隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)及可持續(xù)發(fā)展的要求,降低能源消耗正成為世界各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn),這一點(diǎn)在汽車技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)得尤為突出。在以往的工作中,研究人員主要關(guān)注的是如何降低發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的能耗,而對(duì)輔助系統(tǒng),如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等則關(guān)注較少。經(jīng)過(guò)分析研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)用的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要消耗原動(dòng)機(jī)約3%的能源,但真正轉(zhuǎn)向消耗的能量只占其中的40%不到,另外60%左右的能量不僅白白浪費(fèi)掉了,而且會(huì)增加液壓系統(tǒng)的發(fā)熱,降低系統(tǒng)使用壽命,產(chǎn)生噪聲和增加汽車尾氣排放[1]。其中又以轉(zhuǎn)向泵消耗的無(wú)功功率為最大。因此,研究汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特別是轉(zhuǎn)向泵的節(jié)能降耗問(wèn)題就具有非常重要的實(shí)際意義。

本文提出了一種含有浮動(dòng)塊的新型變量葉片泵替代傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向泵中的定量葉片泵[2]。此泵具有速度補(bǔ)償特性,能降低泵的無(wú)功功率消耗,相對(duì)于傳統(tǒng)助力泵是一種較為理想的汽車用轉(zhuǎn)向助力泵。

1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

新型葉片泵主要由定子、轉(zhuǎn)子、葉片、吸油窗口、排油窗口、浮動(dòng)塊及聯(lián)接彈簧等組成。在外殼體的內(nèi)圈上裝有定子和定子襯套,在定子內(nèi)裝有轉(zhuǎn)子。在轉(zhuǎn)子上均布地裝有8組葉片,在每2組葉片中間均布地裝有8組浮動(dòng)塊。浮動(dòng)塊由浮動(dòng)塊體和聯(lián)接彈簧組成;浮動(dòng)塊體安裝在浮動(dòng)塊體滑槽內(nèi),聯(lián)接彈簧安裝在彈簧槽內(nèi),在彈簧槽底開有聯(lián)通孔通到吸油腔,使通過(guò)浮動(dòng)塊泄漏的液壓油通過(guò)聯(lián)通孔回到油腔,并且保證浮動(dòng)塊體能夠順利地工作、運(yùn)動(dòng)靈活。新型葉片泵與傳統(tǒng)平式定量葉片泵在結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別:將轉(zhuǎn)子在兩個(gè)葉片之間的部分制成隨著葉片泵轉(zhuǎn)速的變化而發(fā)生的浮動(dòng)部件,使葉片泵的排量在葉片泵轉(zhuǎn)速變化時(shí),變化較小或不變化。改變了隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的增加助力泵的排量也將隨著增加的狀況,通過(guò)改變泵的排量達(dá)到在汽車不轉(zhuǎn)向時(shí)降低泵輸出功率的目的。

1.2 工作原理概述

平衡式變量葉片泵變量原理是在其轉(zhuǎn)子的浮動(dòng)槽內(nèi)安裝了可以上下伸縮的浮動(dòng)塊體。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的變化,浮動(dòng)塊體可在槽內(nèi)上下滑動(dòng),這樣浮動(dòng)塊體在油腔內(nèi)占據(jù)空間的大小與泵的轉(zhuǎn)速有關(guān),實(shí)現(xiàn)了泵的變量。①當(dāng)轉(zhuǎn)子速度提高時(shí),在離心力的作用下,浮動(dòng)塊體外移,占據(jù)更多的有效容積空間,使泵每轉(zhuǎn)的吸、排油量減少;當(dāng)轉(zhuǎn)子速度降低時(shí),離心力變,浮動(dòng)塊體會(huì)內(nèi)移,泵的有效容積空間變大,泵每轉(zhuǎn)的吸、排油量增加。②當(dāng)浮動(dòng)塊體上升到一定的高度時(shí)其與浮動(dòng)槽產(chǎn)生縫隙,使一部分高壓油流進(jìn)槽內(nèi),當(dāng)泵轉(zhuǎn)到吸油區(qū)內(nèi)時(shí),這部分油流入吸油腔,從而也降低了泵的排量。

