【doc】 采用双联泵结构的新型液压动力转向泵研究

【doc】 采用双联泵结构的新型液压动力转向泵研究 采用双联泵结构的新型液压动力转向泵研 究 《机床与液压》2005.No.10?93? 采用双联泵结构的新型液压动力转向泵研究 姚晶宇,王庆丰 (浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,杭州310027) 摘要:针对目前汽车中常用的双作用叶片式转向泵在高速运转时存 在较大能量损耗的问,提出了一种采用双联叶片 泵结恂的新型转向泵.介绍了这种新型转向泵的工作原理及结构,并 与常用叶片式转向泵进行了比较,分析,结果表明这 种新型转向泵能够有效提高转向泵在高转速下的工作效率. 关键词:转向系统;转向泵;双联泵;仿真 中图分类号:TH31文献标识码:A文章编 号:1001—3881(2005)10—093—2 StudyofaNew——styleSteeringPumpBasedonTwinPump YAOJing—yu,WANGQing—feng (TheStateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandControlof ZhejiangUniversity,Hangzhou310027.China) Abstract:Anew—stylesteeringpumpbasedontwinpumpwasputforwardtor esolvetheproblemofhighenergyconsumptionof ordinary. vanesteeringpump,Thestructureandprincipleofthisnew—stylesteeringpu mpwasintroduced.andbycomparisonwitho卜 stylesteeringpumpc dinarysteeringpump,theresultindicatesthatthisnew— animprovetheefficiencyofsteeringpumpworkingin highrotatespeed. Keywords:Steeringsystem;Steeringpump;Twinpump;Simulation 转向泵是液压动力转向系统中的关键部件.在各分能耗,是解决整个转向系统能耗问题的重点所在. 种转向泵中,双作用叶片式转向泵由于具有尺寸小, 重量轻,流量均匀,噪声低的优点,被广泛使用于各 种汽车的液压动力转向系统中.由于双作用叶片泵 是一种定量泵,一般由发动机通过带传动驱动旋转, 所以其输出流量与发动机的转速成正比.为了防止车 辆高速行驶时转向泵输出给转向器的流量过大,对转 向安全性造成不利影响’,在转向泵内一般设有溢流 阀组以限制最大流量输出.多余的油液通过溢流阀组 回油,产生大量的能量损耗,降低了转向系统的效 率, 为了改善这种情况,本文提出了一种新型的采用 双联泵结构的叶片式转向泵,并对其工作原理,结构 和能耗进行了分析研究. 1常用叶片式转向泵的能耗分析 图1是一种常用的双到转向器I 作用叶片式转向泵的液压__一’…一一一 系统原理图.图中II部一’一i一, 分的作用是限制转向泵的一?\s 最大输出流量和最高工作3—.I,I 压力,在此称为限流限压]—』_1a 阀组,_l2二一』.一.__ 由于限流限压阀组的, 限流作用,超过最大流量,一, 的多余流量部分通过溢流…一_一_I’… 主阀2回油.多余流量越....... 生韵詈向 多tlPJ~IO2中可以看到…一…… 液压动力转向系统的能量损耗分布,其中有46%的 损失来自于这种”多余流量”.因此,如何降低这部 2新型转向泵的结构和工 作原理 针对上述能量损耗问题. 提出在现有双作用叶片式转向 泵的基础上,采用双联形式的 双作用叶片泵,再增加部分控 制阀的,可以有效地降低 多余流量产生的能耗. 图3是液压系统原理图. 该转向泵可以分为四个部分: 多余流量的 能量损失 有效功率 泵和转向器 的能量损失 带传动的 能量损失 系统重量的 能量损失 图2液压动力转向系 统的能量损失 (I)双联双作用叶片泵;(II)限流限压阀组;(III) 合流控制部分;(IV) 电控单元.双联双作用 叶片泵包括主泵单元1 和副泵单元8.两个泵 单元由同一根轴带动一 起旋转.合流控制部分 包括一个单向阀7和一 个电磁换向阀6以及相 应的油路.电控单元9 接收到发动机转速等信 号后,通过一定的规则 输出控制信号,控制电 磁换向阀6换向. 