（机械设计及理论专业论文）圆弧摆线转子泵结构设计及流场特性仿真分析.pdf

中文摘要 摘要 内啮合圆弧摆线转子泵( 简称摆线转子泵) 因具备结构紧凑、运转平稳、脉 动小以及容积效率高等诸多优点而广泛应用于车辆、船舶装备的润滑系统中。目 前国内摆线转子泵的产品开发多采用仿制或类比设计方法，缺乏一整套完整的设 计方法和开发流程来指导产品研发。国内外学者多侧重于摆线转子泵的理论研究， 忽略了研究成果的工程实用性，因此在如何提高设计理论对工程实践的指导意义 方面还有很多工作要做。 针对上述问题，运用理论推导和仿真分析的方法对摆线转子泵的设计理论和 方法进行研究，并通过实验方式对仿真分析的正确性进行验证。从产品设计的角 度出发，将摆线转子泵的关键部件内、外转子的设计建模过程软件化，并在 设计中充分考虑摆线转子泵使用厂家最为关注的结构参数、技术性能等要求，以 保证研究成果的工程实用价值。引入动态干涉检测方法和数字化样机技术，尽可 能将设计过程数字化，以便在设计阶段就发现并排除各种设计缺陷和错误，保证 产品设计的一次性成功率：同时，为了缩短产品研发周期，寻找一种可行的流场 仿真分析方案，以便在设计阶段就能预估流场特性，从而验证设计方案的正确性 与合理性。 结合啮合原理、微分几何、流体力学等理论，分析摆线转子泵的工作原理和 内、外转子齿廓的成型机理，并运用流体力学理论建立泵腔流场动力学模型，对 摆线转子泵的流场特性进行仿真分析，本文主要的研究内容如下： 1 ) 基于包络啮合理论推导内转子廓形方程，并研究短幅外摆线齿廓曲率半径 对其廓形的影响，探讨避免内转子齿形产生顶切的约束方法；根据摆线转子泵几 何特性，采用优化分析的方法去获取创成系数和弧径系数的最佳值，并对原有产 品方案进行优化设计。 2 ) 分析进、排油腔结构对摆线转子泵容积效率的影响，研究其改进方式，旨 在开发一种能最大程度地利用进油惯性的新型油槽封油曲线，以利于提高摆线转 子泵的容积效率。 3 ) 基于可视化编程软件v i s u a lb a s i c 对s o l i d w o r k s 三维建模软件进行二次开 发，将摆线泵内、外转子设计过程程序化，并运用虚拟装配和干涉分析技术验证 内、外转子设计的正确性，为产品高效设计提供条件。 4 ) 基于f l u e n t 流体仿真分析软件，引入动网格技术和动边界自定义函数，结 合r n gk e 湍流模型对摆线转子泵三维流道模型进行流体动力学分析，探讨动网 格技术应用中关键参数的设置方法与规律，旨在为摆线转子泵新产品研发过程所 重庆大学硕士学位论文 需的流场特性预估提供可行的实施方案；同时，采用实验测试的方式验证仿真分 析的正确性，并分析设计方案是否能够满足产品的技术性能要求。 关键词：摆线转子泵，参数优化，二次开发，动网格，流场特性 a bs t r a c t g e r o t o rp u m pw i t ha r c - c y c l o i dp r o f i l ei s w i d e l yu s e di nl u b r i c a t i o ns y s t e mo f v e h i c l e s ，m a r i n e sa n do t h e re q u i p m e n t sd u et oi t sc o m p a c ts t r u c t u r e ，s m o o t ho p e r a t i o n ， l o wf l u xp u l s ea n dh i g hv o l u m ee f f i c i e n c y c u r r e n t l y , d o m e s t i c g e r o t o rp u m p sa r e b a s i c a l l yd e v e l o p e db yi m i t a t i o no ra n a l o g ym e t h o d ，t h e o r ya n dd e v e l o p m e n tp r o c e s s a r e n ta d e q u a t ef o rt h ed e s i g no fg e r o t o rp u m p t h ef o r m e rr e s e a r c h e sa b o u tg e r o t o r p u m pa r em a i n l yf o c u so nt h ed e s i g nt h e o r y , b u tl i t t l ea t t e n t i o ni s p a i dt o t h e p r a c t i c a b i l i t yo fr e s e a r c hr e s u l t s ，s ot h a tt h e r e a r es t i l ll o t so fi n v e s t i g a t i o n so n i m p r o v i n gt h ei n s t r u c t i v es i g n i f i c a n c ef o r t h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c