1.3 平衡式變量葉片泵理論流量方程

浮動(dòng)塊體上升過(guò)程中會(huì)在定子曲線內(nèi)的有效變量空間內(nèi)占據(jù)一定的片間容積。當(dāng)浮動(dòng)塊體下降時(shí),會(huì)從上升過(guò)程中的最大高度位置開始被壓回浮動(dòng)槽,同樣在排油過(guò)程中占據(jù)同樣的片間容積來(lái)減少葉片間的有效工作容積。因此,浮動(dòng)塊體上升和下降過(guò)程中對(duì)減少葉片泵排量的影響是相同的。

從浮動(dòng)槽縫隙中所泄漏掉流量公式

在只考慮浮動(dòng)塊體與浮動(dòng)槽泄漏量的理想情況下,泵的平均理論流量公式

式中: x為浮動(dòng)塊體的伸長(zhǎng)量;

b為浮動(dòng)塊體寬度;

n為葉片泵的轉(zhuǎn)速;

z為葉片泵的葉片個(gè)數(shù);

r1為浮動(dòng)塊體厚度;

r2為葉片厚度;

h為葉片傾角;

r1為葉片泵定子短半徑;

r2為葉片泵定子長(zhǎng)半徑;

bc為油液流速垂直方向縫隙寬度;

h為縫隙高度;

p1為縫隙高壓側(cè)的壓力;

p2為縫隙低壓側(cè)的壓力;

l為縫隙長(zhǎng)度;

η為油液的動(dòng)力粘度。

2 對(duì)比分析

2.1 現(xiàn)行的定量泵恒流方案

目前車用液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所采用的轉(zhuǎn)向油泵均是由定量液壓泵、定差式溢流滑閥(流量控制閥)和最高壓力限制閥(安全閥)和泵體內(nèi)的固定節(jié)流孔所組成的。

在固定節(jié)流孔的入口和溢流閥溢流口處的流量連續(xù)方程

qs=qp-qc (3)

其中: qp為定量泵流量, qc為溢流口的溢流量。

式中: qv為定量泵的排量;

η為定量泵的容積效率;

cd為溢流口流量系數(shù);

ad為溢流窗口的過(guò)流面積;

ρ為液壓油密度;

pp為定量泵出口壓力。

流過(guò)泵體內(nèi)固定節(jié)流孔的流量就是現(xiàn)行轉(zhuǎn)向油泵的輸出流量

式中: cq0為固定節(jié)流孔的流量系數(shù);

a0為固定節(jié)流孔的過(guò)流面積;

ps為固定節(jié)流孔出口壓力。

現(xiàn)行定量泵中,轉(zhuǎn)向油泵的流量就是系統(tǒng)的最大流量需求量,它取決于系統(tǒng)中其助力缸的運(yùn)動(dòng)速度和方向盤的角速度。由公式(6),若轉(zhuǎn)向泵負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定那么其流量相對(duì)恒定。這就是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出流量恒定的原因。

2.2 現(xiàn)行轉(zhuǎn)向油泵能耗分析

轉(zhuǎn)向油泵是由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),因此轉(zhuǎn)向油泵的速度變化范圍很大。對(duì)定量泵而言,其流量與轉(zhuǎn)速成正比,當(dāng)定量泵流量大于系統(tǒng)實(shí)際需求量后,其多余流量將構(gòu)成該泵的無(wú)用功。據(jù)統(tǒng)計(jì)汽車行駛過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)大部分時(shí)間在高于怠速的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn),而且80%以上的時(shí)間處于不轉(zhuǎn)向的直線或等待狀態(tài),因此油泵輸出的油液大部分經(jīng)過(guò)流量控制閥和轉(zhuǎn)向控制閥流回儲(chǔ)油罐,造成很大的寄生損失。中型轎車及前軸荷715t以上的商用汽車,其動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵平均消耗功率分別為015~017kw和113~210kw,相應(yīng)的100km里程燃油消耗分別為0125~0135l和110~215l[3]。而這其中有約60%燃油能量是白白浪費(fèi)掉的。這是一個(gè)不小的量值,也是現(xiàn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)定量泵方案不可克服的缺陷。

