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新型節(jié)能型汽車轉(zhuǎn)向泵節(jié)能特性仿真研究

文檔作者：張攀陳磊王海燕文檔來源： 1．上海海事大學(xué)高等技術(shù)學(xué)院 2．上海海事大學(xué)商船學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年09月19日
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上一篇：主流汽車節(jié)能技術(shù)與節(jié)能效果

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Hvdraulics Pneumatics&amp;amp; Seals／No．10．2010
新型節(jié)能型汽車轉(zhuǎn)向泵節(jié)能特性仿真研究
張 攀 陳 磊 王海燕
(1．上海海事大學(xué)高等技術(shù)學(xué)院，上海200136； 2．上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海200135)
摘要：為了降低汽車液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中由于轉(zhuǎn)向泵的輸出流量高于實際需求的流量存在的較大能量損失，提出一種含有浮動塊的
新型容積式變量葉片泵。該泵應(yīng)用在汽車轉(zhuǎn)向助力泵等工況，可有效降低液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能量損失，是一種較有應(yīng)用前景的新型
葉片泵。同時建立汽車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對轉(zhuǎn)向泵選擇不同的參數(shù)進(jìn)行輸出流量仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行對比和分析節(jié)
能效果，為樣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)建議。
關(guān)鍵詞：平衡式葉片泵；浮動塊；節(jié)能；仿真
中圖分類號：TH137．5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008—0813(201 o)10—001 1-04
Simulation on Energy Saving Characteristics of a Variable Displacement
of Double Action Vane Pump
ZHANG Pan CHEN Let WANG Hai-yan
(1．Merchant Marine Collage，Shanghai Maritime University，Shanghai 200135；
2．School of High tech， Shanghai Maritime University，Shanghai 200135)
Abstract： To take account of the fact for an automotive hydraulic power steering system have serious energy loss in the system．This paper
discussed the configuration and the action principle of a new variable displacement of double-action vane pump，which consists of a
flo~ing block． The pump belongs to an automotive hydraulic power steering system，and prosperous utilization is expected． In the
meantime by establishing the mathematical and Simulink model for hydraulic power steering of automobile． Diferent parameters of pump
were selected in simulating programming．Th e simulating results were analyzed and compared，the important advice for the final design was
shown．
Key W ords：double action vane pump；floating block；energy saving；simulation
O 引言
目前隨著國際原油價格的不斷攀升，降低原油消
耗越來越被世界各國所重視，“節(jié)能減排”成了世界的
通用語。目前大多數(shù)商用車和轎車都采用動力轉(zhuǎn)向，但
是液壓動力轉(zhuǎn)向需消耗一定的能量，引起的燃油消耗
約占整車燃油消耗的3％t”。汽車行駛過程中，發(fā)動機(jī)大
部分時間在高于怠速的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)。而且80％以
上的時間處于不轉(zhuǎn)向的直線或等待狀態(tài)。因此液壓泵
輸出的油液大部分經(jīng)過流量控制閥和轉(zhuǎn)向控制閥流回
儲油罐，造成很大的損失，研究表明真正轉(zhuǎn)向消耗的能
量只占轉(zhuǎn)向系統(tǒng)燃油消耗的不到40％E21。在汽車節(jié)能呼
聲日益提高的今天，研究節(jié)能型汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就具有
非常重要的實際意義。本文提出了一種含有浮動塊的
新型新型轉(zhuǎn)向泵，此泵具有速度補(bǔ)償特性?？捎行Ы档?