es h o u l db ec a r r i e do u t i nr e s p o n s et ot h o s ei s s u e s ，d e s i g nm e t h o d sa n dt h e o r yo fg e r o t o rp u m pw e r e s t u d i e db ym e a n so ft h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n ds i m u l a t i o n ，a n dt h e ne x p e r i m e n tw a s c a r r i e do u tt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h es i m u l a t i o n f o r map e r s p e c t i v eo fp r o d u c t d e s i g n ，t h em o d e l i n gp r o c e s so fi n t e r n a la n de x t e r n a lr o t o r sw a sp a c k e di n t os o f t w a r e ， s t r u c t u r e p a r a m e t e r s a n dt e c h n i c a l p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s w h i c hw e r em o s t c o n c e r n e db yu s e r so fg e r o t o rp u m pw e r et a k e ni n t oa c c o u n ti nd e s i g nt oe n s u r et h e p r a c t i c a b i l i t yo fr e s e a r c hr e s u l t s d y n a m i ci n t e r f e r e n c e - d e t e c t i o nm e t h o da n dn u m e r i c a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yw e r ei n t r o d u c e dt od i g i t i z et h ed e s i g np r o c e s s ，w h i c hw o u l db e h e l p f u lt oe x c l u d ed e s i g nf l a w sa n de r r o r sd u r i n gd e s i g ns t a g es o a st oi m p r o v e d o n e t i m es u c c e s sr a t eo fp r o d u c td e s i g n m e a n w h i l e ，i no r d e rt os h o r t e nt h ep r o d u c t d e v e l o p m e n tc y c l e ，o n ef e a s i b l es c h e m eo ff l o wf i e l ds i m u l a t i o nw a sn e e d e df o r e s t i m a t i n gf l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c sd u r i n gd e s i g ns t a g e ，w h i c hw a su s e dt oa n a l y z e w h e t h e rt h ed e s i g ns c h e m ec o u l ds a t i s f yt h em i n i m u mp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t c o m b i n i n gw i t hp r i n c i p l eo fe n g a g e m e n t ，d i f f e r e n t i a lg e o m e t r ya n dh y d r o m e - c h a n i c s ，w o r k i n gp r i n c i p l eo fg e r o t o rp u m pa n df o r m i n gm e c h a n i s mo fi n t e r n a la n d e x t e m a lr o t o r sw e r ed i s c u s s e d ，a n ds i m u l a t i o nf o ri n t e r n a lf l o wf i e l do fg e r o t o rp u m p w e r ea l s od e v e l o p e db a s e do nt h et h e o r yo fh y