2.3 平衡式變量葉片泵恒流方案

由平衡式變量葉片泵代替定量泵,這就給節(jié)能型轉(zhuǎn)向油泵的產(chǎn)生提供了條件。從式(2)可知,這里的流量輸出取決于泵的轉(zhuǎn)速、浮動(dòng)塊體所占有效變量空間的體積和泄漏掉的縫隙流量。如果由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化而要引起的流量變化,通過(guò)葉片泵本身的浮動(dòng)部件變化來(lái)改變泵的排量,補(bǔ)償由于轉(zhuǎn)速增加而要增加的流量,減少多余流量即降低轉(zhuǎn)向油泵的無(wú)功功率消耗。定量泵方案多余流量所消耗的那部分發(fā)動(dòng)機(jī)功率在這里被大大地消除了,故節(jié)能是顯而易見的。

3 液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

為了進(jìn)一步完善平衡式變量葉片泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),本文根據(jù)功率鍵合圖構(gòu)建方法,參考汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)際[4],建立液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型?；趕mi ulink仿真,研究泵在系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)功率輸出變化過(guò)程。

3.1 仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

建立液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,做如下設(shè)定:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速vp;轉(zhuǎn)向泵排量q;油液彈性模量b;液壓元件內(nèi)部油液壓縮體積v;泄漏系數(shù)r;轉(zhuǎn)向器活塞面積a;轉(zhuǎn)向閥節(jié)流面積ad。

轉(zhuǎn)向器輸出力

進(jìn)入轉(zhuǎn)向器油量qa=x?a

泵的排出壓力

轉(zhuǎn)向閥外壓力

轉(zhuǎn)向器移動(dòng)速度

泵的泄漏qlp=rlp?pp

轉(zhuǎn)向器泄漏qc=rc?pa

溢流閥泄漏

轉(zhuǎn)向閥流量

等效負(fù)載阻力ff=rf?x

轉(zhuǎn)向器輸出力fm=fa-ff

轉(zhuǎn)向閥口前后壓差δpv=pp-pa

泵腔容積壓縮流量δqc=qp-qa-qc

轉(zhuǎn)向器容積壓縮流量δqp=q-qlp-qp-qr

葉片泵輸出功率p=q?pp

3.2 系統(tǒng)中模型參數(shù)的取值

轉(zhuǎn)向器活塞工作面積: a=10×10-4m2

等效負(fù)載摩擦系數(shù): rf=420n?s/m

液壓油密度:q=900kg/m3

轉(zhuǎn)向閥節(jié)流孔流量系數(shù): cd=0162

油液彈性模量:β=017×109pa

轉(zhuǎn)向泵內(nèi)泄系數(shù): rlp=0.5×10-11m3/(pa?s)

轉(zhuǎn)向器內(nèi)泄系數(shù): rc=615×10-11m3/(pa?s)

轉(zhuǎn)向泵溢流閥r值: rr=1×10-9(m3?s-1) /pa

轉(zhuǎn)向閥節(jié)流面積: ad=1.089×10-4m2

等效負(fù)載的總質(zhì)量: m=im=60kg

元件油液壓縮體積: v=400ml

轉(zhuǎn)向泵液容系數(shù): cp=0.5×10-12pa/(m3?s-1)

轉(zhuǎn)向器液容系數(shù): ca=0.6×10-12pa/(m3?s-1)

4 仿真結(jié)果與分析

本仿真實(shí)例是參照大連液壓件廠生產(chǎn)的vop210型汽車轉(zhuǎn)向葉片泵的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ),轉(zhuǎn)速范圍為n=(500~3 200)r/min,最高工作壓力10mpa。利用smi ulink軟件得到平衡式變量葉片泵功率輸出動(dòng)態(tài)曲線。

4.1 轉(zhuǎn)速勻加速上升

在給方向盤施加一個(gè)力矩,使其產(chǎn)生015rad的階躍轉(zhuǎn)角,提高轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速上升斜率為15的勻加速,在1s內(nèi)轉(zhuǎn)速?gòu)?0r/s上升到25r/s,轉(zhuǎn)向泵系統(tǒng)實(shí)際輸出功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖2所示。

由圖2知:在1s內(nèi)轉(zhuǎn)速急劇上升,系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快,波動(dòng)較小。功率輸出變化較為平穩(wěn)。由于轉(zhuǎn)速變化變量機(jī)構(gòu)大約017s的時(shí)候開始工作,導(dǎo)致供油量發(fā)生變化,輸出功率隨之變化,系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況,但是很快地重新趨于穩(wěn)定。