液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能耗，相對于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向泵是一種較為理
想的汽車用轉(zhuǎn)向泵。
基金項目：上海海事大學(xué)科研基金項目(20080473)
收稿日期：2010—03—18
作者簡介：張攀(1983～)，女，遼寧大連人，碩士，研究方向為機(jī)電一體化。
1 基本結(jié)構(gòu)
新型轉(zhuǎn)向泵是在現(xiàn)有平衡式定量葉片泵的基礎(chǔ)上
進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)改進(jìn)而形成的．此新型葉片泵在保持
現(xiàn)有平衡式定量葉片泵轉(zhuǎn)子徑向受力平衡等優(yōu)點的基
礎(chǔ)上，還能夠十分方便的按照轉(zhuǎn)速的不同要求，自動改
變其排量。如圖1所示，平衡式葉片泵主要由定子、轉(zhuǎn)
子、葉片、吸油窗口、排油窗口、浮動塊及聯(lián)接彈簧等所
’
、、～ — — — 一
1一定子2一彈簧3一轉(zhuǎn)子4一浮動塊體5一浮動槽6一葉片
圖1 平衡式葉片泵結(jié)構(gòu)示意圖
組成，在外殼體的內(nèi)圈上裝有定子，在定子內(nèi)裝有轉(zhuǎn)
子。在轉(zhuǎn)子上均布的裝有l(wèi)2組葉片，在每兩組葉片中
間均布的裝有l(wèi)2組浮動塊。浮動塊由浮動塊體和聯(lián)接
11
液壓氣動與密封／2010年第l0期
彈簧組成；浮動塊體安裝在浮動塊體滑槽內(nèi)，聯(lián)接彈簧
安裝在彈簧槽內(nèi)，浮動塊體底部安裝螺釘，在螺釘上鉆
孔與聯(lián)接彈簧進(jìn)行聯(lián)接，聯(lián)接彈簧兩端都設(shè)計有圓鉤
環(huán)，一端與螺釘聯(lián)接，另一端與順時針方向的下一個彈
簧槽底部邊緣進(jìn)行固定聯(lián)接翻。
2 新型轉(zhuǎn)向泵工作原理
2．1 泵的工作原理簡介
新型轉(zhuǎn)向泵變量原理是在其轉(zhuǎn)子的浮動槽內(nèi)安裝
了可以上下伸縮的浮動塊體。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的變
化。浮動塊體可在槽內(nèi)上下滑動，這樣浮動塊體在油腔
內(nèi)占據(jù)空間的大小與泵的轉(zhuǎn)速有關(guān)，實現(xiàn)了泵的變量。
當(dāng)轉(zhuǎn)子速度提高時，在離心力的作用，浮動塊體外移，
占據(jù)更多的有效容積空間，使泵每轉(zhuǎn)的吸、排油量減
少；當(dāng)轉(zhuǎn)子速度降低時，離心力變小，浮動塊體會內(nèi)移，
泵的有效容積空間變大，泵每轉(zhuǎn)的吸、排油量增加。
2．2 泵的浮動塊體結(jié)構(gòu)
浮動塊體是新型轉(zhuǎn)向泵變量的核心部件，它的結(jié)構(gòu)
如圖2所示，參照于大連液壓件廠生產(chǎn)的V20F型轉(zhuǎn)向
葉片泵的各項設(shè)計參數(shù)，將浮動塊體寬度設(shè)計成4．5mm，
高度W為6．2mm，厚度22．0mm，都呈中心對稱。浮動塊體
頂端部分為半徑2．5mm的圓弧頂廓結(jié)構(gòu)，下部兩側(cè)有
0．8mm的倒角。底部平面有直徑為3．0mm螺紋孑L。
圖2 浮動塊體結(jié)構(gòu)平面不惹
2．3 泵的理論流量方程
在只考慮浮動塊體與浮動槽泄漏量的理想情況
下．泵的平均理論流量公式[41
g ={2br~R：一R )盯一 卜10 6 。一10 6 —q )n
(1)
式中26【( 2 )耵一 】一變量機(jī)構(gòu)不工
作時泵的理論排量；
2xlOxbo"．— — 浮動塊體上升、下降2次工作過程
中在相鄰葉片間所占據(jù)的有效容積的體積；
g —— 從浮動槽縫隙中所泄漏掉的流量；
— — 浮動塊體的伸長量；
6—— 浮動塊體寬度；
n—— 葉片泵的轉(zhuǎn)速；
— — 葉片泵的葉片個數(shù)：
Or，— — 浮動塊體厚度；
廠葉片厚度；
葉片傾角：
R?！?— 葉片泵定子短半徑；
尺廠葉片泵定子長半徑。
3 建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型
根據(jù)新型轉(zhuǎn)向泵流量方程，應(yīng)用Simulink軟件建
立液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型。研究新型轉(zhuǎn)向泵作為
