流量控制阀来控制泵在高转速情况下的 最大输出流量,即控制功率输出, 但是这样 会使泵在高转速情况下大量的油液在泵内 循环, 将发动机提供的能量大部分

17、实现无用 功,加大了泵本身的功率消耗。 可以肯定泵 的转速越高,油液在泵内循环越多, 泵的功 率消耗就越大。 把大部分油液强制在泵内循 环,将其本身的机械能损耗掉,变成热能,使转向系统温度升高很快, 这对汽车的行车 安去是无益处的。 在泵高转速情况下通过浮 动块的方式控制流量的办法来降低泵无功 功率的消耗,减少寄生损失, 这对汽车转向 泵的节能降耗提供了一种可行的解决方案。输 出 功 率 /K W4. 结论本文介绍的叶片泵是一种基于全新变 量理论提出的速度补偿双作用叶片泵, 属于 在动力运输领域中用于汽车转向助力等工 况下而发明的一种新型叶片泵。与此同时, 作者建立简化后的液压助力转向系统的仿

18、 真模型, 并用仿真工具 Simulink 分析系统在 发动机转速变化情况下转向泵的输出功率 的动态特性, 仿真结果证明它不仅继承了传 统双作用叶片泵的优点, 还能有效的解决传 统转向泵无功功率消耗过大、 油泵输出的油 液大部分经过流量控制阀所造成很大的寄 生损失的问题。 这种新一代汽车转向助力泵 的提出, 面对如此庞大的中国汽车市场,不 仅有科学意义, 更有市场价值。由于降低了 转向泵占整车的能耗, 减少了汽车的废气排 放和燃油消耗, 对环境保护的影响也是深刻 的。 综上所述,双作用变量叶片泵是一种结 构新颖实用的用于汽车转向工况的助力泵, 是有进一步改进和研究的理论意义和价值 的,有一定的

19、应用前景。/t s 参考文献:1 季学武 , 陈奎元 . 动力转向系统的发展与节能 J.世界汽车 , 1999,(10:7-102 孙玉清 . 速度、压力补偿平衡式叶片泵 p.中国 .专利号 :02203765.9,2003.1.83 Yuji Koazki,Goro Hirose,Shozo Sekiya. ElectricPower Steering Motion and ControlJ.Dynamic Design Lab,2001(114 薛晓虎 . 液压系统缝隙内流体泄漏特性的分析J.机械工程学报 ,2004,40(6:75-805 Eiichi Kojima. Developme

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