圖3是在參數(shù)不變的基礎(chǔ)上將負(fù)載壓力從6mpa變?yōu)?0mpa得到的仿真曲線,負(fù)載變大,因而泵的輸出功率將變大。當(dāng)負(fù)載變大后,泵的輸出流量將下降,因此整個(gè)曲線呈略微下降趨勢(shì)。

在其它參數(shù)完全相同的條件下,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速上升斜率為30的勻加速變化,在1s內(nèi)轉(zhuǎn)速?gòu)?5r/s上升到45r/s,轉(zhuǎn)向泵系統(tǒng)實(shí)際輸出功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4在此條件下將會(huì)出現(xiàn)2次泵的供油量發(fā)生變化,因此系統(tǒng)2次出現(xiàn)波動(dòng)。由圖2和圖4仿真曲線的變化趨勢(shì)可以看出,對(duì)于同一種變化情況,當(dāng)轉(zhuǎn)速變化較為平穩(wěn)時(shí),系統(tǒng)的變化趨勢(shì)越平穩(wěn),系統(tǒng)的超調(diào)量就越小,輸出功率的峰值及平穩(wěn)值均隨速度變化的增大而增大,是由變量機(jī)構(gòu)工作和負(fù)載變化引起的,這與系統(tǒng)的實(shí)際情況相符合。

4.2 轉(zhuǎn)速變加速上升

圖5是與圖2在系統(tǒng)參數(shù)、轉(zhuǎn)速上升斜率完全相同的情況下,將速度變化時(shí)間做改變,在前014s速度保持不變, 014~1s的時(shí)間段速度上升變化。前014s內(nèi)轉(zhuǎn)速保持在10r/s,隨后的016s內(nèi)泵轉(zhuǎn)速?gòu)?0r/s上升到20r/s進(jìn)行仿真得到動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

從仿真曲線看出:在014s時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)量,這是因?yàn)?14s時(shí)速度開始出現(xiàn)上升變化,速度有變化,因此系統(tǒng)出現(xiàn)輕微波動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)向泵的速度達(dá)到使變量機(jī)構(gòu)開始工作的速度值,泵的輸出功率發(fā)生變化,引起系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定趨勢(shì),并很快平穩(wěn)下來(lái)。縱觀整個(gè)曲線的變化趨勢(shì),隨著轉(zhuǎn)速的不斷上升,輸出功率曲線的變化趨勢(shì)基本保持恒定,略微上升。

通常情況下,傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向油泵的定量泵流量隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增大,這樣在高轉(zhuǎn)速的情況下,油泵的輸出流量高于實(shí)際需求的流量,因而油泵的輸出功率也較大,增加了泵的功率損失。理論上,在負(fù)載壓力不變的情況下,定量泵的輸出功率與泵的流量成正比,也就是在泵排量一定的情況下與轉(zhuǎn)速成正比,轉(zhuǎn)速越高輸出功率就越大。在泵高轉(zhuǎn)速情況下通過(guò)浮動(dòng)塊的方式控制流量的辦法來(lái)降低泵無(wú)功功率的消耗,減少寄生損失,這對(duì)汽車轉(zhuǎn)向泵的節(jié)能降耗提供了一種可行的解決方案。

5 結(jié)論

平衡式變量葉片泵是一種基于全新變量理論提出的速度補(bǔ)償式葉片泵,適用于汽車轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的一種新型葉片泵。文中仿真分析了系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況下轉(zhuǎn)向泵的功率輸出動(dòng)態(tài)特性,結(jié)果證明它不僅繼承了傳統(tǒng)平衡式葉片泵的優(yōu)點(diǎn),還能有效地解決傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向油泵定量恒流方案無(wú)功功率消耗大、油泵輸出的油液大部分經(jīng)過(guò)流量控制閥所造成很大的寄生損失的問(wèn)題。這種新一代變量泵的提出,面對(duì)如此龐大的中國(guó)汽車市場(chǎng),不僅有科學(xué)意義,更有市場(chǎng)價(jià)值。由于降低了轉(zhuǎn)向泵占整車的能耗,減少了汽車的廢氣排放和燃油消耗,對(duì)環(huán)境保護(hù)的影響也是深刻的。綜上所述,平衡式變量葉片泵是有進(jìn)一步改進(jìn)和研究的理論意義和科學(xué)價(jià)值的,有一定的應(yīng)用前景。