d r o m e c h a n i c s m a i nc o n t e n t so ft h i s r e s e a r c hc o u l db el i s t e da sf o l l o w s ： 1 ) b a s i n go nt h ee n v e l o p et h e o r y , t h ee q u a t i o n so fi n t e r n a lr o t o r sp r o f i l ew e r e d e d u c e d ，t h ei n f l u e n c eo fs h o r t a m p l i t u d ec y c l o i dp r o f i l e sr a d i io fc u r v a t u r ew a s i n v e s t i g a t e d t h er e s t r a i n tm e t h o df o ra v o i d i n gt o p - c u t t i n go fi n t e r n a lr o t o r sp r o f i l e w a sd i s c u s s e d ；a c c o r d i n gt og e o m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i co fg e r o t o rp u m p ，o p t i m i z a t i o n m e t h o df o r f e t c h i n gb e s tg e n e r a t i n g c o e f f i c i e n ta n da r c - d i a m e t e rc o e f f i c i e n tw e r e i i i a d o d 锄，a n dt h e no p t i m a ld e s i g nt ot h ei n i t i a ld e v e l o p m e n t p r o 黟锄 2 、s t r u c t u r eo fp o r t i n gp l a t ep l a y e d a ni m p o r t a n ti m p a c to ng e r o t o r 耻n p s v 0 1 啪嘶ce f f i c i e n c y ，s om a ti m p r o v e m e n te f f o r t sw a s m a d et od e v e l o pan e wm d o t s e a lc u ew h i c hc o u l dh e l pt op r o m o t eg e r o m rp u m p sv o l u m e t r i ce f f i c i e n c yb yf u l l y t a k i n ga d v a n t a g e o fo i la b s o r p t i o ni n e r t i a 3 ) i no r d e rt op a c kt h ed e s i g np r o c e s so fi n t e r n a la n de x t e r n a lr o t o r s i n t os o n w a r e p r o g r a m ，v i s u a lb a s i cw a su s e dd u r i n gt h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt o 3 dm o d e l m g s o 脚a r e 妨砒m d 砘，a i l dt h e nv i r t u a la s s e m b l ya n di n t e r f e r e n c e a n a l y s i st e c h n o l o g y w e r ea d o p t e dt ov a l i d a t et h ec o r r e c t n e s s o fr o t o r s d e s i g n ，w h i c h c o u l dp r o v i d e c o n v e n i e n c ef o rh i g he f f i c i e n c yp r o d u c td e s i g n 4 、r e c u rt oc f ds o r w a r ef l u e n t ，d y n a m i cm e s ht e c h n o l o g y a n du s e r - d e f i n e d 胁c t i o n sf o rm o v i n gw a l lw e r ei n t r o d u c e d ，a n d t h e n3 df l o wf i e l ds i m u l a t i o nt og e r o t o r p 眦p ，sc h 锄e 1m o d e lw a se m p l o y e da c c o r d i n gt ok - et u r