低噪聲汽車葉片泵阻尼槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

吳火銘　樓穎烽

摘 要：葉片泵裝置在工業(yè)生產(chǎn)與其它制品應(yīng)用階段具有重要影響意義，本次研究主要結(jié)合相關(guān)案例，對(duì)低噪音類型汽車葉片泵裝置內(nèi)部阻尼槽位結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，明確優(yōu)化設(shè)計(jì)方向，確保其能夠在后續(xù)應(yīng)用階段進(jìn)一步提高靜音效果與運(yùn)行質(zhì)量。通過分析汽車葉片泵裝置的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與原理，并結(jié)合噪音產(chǎn)生來源進(jìn)行探究，可以明確阻尼槽位結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，具有正面參考作用。本文主要針對(duì)阻尼槽位參數(shù)化建模、內(nèi)部流場(chǎng)方針、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：低噪聲葉片泵 阻尼槽結(jié)構(gòu) 優(yōu)化設(shè)計(jì)

Optimization Design Analysis of Damping Groove Structure of Low-noise Vehicle Vane Pump

Wu Huoming，Lou Yingfeng

Abstract：Vane pump devices are of great significance in industrial production and application of other products. This study mainly combines relevant cases to conduct in-depth research on the internal damping groove structure of low-noise automotive vane pump devices to clarify the optimization design direction and ensure that it can further improve the mute effect and running quality in the subsequent application stage. By analyzing the basic structure and principle of the automobile vane pump device， and exploring the source of noise， the optimization design method of the damping groove structure can be clarified， which has a positive reference effect. This paper mainly conducts in-depth research on parametric modeling of damping slots， internal flow field policy， and parameter optimization design for reference.

Key words：low noise vane pump， damping groove structure， optimal design

汽車葉片泵裝置屬于一種常用結(jié)構(gòu)裝置，其流量處理均勻性強(qiáng)，同時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)性高，整體設(shè)備噪音較低同時(shí)體積小，具有正面應(yīng)用價(jià)值。但是，在實(shí)際應(yīng)用階段，部分汽車葉片泵裝置可能存在噪音較大的問題。為解決此類問題，需要針對(duì)低噪聲類型汽車葉狀片泵裝置阻尼槽位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與優(yōu)化措施進(jìn)行深入分析，結(jié)合噪音產(chǎn)生原理探索未來應(yīng)用方案，為后續(xù)進(jìn)一步提高汽車葉片泵裝置應(yīng)用質(zhì)量打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 汽車葉片泵的結(jié)構(gòu)與工作原理

汽車葉片泵裝置基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)子、葉片、定子等關(guān)鍵模塊，在其運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子會(huì)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，使葉片可以在離心力、壓力油的影響下緊貼于定子內(nèi)側(cè)表面。通過這種方式，可以將葉片、轉(zhuǎn)子、定子構(gòu)建為單一工作容積體系，使吸油與排油流程得以完成。通常情況下，汽車葉片泵裝置分為單作用與雙作用兩種[1]。單作用汽車葉片泵裝置主要由定子、葉片、配油盤等模塊組成，定子內(nèi)側(cè)表面存在圓柱形狀孔位，同時(shí)與轉(zhuǎn)子之間具有偏心，葉片可以在槽內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速滑動(dòng)效果。在轉(zhuǎn)子進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其離心力與葉片根部的壓力油會(huì)發(fā)揮協(xié)同作用，使葉片頂部能夠貼于定子表面，形成穩(wěn)定、密封的工作腔體結(jié)構(gòu)。若轉(zhuǎn)子進(jìn)入逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，則葉片會(huì)向外伸出，使工作密封腔體結(jié)構(gòu)整體容積進(jìn)入增長狀態(tài)，最終形成真空條件，將油吸入內(nèi)部區(qū)域。若葉片向內(nèi)收縮，則密封性腔體結(jié)構(gòu)的容積會(huì)快速減小，進(jìn)而使腔內(nèi)存在的液體可以通過配油盤進(jìn)行輸出，完成系統(tǒng)配置效果。此類單作用汽車葉片泵裝置在轉(zhuǎn)子運(yùn)行過程中，僅執(zhí)行一次吸收與壓出動(dòng)作，因此被成為單作用類型。其基礎(chǔ)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由于徑向液壓存在作用力，同時(shí)具有不平衡特征，因此又被稱為非平衡式汽車葉片泵裝置，軸承位置負(fù)載相對(duì)較高。若將定子與轉(zhuǎn)子之間的偏心量進(jìn)行調(diào)整，可以有效更改泵體排量狀態(tài)，因此具有變量特征。

