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

全興精工集團(tuán)有限公司 浙江省紹興市 311800

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(wèn)題。為解決此類問(wèn)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(lái)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(guò)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(guò)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。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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)題。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(lái)源

2.1 機(jī)械噪聲

在汽車葉片泵裝置運(yùn)行過(guò)程中，噪音屬于較為常見(jiàn)的問(wèn)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(wèn)題出現(xiàn)。引發(fā)此類問(wèn)題的核心原因與葉片內(nèi)部液體壓力平衡出現(xiàn)問(wèn)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(guò)高等有關(guān)，因此在處理機(jī)械噪聲的過(guò)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(wèn)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)。部分罕見(jiàn)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)?？梢哉J(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(jiàn)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(jiàn)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(wèn)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(guò)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(wèn)題。因此，在處理噪聲的過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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)。

表1 案例汽車葉片泵裝置參數(shù)

在針對(duì)阻尼槽位進(jìn)行參數(shù)化建模處理的過(guò)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(zhǎng)L。在針對(duì)三角槽位液體進(jìn)行分析的過(guò)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(guò)渡補(bǔ)油流量進(jìn)行計(jì)算，如公式（1）所示。

在公式（1）中，代表三角槽位置極限作用截面邊長(zhǎng)狀態(tài)，代表三角槽位的包角數(shù)據(jù)，代表轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)角速度數(shù)據(jù)，C代表短管流量系數(shù)狀態(tài)，代表液壓油密度情況。

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(guò)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(guò)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(kāi)展仿真操作。

圖1 案例汽車葉片泵裝置模型

仿真開(kāi)始時(shí)，邊界基礎(chǔ)條件中入口壓力應(yīng)當(dāng)設(shè)置為P=0.1013，工作壓力應(yīng)當(dāng)設(shè)置為P=20.0，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。

表2 計(jì)算詳細(xì)參數(shù)

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(guò)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。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(kāi)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(guò)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(guó)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)。

表3 單次工作密封腔體結(jié)構(gòu)開(kāi)展壓力試驗(yàn)分析對(duì)比數(shù)據(jù)

圖2 壓力云圖狀態(tài)

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)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(guò)大問(wèn)題，通過(guò)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(guò)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(wèn)題，為后續(xù)提高應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。