图3新型双联转向 泵液压原理图 该转向泵的工作原理如下: 双联叶片泵由发动机带动旋转,从油箱吸油,并 从两个泵单元各自的出油口输出油液.当发动机转速 较低时,泵输出的流量也较小.此时换向阀6处于断 开油路的状态,副泵单元8输出的油液只能通过单向 ? 94?《机床与液压》2005.No.10 阀7流到主泵单元1的出口处, 油液合流,一起向转向器供油. 与主泵单元1输出的快. 随着发动机转速的逐渐提高,转向泵两个泵单元 输出的流量也逐渐变大.当转速高到一定程度时,主 泵单元l的输出流量就能够满足转向器的工作需要, 电控单元9发出控制信号,使电磁换向阀6切换到接 通油路的状态.此时副泵单元8输出的油液直接通过 换向阀6流回油箱(或吸油口),副泵单元8出油口 处的压力下降为零,单向阀7关闭,阻止主泵单元1 输出的油液流至副泵单元8的出油口.在这种状态 下,只有一个主泵单元通过限流限压阀组向转向器输 出油液,因而只有主泵单元输出的多余流量会通过限 流限压阀组的溢流主阀2回油而产生功率损失.副泵 单元输出的流量全部通过换向阀回油,由于换向阀的 开口量很大,副泵单元的出口处压力接近零,因此做 功近似于零,功率损耗极小,可以忽略不计通过这 种方法,减小了经过溢流主阀2回油的多余流量,从 而降低了这部分多余流量产生的能量损耗. 3仿真研究 首先对常用叶片式转向泵进行仿真,仿真时的主 要性能参数为:排量8mL/r;最高工作压力8MPa; 转速400,7000r/min;最高输出流量约7L/min. 图4是常用叶片式转.. 向泵的转速一流量曲线. 负载压力为4MPa.其中,, Q.是叶片泵出口处的流 量,Q是转向泵输出流,/——一 量.在转速达到800r/min,// 时,叶片泵的流量达到限”i一 流限压阀组限定的最大 流量值,因此在超过800图4常用叶片式转向泵的 r/mi的转速范围内,输转速一流量曲线图 出流量Q一直稳定在6.5L/min左右,不再随Q.增 加. 如果不考虑叶片泵本身的机械和容积效率,则该 转向泵的效率为: =P. /P.=P6?Q6/(p.’Q.) 其中P,和P分别为l,一 转向泵的输入和输出功,, 率.根据以L公式和仿真\ 得到的数据,可绘出转向蓉o.5’\, 泵的效率随转速变化的曲0.3-,, 线,如图5所示.可以看 到,常用双作用叶片式转.l102一 向泵的工作效率随转速的转速’’ 提高而下降.在转速超过图5常用叶片式转向泵的 约800r/min后下降得更转速一效率曲线图 下面对新型双联转向泵进行仿真.为了能够同前 面的数据进行对比,该转向泵的两个泵单元的排量各 为前一次仿真的常用转向泵排量的一半,即两个泵单 元的排量总和与前一次仿真中的叶片泵排量相同.其 它数据均与前一次仿真相同. 在仿真开始时,换向阀6关闭,当转速达到 1800r/min时换向阀6打开,得到如下结果: 图6是新型双联转向 泵的转速一流量曲线.负 载压力为4MPa.其中, Q.和分别是主泵单元 和副泵单元输出的流量 (两者完全相同),Q是 进入限流限压阀组的油液 流量,p是转向泵输出的 流量.可以看到,在转速 达到1800r/min以前,转 图6新型转向泵的转 速一流量曲线图 向泵输出的流量与常用叶片式转向泵完全相同, 进入限流限压阀组的流量Q是两个泵单元流量的总 和,即与图4中的流量Q.相同.当转速达到180Or/ min时,换向阀6换向,副泵单元输出的流量通 过换向阀回油,因此只有主泵单元输出的流量Q进 入限流限压阀组,故Q下降为原来的一半左右,与 Q.曲线重合.由于换向的冲击作用,在转速1800 r/min处输出流量Q出现了短暂的下降波动,但很 快恢复正常(仿真得到的波动时间大约为0.02s), 不影响转向系统的正常工作. 如果不考虑双联叶片泵本身的机械和容积效率, 则该转向泵的效率为: = P/P=P6?Q6/(p’Q.+p’Q) 新型转向泵的转速一?.0 效率曲线如图7所示.其.s 中的曲线可以分为三段: 在转速低于800r/min时,婪 该新型转向泵的效率是低 于常用叶片式转向泵的. 原因在于仿真中换向阀6.O4)转速10,(r00. o00 采用了滑的,.于图7新型转向泵的转滑阀完全关闭时也存在一 速一效率曲线图 定的泄漏,尽管泄漏量很 少,但是由于泵低速运转时输出的流量也很少,所以 泄漏流量在其中所占的比例就比较大,导致效率偏 低. 转速在800,1800r/min之间时,该新型转向泵 的效率基本上与常用叶片式转向泵相等. (下转第122页) ? 