雙作用汽車葉片泵裝置的基礎(chǔ)工作原理與單作用泵體較為相似，主要差異在于定子表面位置結(jié)構(gòu)。其能夠與轉(zhuǎn)子形成同心狀態(tài)。若轉(zhuǎn)子處于順時(shí)針運(yùn)行狀態(tài)，則密封區(qū)域的腔體結(jié)構(gòu)整體容積會(huì)在左上方與右下方位置出現(xiàn)逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)。這兩個(gè)區(qū)域會(huì)成為雙作用泵體的吸油區(qū)，左下方與右上方位置會(huì)出現(xiàn)容積減小的趨勢(shì)，為壓油區(qū)。為隔離吸油與壓油位置，雙作用泵體通過布置封油區(qū)域的方法，使其能夠得到有效分割，避免出現(xiàn)混合問題[2]。在泵體轉(zhuǎn)子運(yùn)行階段，各區(qū)域動(dòng)作會(huì)執(zhí)行兩次，因此其被稱為雙作用汽車葉片泵裝置。通常情況下，此類汽車葉片泵裝置的吸油壓油區(qū)域會(huì)處于徑向?qū)ΨQ狀態(tài)，因此液壓力始終具有平衡性，可以被稱為平衡泵體。由于雙作用汽車葉片泵裝置瞬時(shí)流量具有脈動(dòng)特征，因此其葉片數(shù)量通常采用12或16個(gè)，確保整體運(yùn)行效果處于平穩(wěn)狀態(tài)。

2 汽車葉片泵噪聲來源

2.1 機(jī)械噪聲

在汽車葉片泵裝置運(yùn)行過程中，噪音屬于較為常見的問題。導(dǎo)致汽車葉片泵裝置產(chǎn)生噪音的因素較為復(fù)雜，通常分為機(jī)械與流體兩種。機(jī)械噪聲如汽車葉片泵裝置運(yùn)轉(zhuǎn)階段，內(nèi)部葉片結(jié)構(gòu)與定子結(jié)構(gòu)的曲面縫隙出現(xiàn)嚴(yán)重磨損、碰撞，便會(huì)導(dǎo)致噪音問題出現(xiàn)。引發(fā)此類問題的核心原因與葉片內(nèi)部液體壓力平衡出現(xiàn)問題、底部區(qū)域受力超出極限、葉片頂部與定子表面接觸比壓力過高等有關(guān)，因此在處理機(jī)械噪聲的過程中需要注重相關(guān)條件的分析。葉片與定子產(chǎn)生的碰撞問題同樣會(huì)導(dǎo)致機(jī)械噪音出現(xiàn)，引發(fā)碰撞的原因可能包括葉片結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)突然發(fā)生改變、泵體受到意外沖擊導(dǎo)致振動(dòng)等有關(guān)[3]。部分罕見情況下可能與零件加工精確程度不足，內(nèi)部葉片運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較低存在關(guān)聯(lián)。可以認(rèn)為，葉片結(jié)構(gòu)對(duì)定子的沖擊屬于機(jī)械噪音的常見原因之一。

2.2 流體噪聲

在汽車葉片泵裝置產(chǎn)生噪音的主要原因中，流體噪聲屬于常見類型之一。導(dǎo)致流體噪聲出現(xiàn)的主要原因可能與油液內(nèi)部平衡性不足有關(guān)，在其流經(jīng)葉片工作密封腔體結(jié)構(gòu)內(nèi)部吸油、排油位置時(shí)，若整體壓力處于不相等狀態(tài)，便會(huì)導(dǎo)致回沖現(xiàn)象的出現(xiàn)。這種問題會(huì)引發(fā)嚴(yán)重噪音現(xiàn)象，同時(shí)也有可能對(duì)汽車葉片泵裝置的運(yùn)行造成負(fù)面影響。通常情況下，回沖現(xiàn)象的流量與工作密封腔體結(jié)構(gòu)區(qū)域初始體積狀態(tài)、吸油操作壓力、排油操作壓力存在密切關(guān)聯(lián)。若整體壓力較大，便會(huì)導(dǎo)致回沖力度過高，進(jìn)而引發(fā)強(qiáng)烈沖擊導(dǎo)致噪聲出現(xiàn)。此外，流體噪聲還有可能被汽車葉片泵裝置的流量脈動(dòng)所影響。若泵體吸入性能不足，便會(huì)導(dǎo)致流量脈動(dòng)引發(fā)氣蝕等噪音問題[4]。因此，在處理噪聲的過程中，應(yīng)當(dāng)重視流體噪聲類型，確保其主要影響因素能夠得到有效解決，為后續(xù)進(jìn)一步應(yīng)用泵體打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)安靜、穩(wěn)定的工作活動(dòng)目標(biāo)，避免噪音對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。

