平衡式变量叶片泵的动力学建模和仿真

　　0 引 言

　　目前,大多数机动车均采用液压动力转向系统.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,造成很大损失.为此,本文提出了一种含有浮动块的新型平衡式变量叶片泵,此泵具有速度补偿特 性,相对传统转向泵是一种较为理想的汽车用转向泵^[2].

　　1 平衡式变量叶片泵结构与工作原理

　　1.1 平衡式变量叶片泵的基本结构

　　如图1所示,平衡式变量叶片泵主要由定子、转子、叶片、吸油窗口、排油窗口、浮动块及连接弹簧等组成,在外壳体的内圈上装有定子,在定子内装有 转子.在转子上均布12组叶片,每两组叶片中间均布12组浮动块.浮动块由浮动块体和连接弹簧组成,浮动块体安装在浮动块体滑槽内,连接弹簧安装在弹簧槽 内,浮动块体底部安装螺钉,在螺钉上钻孔与连接弹簧进行连接.连接弹簧另一端与弹簧槽底部边缘固定.

　　1.2 平衡式变量叶片泵工作原理

　　在转子的浮动槽内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,浮动块体在油腔内占据空间的大小与泵的转速 相关:当转子速度提高时,在离心力的作用下,浮动块体外移,占据更多的有效容积空间,使泵每转的吸、排油量减少;当转子速度降低时,离心力变小,浮动块体 内移,泵的有效容积空间变大,泵每转的吸、排油量增加^[3].

　　2 平衡式变量叶片泵变量机构动力学方程的建立

　　2.1 浮动块体顶端圆弧与定子内曲面未接触

　　泵在运转时,浮动块体在浮动槽内相对于转子滑动,而转子本身又以一定的角速度绕中心旋转.对于浮动块体来说,转子实际上是个动参考系,浮动块体 的运动包括沿浮动槽的相对上下运动和随转子旋转的牵连运动,符合力学中关于动参考系绕定轴转动时的运动规律.按照力学的有关定理,在浮动块体的质心上作用 有离心惯性力(F_e)、科氏惯性力(F_c),F_c=2m_cωv及加减速滑动惯性力(F_r),F_r=mar.

　　其中:m为浮动块体的质量;r为叶片泵转子半径;l为弹簧预拉紧时的伸长量;k为弹簧弹性系数;h为浮动块体高度;η为油液等外界阻尼系数;μ为浮动块体与浮动槽侧壁的摩擦系数.

　　2.2 浮动块体顶端圆弧与定子内曲面接触

　　当泵转速一定时,浮动块体顶端圆弧会与定子内曲面接触,受到定子在其顶端反作用力的作用.浮动块体采用圆弧顶廓,随着转子的转动,顶端圆弧与定 子内曲线的接触点也在一定的范围内变动.接触点既有相对运动,又有相对滑动,这将使浮动块体的运动复杂化.本文从机构的实际运动和相互关系出发,建立图2 所示变量机构的几何模型,进行数学推导.