[讨论]行业新式平衡式变量叶片泵节能研究

随着人们环保意识的增强及可持续发展的要求,降低能源消耗正成为世界各国关注的热点,这一点在汽车技术领域表现得尤为突出。在以往的工作中,研究人员主要关注的是如何降低发动机和传动系统的能耗,而对辅助系统,如转向系统等则关注较少。经过分析研究发现,现用的转向系统要消耗原动机约3%的能源,但真正转向消耗的能量只占其中的40%不到,另外60%左右的能量不仅白白浪费掉了,而且会增加液压系统的发热,降低系统使用寿命,产生噪声和增加汽车尾气排放[1]。其中又以转向泵消耗的无功功率为最大。因此,研究汽车动力转向系统特别是转向泵的节能降耗问题就具有非常重要的实际意义。

本文提出了一种含有浮动块的新型变量叶片泵替代传统转向泵中的定量叶片泵[2]。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 基本结构和工作原理

1.1 基本结构

新型叶片泵主要由定子、转子、叶片、吸油窗口、排油窗口、浮动块及联接弹簧等组成。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。在转子上均布地装有8组叶片,在每2组叶片中间均布地装有8组浮动块。浮动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地工作、运动灵活。新型叶片泵与传统平式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。

1.2 工作原理概述

平衡式变量叶片泵变量原理是在其转子的浮动槽内安装了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,这样浮动块体在油腔内占据空间的大小与泵的转速有关,实现了泵的变量。①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,浮动块体会内移,泵的有效容积空间变大,泵每转的吸、排油量增加。②当浮动块体上升到一定的高度时其与浮动槽产生缝隙,使一部分高压油流进槽内,当泵转到吸油区内时,这部分油流入吸油腔,从而也降低了泵的排量。

1.3 平衡式变量叶片泵理论流量方程

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。

从浮动槽缝隙中所泄漏掉流量公式

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

式中: x为浮动块体的伸长量;

b为浮动块体宽度;

n为叶片泵的转速;

z为叶片泵的叶片个数;

r1为浮动块体厚度;

r2为叶片厚度;

h为叶片倾角;

r1为叶片泵定子短半径;

r2为叶片泵定子长半径;

bc为油液流速垂直方向缝隙宽度;

h为缝隙高度;

p1为缝隙高压侧的压力;

p2为缝隙低压侧的压力;

l为缝隙长度;

η为油液的动力粘度。

2 对比分析

2.1 现行的定量泵恒流方案

目前车用液压助力转向系统所采用的转向油泵均是由定量液压泵、定差式溢流滑阀(流量控制阀)和最高压力限制阀(安全阀)和泵体内的固定节流孔所组成的。

在固定节流孔的入口和溢流阀溢流口处的流量连续方程

qs=qp-qc (3)

其中: qp为定量泵流量, qc为溢流口的溢流量。

式中: qv为定量泵的排量;

η为定量泵的容积效率;

cd为溢流口流量系数;

ad为溢流窗口的过流面积;

ρ为液压油密度;

pp为定量泵出口压力。

流过泵体内固定节流孔的流量就是现行转向油泵的输出流量

式中: cq0为固定节流孔的流量系数;

a0为固定节流孔的过流面积;

ps为固定节流孔出口压力。

现行定量泵中,转向油泵的流量就是系统的最大流量需求量,它取决于系统中其助力缸的运动速度和方向盘的角速度。由公式(6),若转向泵负载相对稳定那么其流量相对恒定。这就是转向系统输出流量恒定的原因。

2.2 现行转向油泵能耗分析

转向油泵是由发动机驱动,因此转向油泵的速度变化范围很大。对定量泵而言,其流量与转速成正比,当定量泵流量大于系统实际需求量后,其多余流量将构成该泵的无用功。据统计汽车行驶过程中,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,造成很大的寄生损失。中型轿车及前轴荷715t以上的商用汽车,其动力转向油泵平均消耗功率分别为015~017kw和113~210kw,相应的100km里程燃油消耗分别为0125~0135l和110~215l[3]。而这其中有约60%燃油能量是白白浪费掉的。这是一个不小的量值,也是现行转向系统定量泵方案不可克服的缺陷。

2.3 平衡式变量叶片泵恒流方案

由平衡式变量叶片泵代替定量泵,这就给节能型转向油泵的产生提供了条件。从式(2)可知,这里的流量输出取决于泵的转速、浮动块体所占有效变量空间的体积和泄漏掉的缝隙流量。如果由发动机转速变化而要引起的流量变化,通过叶片泵本身的浮动部件变化来改变泵的排量,补偿由于转速增加而要增加的流量,减少多余流量即降低转向油泵的无功功率消耗。定量泵方案多余流量所消耗的那部分发动机功率在这里被大大地消除了,故节能是显而易见的。