b u l e n c em o d e l t h es 础n g m e m o d s 趾dm er u l e so fk e yp a r a m e t e r si nt h ea p p l i c a t i o n o fd y n a m i cr u e s ht e c h n o l o g y w e r ed i s c u s s e dt of e t c ha na v m l a b l ep r o g r a mf o rp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o no fg e r o t o r p 眦pd 嘶n gi t sn e wp r o d u c tr & dp r o c e s s m e a n w h i l e ，e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o nw a s m a d et oc o n 丘mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n dt h e nw h e t h e rt h ed e s i g ns c h e m e w a sa b l et o s a t i s f yt e c h n i c a lp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n to fg e r o t o rp u m p c o u l db ed e t e r m i n e d k e y w o r d s ：g e r o t o r p u m p ，p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，d y n 锄i c m e s h ，f l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c s 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究目的及意义 随着我国社会经济的快速发展，汽车保有量和新增量快速增长，为保证发动 机正常运转，汽车主机厂对发动机润滑系统的“心脏”机油泵提出的性能要 求也越来越高。内啮合圆弧摆线转子泵( 下文简称摆线转子泵) 由于具备结构紧 凑、体积小、运转平稳、脉动较小、噪声低以及容积效率较高等诸多优点而被广 泛用于中、小型四冲程内燃机润滑系统中。 作为汽车配套产业冷却水泵和机油泵行业经过改革开放以来近三十年的 发展，在我国国民经济腾飞的浪潮中也取得了很大的进步。据统计，目前国内机 油泵生产企业约1 5 0 家，其中专业生产机油泵的企业约4 0 家，既生产水泵又生产 机油泵及其附件的企业约7 0 多家，生产机油泵配件的企业约有3 0 多家，生产机 油泵检测装备的企业约5 家，机油泵和水泵生产企业集中分布在江苏、浙江、山 东和广东等地。由于机油泵和水泵生产企业的产品较为相似，而且单纯生产水泵 的企业也较少，因此将机油泵和水泵企业归类到冷却水泵、机油泵行业，目前该 行业整体表现如下： 一 目前，国内年产各类型机油泵约3 4 0 0 万台( 其中农用机械和车辆机油泵约9 0 0 万台) ，商务车配套机油泵约8 0 0 万台，乘用车配套机油泵约1 3 0 0 万台，工程机 械等其他机械配套机油泵约1 0 0 万台，出口机油泵约3 0 0 万台( 水泵产销量省略 不写，详见文献 1 】) 。冷却水泵、机油泵行业企业固定资产总值达到3 0 多亿元的规 模，总销售收入达到6 0 亿元以上，并出现了一大批销售收入过亿、产量1 0 0 万台 以上的规模企业。据我国冷却水泵、机油泵行业协会对1 9 家行业企业的调查结果 表明，本行业在“十一五”期间得到迅速发展，行业规模不断扩大，行业的经济 效益得到较大幅度的提升。产值在1 亿元以上的企业达到统计企业的2 0 ，主要 企业的产值占到行业总产值的6 0 以上，其中销售收入最高已超过1 0 亿元，产量 亦达到3 0 0 多万台。所调查企业人均工业产值约2 0 2 5 万元，年出口创汇达到5 0 0 0 多万美元。行业出口创汇能力快速提升，五年时间内出口创汇值由1 1 0 0 万美元增 加到近7 0 0 0 万美元，增长了约5 5 倍。部分企业已经成功地把产品销往世界各地， 产品不仅进入了配件市场，而且还有相当部分为国际知名主机厂进行配套。由这 些数据不难看出，我国冷却水泵、机油泵生产企业的整体水平较过去有了很大的 提升。 经过十年多的发展，大部分机油泵制造企业一改早期测绘仿制生产的套路， 通过引进人才和加大设计软件、硬件的投入来提升企业竞争力。现在机油泵行业 重庆大学硕士学位论文 的主导企业都实现了产品的虚拟设计，并把优化设计、有限元分析技术和统计技 术等多项软件技术应用于设计分析中，有的还开发了泵类产品设计开发的专用软 件，并建立了自己的实验室，以此进行产品设计所需的综合性能控制分析，具备 了与主机厂同步开发设计新产品的能力。很多企业具有自己的设计规范和专用技 术，并拥有多项专利技术。