3 低噪聲汽車葉片泵阻尼槽位結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 阻尼槽位參數(shù)化建模

在本次研究案例中，汽車葉片泵裝置為某注塑裝置應(yīng)用構(gòu)件，其利用交流型伺服電動(dòng)機(jī)完成驅(qū)動(dòng)操作，內(nèi)部動(dòng)力源為液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)適應(yīng)功能，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用階段，汽車葉片泵裝置屬于雙作用平衡型，內(nèi)部主要參數(shù)如表1所示。通過利用浮動(dòng)側(cè)板技術(shù)達(dá)到軸向密封目標(biāo)，在使用過程中浮動(dòng)側(cè)板會(huì)在密封件的內(nèi)部彈性影響下固定于定子表面位置。通過這種方式，能夠顯著提高運(yùn)行效果，實(shí)現(xiàn)靜音工作目標(biāo)。

在針對(duì)阻尼槽位進(jìn)行參數(shù)化建模處理的過程中，本次案例定量汽車葉片泵裝置的浮動(dòng)側(cè)板阻尼槽位位置屬于漸變式三角形，基礎(chǔ)參數(shù)為阻尼槽位包角、邊長L。在針對(duì)三角槽位液體進(jìn)行分析的過程中，可以將其看做短管流動(dòng)狀態(tài)研究，使高壓腔體區(qū)域流經(jīng)三角槽位置的過渡補(bǔ)油流量進(jìn)行計(jì)算，如公式（1）所示。

3.2 汽車葉片泵裝置內(nèi)部流場(chǎng)的仿真

在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，需要針對(duì)汽車葉片泵裝置結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行仿真處理。此環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)借助計(jì)算機(jī)平臺(tái)三維軟件工具操作，使其能夠?qū)Ρ敬伟咐亩科嚾~片泵裝置流體區(qū)域三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。汽車葉片泵裝置基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括定子模塊、轉(zhuǎn)子模塊、葉片模塊、吸油模塊、壓油模塊、阻尼槽位等多個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。通過將案例三維流體模型數(shù)據(jù)加入CFD解析平臺(tái)并劃分網(wǎng)格，能夠有效開展仿真操作。

仿真開始時(shí)，邊界基礎(chǔ)條件中入口壓力應(yīng)當(dāng)設(shè)置為P=0.1013MPa，工作壓力應(yīng)當(dāng)設(shè)置為P=20.0MPa，轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)設(shè)置為。仿真內(nèi)部基礎(chǔ)流體介質(zhì)為液壓油材料，其參數(shù)符合ISO VG32規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

3.3 阻尼槽位參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在針對(duì)阻尼槽位結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理的過程中，需要明確計(jì)算方法，為后續(xù)進(jìn)一步落實(shí)相關(guān)方案打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。根據(jù)單一工作密封腔體結(jié)構(gòu)壓力微分方程內(nèi)容可以明確，在因子數(shù)據(jù)為3的情況下，因子基礎(chǔ)水平數(shù)據(jù)為4，試驗(yàn)次數(shù)應(yīng)當(dāng)設(shè)置為16次[5]。汽車葉片泵裝置的基礎(chǔ)工作密封腔體結(jié)構(gòu)壓力云圖如圖2所示，單一壓力腔展開壓力數(shù)據(jù)正交試驗(yàn)的16次樣本實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。通過對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)，完成汽車葉片泵裝置浮動(dòng)側(cè)邊位置阻尼槽位優(yōu)化后，可以明確試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)施效果。根據(jù)我國應(yīng)用制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車葉片泵裝置與噪聲測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)本次案例汽車葉片泵裝置在完成優(yōu)化后噪音得到顯著降低。在低轉(zhuǎn)速情況條件下，即保壓工況內(nèi)，噪音數(shù)據(jù)由優(yōu)化前81.57dB降低至77.24dB，同時(shí)泵體容積效率與整體效率處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)案例汽車葉片泵裝置的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與噪音產(chǎn)生因素進(jìn)行分析，能夠明確工程優(yōu)化設(shè)計(jì)改動(dòng)方向，可以為后續(xù)進(jìn)一步升級(jí)葉片泵裝置靜音結(jié)構(gòu)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在實(shí)踐工作階段，需要重視經(jīng)典設(shè)計(jì)條件下汽車葉片泵裝置存在的噪音數(shù)據(jù)過大問題，通過采取阻尼槽位結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，使配油壓力沖擊顯著降低，削減噪音級(jí)別。此外，在優(yōu)化過程中，還需要注重泵體基礎(chǔ)容積效率狀態(tài)與總效率狀態(tài)，避免出現(xiàn)改動(dòng)后影響工作質(zhì)量的問題，為后續(xù)提高應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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