122?《机床与液压》2005.No.10 作时,阀2处于打开状态.由于cd很长,几乎占圆 周的四分之:,所以rrLI轮每转过一周,即每振动一 次,滑台都有一段相长的稳定而慢的进给时问,占 整个振动周期的四分之三.I_l1i凸轮的其余三段曲线 cla,ab及bc共约占的四分之一,说明行程阀2从 开始关闭一直到重新打开,所用去的时间很短,也就 是说,滑台变化进给的时间很短,占振动周期的四分 之一左右.由此可知,如果令滑 台的正常进给量,即行程阀2处 于打开状态时的较慢进给量为 . 而较快的进给量,即行程阀2 处于关闭状态时的进给量为5+ AS,即可画m刀尖相对于[件的 运动轨迹,为一条近似于锯齿波 的曲线.因此,在决定凸轮的转 速时,要注意使其不等于主轴转 速的整倍数.令桕邻两转的刀尖 运动轨迹错歼一个相位,如图3 图3相邻两转刀 尖运动轨迹 昕示,就可使切厚度发乍周期性的变化而断屑.这 种锯齿波的曲线的刀尖运动轨迹,比用正弦波曲线更 有利于保证被加工表面的粗糙度. 试验表明,刀具的振动方向取与进给方向平行最 为合理,这样既町保证断屑,又能满足加工精度和表 面粗糙度的要求?当刀具的振动方向与进给方向相垂 直时,加工粗糙度很差,而且刀刃很快就会崩坏振 幅2的大小取决于每转进给量.s,与工件的转速无 关.一般取2A=(0.7,1.2).s较为合适.频率.厂的大 小主要由工件的转速n决定,与进给量.s无关.一般 可取=3,40Hz,当刀削速度大时,-厂取大值,速 度小时,f取小值.但必须注意,不可等于工件每 秒钟转数n或n的整倍数.此外,振动力还必须足够 大,以保证刀具能产生振动切削的作用,这样才能得 到一段段稳定的断屑效果. 3结束语 经实践证明,采用液压振动切削的断屑方法是可 靠的,它的适应范围很广.可以采用不同的切削用 量;用于车,镗,钻,扩,仿形车削等加工方法;也 不受工件材料的限制.它对加工精度及表面粗糙度影 响不大,可以满足半精加工的要求.如果振动参数选 择得当,表面粗糙度可达Ra1.6,Ra3.2m. 参考文献 【1】李向明,谈宇.机床自动化与自动线.北京:机械 工业出版社,1981. 【2】俞启容.机床液压传动.北京:机械工业出版社, 1983. 【3】马福昌.金属切削原理及应用.济南:山东科技出版 社.1983. 作者简介:刘春林,男,1953年出生,宁波工程学院 机械工程系教授.主要从事机械制造工艺,液压与气压传 动方面的科研与教学工作. 收稿时间:2oo4—05—18 (上接第94页) 在转速超过l800r/rain以后,由于只有主泵单元 做功,节省r副泵单元的功率消耗,所以整个转向泵 的效率大幅上升,接近于常用叶片式转向泵效率的两 倍: 4结论 通过仿真分析叮以看到,本文提出的采用双联叶 片泵结构的新型转向泵,在高速运转时可以大幅度提 高工作效率,减少功率损耗. 对于这种新型转向泵在低转速下效率比常用叶片 式转向泵低的问题,可以通过改变换向阀的结构 (如采用锥阀或球阀形式的换向阀),减小其关闭时 的流量泄漏来解决但由于汽车怠速工况下的发动机 转速一般在700,900r/rain之间,转向泵不会在低于 该转速的范围内工作,闽此这个问题并不影响转向泵 的实际工作效率 在换向阀切换时,不可避免地会引起输出流量的 波动,波动的大小取决于换向阀的换向速度,换向越 快,则波动越大.但是波动持续的时间很短暂,只要 波动不是很大,对系统的正常工作不会有影响. 由于采用了双联叶片泵,又增加了一个单向阀和 换向阀,因此该泵的结构比常用的叶片式转向泵要复 杂,在结构设计上需尽量紧凑以减小体积. 参考文献 【1】张雪彪.汽车动力转向叶片泵降噪研究[D.大连 轻工业学院,2001. 【2】张国智,康佼.汽车动力转向油泵的流量控制.机 床与液压,2000(1):6o一61. 【3】李一染,权龙.液压转向助力系统能耗特性的分析 和比较.工程设计,2002(3):131,135. 【4】赵代勇,张国智等.动力转向液压泵试验方法及试验 设备.液压与气动,2000(1):48,50. 【5】YoshitomoTokumoto.Developmentofenergy—savingpump forhydraulicpowersteering.JSAEReview,1997,18:310 , 313. 作者联系方式:姚晶宇,电话:0571—87951271(实 验室),E—mail:jY—yao@zju.edu.CB. 收稿时间:2004一l2—22