行业主导企业设计的产品寿命已由9 0 年代的3 0 0 0 0 k m 6 0 0 0 0k m ，提高到3 0 万k m ，部分产品达到6 0 万k m 以上，接近国际先进水 平。采用计算机辅助设计技术后，产品开发周期也比十年前缩短了1 3 1 2 ，这显 示我国机油泵行业同世界先进水平的技术差距正在逐渐缩小。 虽然我国机油泵行业总体质量水平比1 0 年前有了很大的提升，能基本上满足 国内主机厂中、低层次的要求，但是由于起步晚、起点低，再加上国外进行高端 技术封锁，导致国内机油泵产品水平与国际上的先进水平还有相当的差距，国内 机油泵产品在满足高端产品需求上仍力不从心。除了行业的主导企业外，其余大 部分企业的工程研发设计能力、质量控制方法和成本控制等方面实力仍较为薄弱， 难以获得很大的发展，究其原因主要有以下几个方面： 行业的持续发展能力差：机油泵行业整体利润低，仅占产值的6 5 左右， 很难依靠自身的积累进行规模化投入与增长：企业研发投入不足，高级研发人员 稀缺，导致了产品研发能力不足、一次性成功率低、研发周期较长等问题长期存 在，与世界先进企业相比缺少核心竞争力。 产品档次低：国内机油泵市场竞争异常激烈，中、低档产品生产企业相 互之间开展价格战，进一步压缩企业利润空间，导致部分企业生存困难，无法持 续投入和发展，步入恶性循环的困境。 产品标准不健全：国家标准和行业标准数量少、系统性差、覆盖面窄， 与国外同行业相比较差距很大，导致产品进入国际市场困难或前期成本增加。 如此一来，给国外企业的高端产品进入中国市场提供了便利，近年来以外资 为主导的合资企业或独资企业纷纷上马，其起点高、工艺装备水平好、质量控制 水平和企业管理方法先进，运用的大多是国外的方法与手段，开发的产品质量在 行业中处于领先水平，同时凭借其资金与管理等优势，主导着国内机油泵高端产 品的市场。目前这些企业的主要业务集中在高端产品或者围绕其在国内的合资企 业进行配套或零部件生产，占国内市场份额暂时还较少，对国内同行业冲击不太 大，但随着时间的发展，这类企业必将对行业的整体格局产生很大的冲击，甚至 可能左右行业的发展。 不难预见，随着中国汽车工业的快速发展，机油泵行业在未来1 0 年内仍处于 高速发展期，但市场竞争将会越来越激烈，首先是国内企业之间的相互竞争，其 次是国内民营企业与合资或外资企业之间的竞争，再次是国内企业与国际同行对 2 1 绪论 国内市场份额的竞争，最终将是国际市场的争夺。预计在未来1 0 年内，我国机油 泵行业总体的能力会不断增强，生产规模逐渐扩大而总数量趋于减少，除了在农 机、摩托车配套行业存在一些小企业外，机油泵行业的生产必将向集约化、规模 化方向发展。 因此，国内机油泵厂家很有必要进一步加大技术、资金投入，提高自身产品 研发能力和产品质量水平并缩短新产品研发周期，为日益激烈的市场竞争做好技 术储备，只有不断提升自己的核心竞争力，方能提高产品在市场的份额，在优胜 劣汰的竞争中立于不败之地。以此为契机，课题组与重庆某泵类产品生产企业进 行产学研合作，进行技术攻关与新产品开发，旨在提升其自主研发能力和产品质 量。本课题主要针对摆线转子泵的关键部件内、外转子开展基础性技术研究， 同时尽可能地优化其结构参数以提升泵送性能。 1 2 机油泵简介 汽车内燃机润滑系统由机油泵、机油滤清器、机油冷却器、油底壳和集滤器 等组成，作为润滑系统的“心脏”机油泵对整个润滑系统起着非常重要的作 用，主要有以下几个方面： 润滑一润滑运动零件表面； 清洁清洗摩擦表面，带走磨屑和其他异物； 冷却机油在循环过程中，还可以带走摩擦产生的热量； 密封机油在运动零件之间形成油膜，提高它们的密封性； 防锈机油有防止零件发生锈蚀的作用。 因此，保证润滑油在润滑系统中不间断地循环流动，并在发动机任何转速下 都能以足够高的压力供应足量的润滑油，是机油泵产品设计开发中必须要满足的 要求。 内燃机对机油泵的理想要求为：在低转速下，机油泵满足最低供油量；而在 高转速时，保证最小油压。定量机油泵一般以发动机所需最大供油量v 作为流量 设计准则，在高转速时输出流量过大，很大一部分高压油通过溢流的方式回到油 底壳，这部分燃油功率被白白浪费掉，降低了液压传动系统的效率：而变量机油 泵通过变量机构能够使其输出流量根据要求而改变，减少溢流和油液发热功率损 失，大大提高了液压传动系统的效率，从而降低发动机油耗，起到节能减排的功 效。目前，大多数种类的机油泵仍以定量泵形式为主，也有通过加入变量机构形 成各种形式的变量泵，但由于变量机油泵结构较为复杂、技术难度大等原因，使 得其生产成本远高于定量机油泵，常应用于高端汽车发动机中，而中、低端发动 机润滑系统中仍以定量机油泵为主。 重庆大学硕士学位论文 常用的机油泵类型如图1 1 所示，各种类型机油泵的工作原理及其特性各异， 对不同应用工况的适用性也大有不同。 图1 1 常用机油泵种类 f i g1 1c o m m o ns o r t so f o i lp u m p 最为常见的机油泵为外啮合齿轮泵( 如图1 2 所示) ，具有效率高、功率损失 小、工作可靠等优点，在各行业都得到了广泛的应用。外啮合齿轮传动需要保证 重合度大于1 才能满足连续啮合的条件，由此引发的困油现象不可避免，导致较 大的振动噪声。