3 液压动力转向系统数学模型

为了进一步完善平衡式变量叶片泵的结构设计,本文根据功率键合图构建方法,参考汽车助力转向系统实际[4],建立液压动力转向系统数学模型。基于smi ulink仿真,研究泵在系统中的动态功率输出变化过程。

3.1 仿真系统的数学模型

建立液压动力转向系统数学模型,做如下设定:发动机转速vp;转向泵排量q;油液弹性模量b;液压元件内部油液压缩体积v;泄漏系数r;转向器活塞面积a;转向阀节流面积ad。

转向器输出力

进入转向器油量qa=x?a

泵的排出压力

转向阀外压力

转向器移动速度

泵的泄漏qlp=rlp?pp

转向器泄漏qc=rc?pa

溢流阀泄漏

转向阀流量

等效负载阻力ff=rf?x

转向器输出力fm=fa-ff

转向阀口前后压差δpv=pp-pa

泵腔容积压缩流量δqc=qp-qa-qc

转向器容积压缩流量δqp=q-qlp-qp-qr

叶片泵输出功率p=q?pp

3.2 系统中模型参数的取值

转向器活塞工作面积: a=10×10-4m2

等效负载摩擦系数: rf=420n?s/m

液压油密度:q=900kg/m3

转向阀节流孔流量系数: cd=0162

油液弹性模量:β=017×109pa

转向泵内泄系数: rlp=0.5×10-11m3/(pa?s)

转向器内泄系数: rc=615×10-11m3/(pa?s)

转向泵溢流阀r值: rr=1×10-9(m3?s-1) /pa

转向阀节流面积: ad=1.089×10-4m2

等效负载的总质量: m=im=60kg

元件油液压缩体积: v=400ml

转向泵液容系数: cp=0.5×10-12pa/(m3?s-1)

转向器液容系数: ca=0.6×10-12pa/(m3?s-1)

4 仿真结果与分析

本仿真实例是参照大连液压件厂生产的vop210型汽车转向叶片泵的各项设计参数为基础,转速范围为n=(500~3 200)r/min,最高工作压力10mpa。利用smi ulink软件得到平衡式变量叶片泵功率输出动态曲线。

4.1 转速匀加速上升

在给方向盘施加一个力矩,使其产生015rad的阶跃转角,提高转向泵的转速,转速上升斜率为15的匀加速,在1s内转速从10r/s上升到25r/s,转向泵系统实际输出功率动态响应曲线如图2所示。

由图2知:在1s内转速急剧上升,系统的响应速度较快,波动较小。功率输出变化较为平稳。由于转速变化变量机构大约017s的时候开始工作,导致供油量发生变化,输出功率随之变化,系统出现不稳定状况,但是很快地重新趋于稳定。

图3是在参数不变的基础上将负载压力从6mpa变为10mpa得到的仿真曲线,负载变大,因而泵的输出功率将变大。当负载变大后,泵的输出流量将下降,因此整个曲线呈略微下降趋势。

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1s内转速从15r/s上升到45r/s,转向泵系统实际输出功率动态响应曲线如图4所示。

图4在此条件下将会出现2次泵的供油量发生变化,因此系统2次出现波动。由图2和图4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,输出功率的峰值及平稳值均随速度变化的增大而增大,是由变量机构工作和负载变化引起的,这与系统的实际情况相符合。

4.2 转速变加速上升

图5是与图2在系统参数、转速上升斜率完全相同的情况下,将速度变化时间做改变,在前014s速度保持不变, 014~1s的时间段速度上升变化。前014s内转速保持在10r/s,随后的016s内泵转速从10r/s上升到20r/s进行仿真得到动态响应曲线。

从仿真曲线看出:在014s时系统出现超调量,这是因为014s时速度开始出现上升变化,速度有变化,因此系统出现轻微波动。当转向泵的速度达到使变量机构开始工作的速度值,泵的输出功率发生变化,引起系统出现不稳定趋势,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,略微上升。

通常情况下,传统转向油泵的定量泵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。理论上,在负载压力不变的情况下,定量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。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。

5 结论

平衡式变量叶片泵是一种基于全新变量理论提出的速度补偿式叶片泵,适用于汽车转向助力系统的一种新型叶片泵。文中仿真分析了系统在发动机转速变化情况下转向泵的功率输出动态特性,