轉(zhuǎn)向泵的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向執(zhí)行元件輸出流量動態(tài)變化
過程和轉(zhuǎn)向泵定差式溢流閥溢流量的仿真曲線。
3．1 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 ，轉(zhuǎn)向泵排量q，油液彈性模量盧，
液壓元件內(nèi)部油液壓縮體積 ，泄漏系數(shù)R，轉(zhuǎn)向器活
塞面積A，轉(zhuǎn)向閥節(jié)流面積A d，
轉(zhuǎn)向器輸出力F．--p。A，
進(jìn)入轉(zhuǎn)向器油量Qa=XA，
泵的排出壓力Pp= J AQpdt+p (0)， up
轉(zhuǎn)向閥外壓力Pa= 』△Q +p (0)， U a
轉(zhuǎn)向器移動速度Xa= 1 I ￡+ (0)，
』m J
泵的泄漏Q 尺 P。，轉(zhuǎn)向器泄漏Qo=R,p ，
溢流閥泄漏QI= P (p ≥10MPa)，
Qr=0(p ≤IOMPa)，
轉(zhuǎn)向閥流量Qp=Cet 1v／ ，
等效負(fù)載阻力 ；轉(zhuǎn)向器輸出力 ，
轉(zhuǎn)向閥I=I前后壓差△p ．
_P ，
泵腔容積壓縮流量△Qc=Qp__Q Qc，
轉(zhuǎn)向器容積壓縮流量AQp=Q_Q Qp--Q 。
3．2 系統(tǒng)參數(shù)的取值
參照大連液壓件廠的V20F轉(zhuǎn)向泵的各項性能參
數(shù)?，F(xiàn)設(shè)定平衡式變量泵的轉(zhuǎn)速范圍為轉(zhuǎn)速為500~
3000r／min，工作壓力最大為p=IOMPa，排量q=22．1
mL／r。系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向泵由于定差式溢流閥作用，設(shè)定恒
定輸出流量為Q輸出=24L／min。液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模
型各參數(shù)見表1。變量機(jī)構(gòu)浮動塊體的參數(shù)已給出，另
將浮動槽的寬度設(shè)計為4．5mm，高度為6．0mm，厚度
22．0mm：轉(zhuǎn)子彈簧孔直徑為4．0mm。聯(lián)接彈簧的鋼絲
直徑設(shè)計為0．5mm。彈簧中徑設(shè)計為3．0mm。根據(jù)彈
簧的鋼絲直徑，將彈簧有效圈數(shù)設(shè)定為11圈。
Hvdraulics Pneumatics&amp;amp; Seals／No．10．2010
表1 液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型參數(shù)
名稱 參數(shù)
液壓油密度
元件油液壓縮體積
等效負(fù)載的總質(zhì)量舊
轉(zhuǎn)向器內(nèi)泄系數(shù)嘲
轉(zhuǎn)向泵內(nèi)泄系數(shù)
轉(zhuǎn)向泵溢流閥膳
黏性阻力系數(shù)
轉(zhuǎn)向器液容系數(shù)
轉(zhuǎn)向泵液容系數(shù)
轉(zhuǎn)向閥節(jié)流孔流量系數(shù)”
閥口預(yù)開間隙的軸向長度
閥口預(yù)開間隙的寬度
閥芯與閥套的配合半徑
P-900kg／m
V=400mL
k／=／．=60kg
=6．5X 10 m3／(PaXS)
=O．5X 10 E／(PaXS)
=1×1O。。( ／s)／Pa
fi, =1．78×104 NS／m
C =O．6X10 Pa／(m3／s)
C。=O．5×10 Pa／(m3／s)
C =O．62
=O．018m
三=O．0005m
fi,：O．011m
4 葉片泵節(jié)能特性仿真研究
本文仿真中假定給方向盤施加一斜坡力矩，使其
產(chǎn)生0．5rad的轉(zhuǎn)角，發(fā)動機(jī)提供給轉(zhuǎn)向泵一斜率為l0
的斜坡上升速度，在2s內(nèi)轉(zhuǎn)向泵從20r／s上升到40r／s，
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向系統(tǒng)執(zhí)行元件轉(zhuǎn)向器輸出流量動態(tài)響應(yīng)曲
線如下圖3所示。
圖3 轉(zhuǎn)速上升流量輸出仿真曲線1
由圖3可認(rèn)為：在一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)速快速上升，系統(tǒng)
的響應(yīng)速度較快，波動較小。進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量曲線