外啮合齿轮反向运转，齿间相对滑动速度大( 齿面磨损情况严重) ， 限制了其在高速工况的应用，因此在发动机中不能采取曲轴直连的驱动方式，需 要中间传动机构来降速，增加了制造成本。目前，国产桑塔纳和捷达等轿车发动 机中多采用外啮合齿轮泵来供应润滑油。 图1 2 外啮合齿轮泵 f i g1 2e x t e r n a lg e a rp u m p 内啮合齿轮泵( 如图1 3 所示) 与外啮合齿轮泵最大的不同在于主从齿轮( 齿 4 1 绪论 数差大于1 ) 同向旋转，齿间相对滑动速度小，可用在高速工况。一般主动齿轮套 在曲轴前端，由曲轴通过花键直接驱动，因此无需中间传动机构，所以零件数量 少、制造成本低、占用空间小；其缺点是需要月牙型隔板、泵体型腔复杂且配合 凸面多，导致其密封性不容易保证。 漂鬻 、 解一蹿钔l 焚影 图1 3 内啮合齿轮泵 f i g1 3i n t e r n a lg e a rp u m p 单作用变量叶片泵( 如图1 4 所示) 主要由转子、定子、叶片和配油盘等零 件组成。转子与定子之间有一定的偏心距，转子高速转动时，由于离心力的作用， 叶片紧靠在定子内壁，这样在定子、转子、叶片和两侧配油盘问就形成若干个密 封的工作区间，通过工作区间的容积变化实现吸油和压油。单作用变量叶片泵变 量方式具有结构简单、连续变量等特点而获得了广泛应用，但由于径向液压力不 平衡导致轴承负荷较大，限制了泵工作压力和排量的提高，不能用在高压工况。 图1 4 单作用变量叶片泵 f i g1 4s i n g l e - a c t i n gv a n ep u m p 重庆大学硕士学位论文 为了解决单作用叶片泵径向液压力不平衡、轴承负荷较大的问题，引入双作 用叶片泵( 如图1 5 所示) ，其转子受力平衡，可以用在高压场合。双作用叶片泵 的工作原理和单作用叶片泵相似，不同之处在于其定子表面是由两段长半径圆弧、 两段短半径圆弧和四段过渡曲线八个部分组成，型线过于复杂不利于设计，一般 很少在发动机上使用。 图1 5 双作用叶片泵 f i g1 5d o u b l e - a c t i n gv a n ep u m p 区 进油 _ 目 行星转子式摆线泵( 如图1 6 所示) 借助于具有z 1 个齿的摆线转子( 外齿小 齿轮) 与具有z 2 个圆弧齿形的定子( 内齿环) 相啮合形成z 2 个密封容积，定子固 定不动而转子在绕自身轴线作自转的同时转子中心还绕定子中心作反向公转，各 封闭空间容积将依次发生变化从而完成吸排油过程。由于吸排油位置不固定，配 油机构设计难度大，而且行星运动所需构件多、易损件多、运动情况较为复杂， 因此发动机上较少采用这种类型的机油泵。 图1 6 行星转子式摆线泵 f i g1 6p l a n e t a r yg e r o t o rp u m p 1 绪论 摆线转子式机油泵( 如图1 7 所示) 由壳体、内转子、外转子和泵盖等组成， 通常内转子由曲轴直接驱动，内转子和外转子中心之间有一偏心距e ，内转子带动 外转子一起进行同向不同步的旋转，内、外转子齿数差为1 ，使得其齿面间相对滑 移较内啮合齿轮泵还要小，在高速应用工况运行寿命更长。 图1 7 摆线转子式机油泵 f i g1 7g e r o t o rp u m p 摆线转子泵的优点有：1 ) 结构紧凑、体积小、重量轻，在流量相同的情况下， 摆线机油泵的体积仅约为渐开线齿轮油泵体积的一半；2 ) 允许的最高转速大，采 用双面进油方式在工作转速达3 0 0 0 0r p m 时也具有非常好的填充性【4 5 1 ，不会发生 “气穴”等油液现象；3 ) 运转平稳、流量脉动较小、噪声低，由于摆线转子泵不 会产生困油现象，因此更容易满足低噪音泵的性能要求；4 ) 容积效率高，在中高 速2 5 0 0r p m 6 0 0 0r p m 的转速范围内均可高达8 0 以上；5 ) 工艺性好，通过粉末 冶金技术进行批量化生产，其加工比渐开线齿轮泵更省时省工，加工成本也较低。 由于摆线齿廓形成机理较为复杂，会给设计带来一定的难度，这是其劣势所在。 图1 8 摆线泵集成化应用 f i g1 8i n t e g r a t i o no fg e r o t o rp u m p s 重庆大学硕士学位论文 由于具备以上特点，摆线滑油泵在国外已被应用在航空发动机中，例如美国 的t 7 0 0 发动机、j 7 9 发动机和加拿大的j t l 5 d 发动机，尤其是在t 7 0 0 发动机上， 工程师将七级泛摆线滑油泵( 一级增压泵和六级回油泵) 集成在一个只有4 1 1 4 0 的壳体内，就解决了整台发动机滑油系统的供油和回油问题，由此可见其体积 之小，集成度之耐4 5 1 。这样的集成化设计也可以用于其他工业用途，如大型机床 冷却液、润滑液泵送系统中，其结构可参照图1 8 。 近年来，摆线转子泵因结构紧凑、体积小、运转平稳、噪声低以及容积效率 较高等优点而备受汽车厂商关注，目前己广泛应用于汽车发动机中。随着我国汽 车行业的飞速发展，汽车主机厂对其零部件配套厂商产品提出了更高的要求。各 大汽车润滑油泵配套厂商纷纷加紧研发各种高效率、高性能的机油泵，正是在这 样的契机下，我们与合作单位选择摆线转子泵作为研究对象，分析其原理与设计 方法，旨在开发一款性能优越的摆线转子泵以供汽车主机厂选用。 1 3 摆线转子泵的国内外研究现状 由于渐开线齿轮中心距改变时传动比保持恒定、加工刀具的形状简单以及生 产效率高等诸多优点使其在齿轮传动领域独领风骚，占据了齿轮传动的绝大部分 市场份额，但在某些特殊领域，渐开线齿轮并不具备绝对性优势。 摆线齿轮最早见于钟表行业并得以广泛应用，时至今日，仍能保持其在钟表 行业的主导地位而不被快速发展的渐开线齿轮所替代，得益于以下几个优点： 润滑不充分时，摆线轮廓的磨损小； 摆线啮合重叠系数大，由于制造误差所引起的重叠系数减小，对其啮合传 动的影响小； 对于钟表机构的增速传动，摆线啮合的力传递特性好。 在工程应用领域，摆线齿轮除常用于摆线针轮啮合( 摆线针轮传动具有传动 效率高、结构紧凑、体积小、重量轻和运转平稳可靠等特点) 外，近年来在各种 形式的摆线齿轮泵中获得了广泛应用和快速发展。数控技术的发展为复杂曲线齿 廓的力n - r - _ 提供了有利条件，粉末冶金技术的发展更是大大降低了摆线齿廓加工的 成本，为摆线泵的应用和发展提供了强有力的技术保证。 由于继承了摆线针轮传动的诸多优良特性，内啮合摆线转子泵也因其具备结 构紧凑、体积小、运转平稳和容积效率高等优点而备受关注，泵类生产厂家纷纷 研发各类型摆线转子泵，加速了摆线转子泵的发展，目前摆线转子泵已广泛应用 于化工、机械、食品、纺织等行业中。 与此同时，国内外学者也相继加入到摆线泵的研发队伍中，目前己取得较为 丰富的研究成果，应用于机油泵产品开发中也收到了很好的成效。通过查阅相关 兰兰二鲨一 文献资料，发现国外学者的研究多集中在齿廓啮合理论方面。伊利诺伊大学著名 学者l i t v i n ef l 口h 6 1 与其所在齿轮研究实验室的同事们针对应用于齿轮泵和罗茨 风机上的摆线啮合开展了相关研究，分析了摆线啮合和螺旋转子中平面参数方程 包络曲线的产生方法及其几何学，讨论了齿廓曲线和曲面出现奇异的条件。 v e c c h i a t od 和d e m e n e g o a 珥【8 】等人基于微分几何中的包络理论，简述了共轭齿廓 几何学，研究了摆线泵齿廓包络形成法、包络线奇异点的产生条件和避免齿廓出 现奇异点的条件；研究了摆线泵转子齿廓的几何修形，并讨论了中心距不重合误 差和安装误差对摆线齿轮啮合误差的影响，所设计的新齿廓能实现在任意时刻只 有一对齿啮合，避免了多齿啮合易干涉和磨损快等问题，并建立同一转子多种摆 线齿廓的计算机辅助设计方法。f a b i a n im 和m a n c os 等人9 1 对摆线转子泵进行了 几何运动学分析，采用微积分方法定量计算齿问容积计算，并对配流盘几何参数 进行了设计计算。其他国外文献大多从各种侧面运用齿轮啮合原理和微分几何理 论对齿廓曲线及其啮合进行研究，但关于摆线转子泵工程应用方面的外文文献却 是很少见。 我国从2 0 世纪5 0 年代初期开始设计摆线转子泵，在农机、汽车、矿山和军 工等行业装备上推广应用；1 9 6 0 年以后开始在农用柴油机上使用转子式燃油泵； 1 9 6 6 年至1 9 7 7 年又进行了摆线转子机油泵粉末冶金转子系列产品设计、制造和试 验。到了9 0 年代初期，洛阳拖拉机研究所等单位在引进、消化和吸收国外技术的 基础上，设计开发了3 种齿数比( 4 5 ，5 6 ，6 7 ) 共6 种规格的转子，初步形成 了一个具有多种齿数比的系列型谱；所研制的机油泵系列产品在质量上有了很大 提升，使用寿命达6 0 0 0 小时以上。随着c a d c a m 技术的发展，以及粉末冶金材 料性能和加工工艺的改善，现在国内摆线转子式机油泵的设计制造工艺都趋于成 熟，在汽车，摩托车上得到大量应用l 1 0 1 。 与国外学者研究方向相比，国内学者除了运用齿轮啮合理论和微分几何理论 对齿廓曲线及其包络线的形成进行相关研究外，更加注重研究的工程实用性，其 研究内容主要集中在以下几个方面： 1 ) 齿廓啮合理论：韩守本、潘毓学 1 l 】给出了平面曲线等距线方程的矢量化求 解方法；尚文【l2 j 则采用一种适于工程应用的简明方法( 求解圆族包络线的方法) 来求解等距线方程；徐义华，陈为国等人 1 3 1 简述了各种摆线的形成机理及其参数 方程；张勤【1 4 1 通过严格的数学推导证明了相应参数的内、外转子曲线是一对始终 无间隙啮合的共轭曲线；徐学忠【l5 】通过求解内转子理论廓线的曲率半径的方式获 得了摆线齿廓不产生项切的条件，但未给出避免顶切条件的显式表达式；叶仲和、 张玮等人【1 6 1 在前人的基础上推导出内转子齿廓不顶切的极限尺寸的显式，避免超 越方程组的求解从而大大简化了计算过程；郭义明，吕伟领等人【l7 j 指出了过去某 9 重鏖查堂堡主堂垡笙塞一 一一 些研究人员认为内转子曲线是短幅外摆线的平行等距线的错误观点，强调内转子 齿廓为短幅外摆线法向内等距线的概念；罗卫东，邱望标等人1 8 1 根据齿轮啮合原 理和内、外转子的运动关系推导出内转子摆线齿廓的曲线方程。内、外转子齿廓 啮合理论在国内已经相对成熟，相关的文献最为常见，在这方面的研究趋于寻求 一种简洁、方便的齿廓方程推导方法。 2 ) 齿廓曲线的选型和改进，旨在改善齿廓啮合特性或者密封特性：由于计算 机技术的发展，许多过去难以求解的复杂曲线齿廓就变得相对容易了，于是出现 了各种非渐开线廓形齿轮泵，例如直线共轭齿廓齿轮裂1 9 】- 【2 0 1 、外啮合摆线类齿轮 泵【2 l 】、外圆弧及其包络齿形的楔块式内啮合齿轮泵捌等。