變化平穩(wěn)且穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)，保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向時
的快速平穩(wěn)。圖4是在其他參數(shù)完全相同，轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速
為斜率5的斜坡上升速度，從15r／s勻速上升到25r／s
得到的系統(tǒng)向轉(zhuǎn)向器輸出流量動態(tài)響應(yīng)曲線。與前一
個仿真對比，速度上升較緩。從仿真曲線的變化趨勢可
以看出，對于同一種變化情況當(dāng)轉(zhuǎn)速變化較為平穩(wěn)時，
系統(tǒng)的變化趨勢也平穩(wěn)，流量的峰值及平穩(wěn)值均隨速
度變化的增大而增大，這與系統(tǒng)的實際情況相符合。另
可通過仿真可知當(dāng)其他仿真參數(shù)相同，降低轉(zhuǎn)向泵的
轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向轉(zhuǎn)向器輸出流量動態(tài)響應(yīng)曲線變化
趨勢與轉(zhuǎn)速上升過程仿真曲線基本一致。
圖4 轉(zhuǎn)速上升流量輸出仿真曲線2
t／s
圖5 變量機(jī)構(gòu)不工作定差式溢流閥溢流量
圖5是與圖3仿真條件相同變量機(jī)構(gòu)不工作無法
實現(xiàn)速度補(bǔ)償條件下轉(zhuǎn)向泵內(nèi)溢流閥溢流量的仿真曲
線，隨著轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速的線性上升，泵的輸出流量超過溢
流閥限定的最大輸出流量，溢流閥溢流的多余流量也
隨轉(zhuǎn)速的增加近似線性增加。圖6是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向
泵為帶有變量機(jī)構(gòu)的新型轉(zhuǎn)向泵，在2s內(nèi)轉(zhuǎn)速從
圖6 變量機(jī)構(gòu)工作定差式溢流閱溢溢流量
20r／s到40r／s上升過程中變量機(jī)構(gòu)開始工作實現(xiàn)速度
補(bǔ)償后轉(zhuǎn)向泵定差式溢流閥溢流量的仿真曲線圖。隨
著轉(zhuǎn)速的增加，溢流量也隨之加大。但從仿真曲線的變
化趨勢可以看出。溢流量曲線不再是線性增加，而是曲
線的上升斜率不斷減小。比較圖5和圖6可以看出。相
同的條件下，相比較于無變量機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向泵定差式溢
流閥溢流量，有變量機(jī)構(gòu)實現(xiàn)補(bǔ)償作用時溢流量明顯
減少，而且溢流量下降的效果較明顯，達(dá)到了相同轉(zhuǎn)速
下減少溢流閥溢流量的目的。仿真結(jié)果表明安裝有變
量機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向葉片泵由于有變量機(jī)構(gòu)的速度補(bǔ)償作
用，可以有效減少溢流閥的溢流量，對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中減
少多余流量造成的能量損失．解決液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
中由于多余流量的產(chǎn)生造成的很大能量損失的問題，
有一定的效果。
13
液壓氣動與密封／2010年第l0期
雙向動力單元集成式
液壓支腿在車載智能調(diào)平系統(tǒng)中的應(yīng)用
陳玉霞 周志鴻1 梁上愚
(1一匕京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083； 2．深圳凱卓立液壓設(shè)備有限公司，深圳518108)
摘 要：雙向動力單元在集成式液壓支腿調(diào)平系統(tǒng)中的應(yīng)用不僅打破了由一個油源供應(yīng)多條液壓支腿油缸的傳統(tǒng)模式。大大減少了液
壓油管的使用，消除了布管問題，可以自由選擇支撐點的個數(shù)與位置；而且相比單向動力單元更避免了方向控制閥的使用；簡化了閥塊
的設(shè)計；減輕了油源的體積和重量，方便了安裝，具有很大的實用價值。
關(guān)鍵詞：雙向動力單元；集成式；液壓支腿；智能調(diào)平
中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008—0813(2010)10—0014—03