宋如钢，张宝欢等人【2 3 】 从国外引进一种廓形由多段圆弧和摆线组合而成的新型摆线泵，其密封和传动功 能由齿廓不同部分实现，避免了外转子每个齿始终与外转子接触；研究了新廓形 啮合特性，发现新型线能消除外转子滑动系数存在极大值的弊端，使得啮合角的 变化范围变得更加合理，但是齿廓组成过于复杂导致设计计算难度大。每个齿始 终处于啮合接触状态曾一直被认为是摆线转子泵的优点，但多点接触啮合使齿廓 加工精度要求高，而且内、外转子出现相互干涉的可能性增大，所以目前研究人 员往往倾向于改进型线以避免多点接触，大多采用修型的方式来改善齿廓啮合特 性。徐学忠【2 4 】通过转角修形法对内转子廓形进行改进，修正后的齿廓齿项部和齿 根部啮合间隙很小，能满足泵的密封条件，而在其他部位有较大的间隙，其啮合 特性基本上和宋如钢，张宝欢等人从国外引进的新型摆线泵差不多，但型线组成 情况较为简单便于设计计算。张玮【2 5 】、徐学忠刚和黄将兴【2 6 】等人都开展过外转子 二次包络成型研究，只不过所用称谓不太一致，分别为大转子齿根过度曲线研究、 异形齿廓曲线研究和二次包络内啮合齿轮泵研究，其原理都是先选取合适的圆弧 齿廓参数包络出内转子齿廓，然后将适度项切的内转子用参数曲线平滑过度，再 用包络法求解该曲线在外转子上对应的共轭曲线；但是，由于二次包络法得到的 外转子齿廓曲线方程复杂，并且内、外转子所有齿廓都参与啮合导致齿廓容易产 生干涉，在实际使用中并不采用这种齿廓。寻求一种性能优越、结构简单的转子 型线是每个研究摆线转子泵的研究人员不懈的追求，因此这方面的研究在未来仍 将是个热点。 3 ) 泵体结构优化：除了内、外转子参数外，泵体结构特别是进、排油腔几何 尺寸对摆线转子泵的综合性能也有很大的影响。毛华永，李国祥等人 27 】对摆线转 子泵进、排油腔进行了设计计算，得出平行线式和夹角式油槽开启和关闭的几何 尺寸计算公式，并计算了两种油槽的截面积，可用于判定是否需要采用双侧进油 方式。屈盛官1 2 副研究了非对称性油槽的设计准则，并对其效果进行了定性分析， 并指出在高速、大齿厚情况下需要采用双面进油结构才能保证容积效率不会过低。 1 0 笪 杨元模例。例定量分析了采用非对称油槽设计对提高容积效率的作用，发现采用合 理参数的夹角式非对称油槽比平行线式油槽容积效率更高，而且在出油口出增加 一稳压阀能起到很好的防脉冲效果从而大大降低泵的噪声和振动。龚金科，蔡皓 等人p u 通过研究发现在泵体上设置指状卸荷槽能够降低出口流量脉动，同时出口 压力也变得较为平缓。 4 ) 转子参数优化设计：内、外转子齿廓曲线由多个参数驱动，参数的选择或 配置在很大程度上决定了泵的综合性能，而目前尚无一套成熟的参数配置方法可 用于指导转子产品设计，基本上依赖于设计人员的实践经验，很难保证产品质量 的稳定性，因此有必要对其参数进行优化设计，以期寻找到一系列实用的参数优 化组合。徐学忠【3 2 以泵的单位体积排量最大作为目标函数，以齿廓不顶切为约束 条件获取不同齿数条件下创成系数和弧径系数的最优组合。李玉龙，刘煜等人 3 3 】 综合前人的研究成果，基于u g 优化模块分析了多约束条件下的最优参数配置， 实现不同压力和流量设计要求下三维模型的自动计算和更新。曾庆生，杨毅等人【3 4 】 以转子式机油泵泵油性能、质量以及抗冲击性能为目标函数建立了多学科设计优 化模型，取得了较好的整体性能提升，但是此方法涉及多学科知识并需要编程来 实现并行运算，实现过程过于复杂，往往难以保证其正确性和经济性，在实际中 很难获得应用。国内还有很多学者也开展过类似的参数优化设计，但是普遍存在 一个问题就是过于追求通用性而使研究成果实用性不强。生产实践中，主机厂一 般会要求机油泵配套厂商在指定的厚度尺寸和径向尺寸范围内进行新产品开发或 者改进设计，在前述的研究中很少有人考虑到这种约束条件，因此在后续研究中 应引进这些约束使得优化结果更具实用性。 5 ) 流场仿真分析：随着计算机辅助分析技术( c a e ) 的发展，研究人员借助 计算机能够实现越来越多的流场特性分析功能，获取流场内部速度和压力分布情 况等微观特性；而以往通过理论分析和实验研究的手段对摆线泵性能进行分析， 一般只能获得流量脉动、转速特性曲线和压力特性曲线等宏观物理规律。国内外 已有研究人员使用非动网格技术( 传统流场分析方法) 对摆线泵的转速特性和压 力特性进行仿真分析，获取流场特性的稳态解，用于指导摆线转子泵结构设计 35 1 。 与传统流场分析相比，引进动网格技术还可以获得流量和压力建立过程等动态分 析结果，能更加全面地反映流场特性，从而为配流盘结构和转子参数的优化设计 提供指导。邵飞【3 6 】、张锴【3 7 1 和黄剧3 8 1 等人采用动网格技术对叶片泵、外啮合齿轮 泵和转子压缩机流动进行了流场特性分析，取得了很好的模拟效果，特别是在贴 合真实工况方面做得较为到位。由于动网格技术应用难度较大，致使其应用受限， 相关文献也较为少见，故基于动网格技术对摆线转子泵进行流体仿真在国内的应 用还较少。黄将兴等人 3 9 - 4 0 采用动网格技术对二次包络摆线内啮合齿轮泵的压力 重壅奎堂堡主堂垡笙塞