Application of Two—way Power Unit of Integrated Hydraulic
Outrigger in a Vehicle-carried Intelligent Levelling System
CHEN yM ZHOU Zhi—hong。LIANG Shang--yu
(1．Civil&amp;amp;Environment Engineering school of University of Science and Technology Beijing，
Beijing 100083，China； 2．Shenzhen Cadro Hydraulic Equipment Co．，Ltd，Shengzhen 518108，China)
Abstract： Two—way power unit used in integrated Hydraulic Outrigger Levelling System controls a outrigger cylinder by a oil
source，instead of the tranditional mode that one oil source supplies many cylinders．It can reduce the use of hydraulic tubing， eliminate
the piping problem， and choose the number and location of support points freely； And it can avoid the use of the
directional control valve，simply the design of the valve block，lighten the volume and weight and make it easy to instal1．The
system is quite practica1．
Key W ords：two-way power unit； integrated system；hydraulic outrigger；intelligent levelling
O 引言
目前，很多專用汽車，如大型采訪車、流動舞臺車
收稿日期：2010—05—17
作者簡介：陳玉霞(1984一)，女，北京科技大學(xué)2008級碩士研究生，車輛工
程專業(yè)；主要研究方向：液壓系統(tǒng)自動控制設(shè)計研究。
·+ + -——+一一—-f一一—— 一—·+一-+ -+ -+ 一—·+一一— 一-—●～
5 結(jié)論
本文介紹的新型轉(zhuǎn)向泵是一種速度補(bǔ)償平衡式葉
片泵，建立新型轉(zhuǎn)向泵理論流量輸出方程和液壓動力
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用仿真軟件對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向執(zhí)行
機(jī)構(gòu)輸出流量和轉(zhuǎn)向泵溢流閥溢流量進(jìn)行仿真。結(jié)果
表明：新型轉(zhuǎn)向泵作為轉(zhuǎn)向泵具有很好的流量輸出特
性。在相同的條件下，變量機(jī)構(gòu)工作后具有補(bǔ)償作用的
轉(zhuǎn)向泵內(nèi)溢流閥的溢流量在數(shù)值上明顯低于不具有補(bǔ)
償作用葉片泵的溢流閥溢流量，而且溢流量下降的效
果較明顯。從而從理論上驗證了新型轉(zhuǎn)向泵基于速度
補(bǔ)償理論的可行性和良好的節(jié)能效果，為下一步進(jìn)行
樣機(jī)試驗研究奠定了基礎(chǔ)。
參考 文 獻(xiàn)
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14
以及重載車輛等由于功能要求，往往都需要配備調(diào)平
系統(tǒng)。智能調(diào)平系統(tǒng)通過水平傳感器，控制液壓支腿的
伸出量，使車廂底面保持水平。目前的支腿系統(tǒng)都是采
用一個動力單元，以四點支撐系統(tǒng)為例：支腿液壓系統(tǒng)
控制采用一個油源分別為四個支腿供油，這種支腿系
[2】劉光松．液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)能耗特性的分析[J]．山西機(jī)械，
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輕工業(yè)學(xué)院碩士學(xué)位論文，2000．
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