車用電子旋片真空泵的設(shè)計(jì)與研究任務(wù)書

1、<p>　　本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</p><p>　　題 目 車用電子旋片真空泵的設(shè)計(jì)與研究</p><p>　　學(xué) 院 </p><p>　　專 業(yè) 車輛工程 </p><p>　　年 級(jí) </p><p><b>　　學(xué) 號(hào)

2、</b></p><p>　　姓 名 </p><p><b>　　指 導(dǎo) 教 師 </b></p><p>　　成 績(jī) </p><p>　　2014 年 5 月 5 日 </p><p><

3、b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要iii</b></p><p>　　Abstractiv</p><p><b>　　0文獻(xiàn)綜述1</b></p><p><b>　　0.1研究背景1</b></p><p&g

4、t;　　0.2真空泵的類型1</p><p>　　0.3旋片式真空泵的起源與發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p><b>　　1 引言6</b></p><p>　　1.1旋片泵的工作原理6</p><p>　　1.2 旋片泵的工作循環(huán)過(guò)程7</p><p>　　1.3本文設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容8<

5、/p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)要求8</b></p><p>　　2.1 性能要求9</p><p>　　2.2 材料選擇要求9</p><p>　　3 結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇10</p><p>　　3.1幾何抽速Sth10</p><p>　　3.2驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)速n1

6、1</p><p>　　3.3旋片數(shù)目Z11</p><p>　　3.4直徑比b11</p><p>　　3.5長(zhǎng)徑比a11</p><p>　　3.6實(shí)際容積利用系數(shù)Kv11</p><p>　　3.7計(jì)算泵腔尺寸13</p><p>　　3.8計(jì)算旋片尺寸13</p>

7、<p>　　4 三維結(jié)構(gòu)模型的建立14</p><p>　　4.1 三維建模技術(shù)概述14</p><p>　　4.2 零部件的建模過(guò)程15</p><p>　　4.3 泵體總成的虛擬裝配21</p><p>　　4.4 二維工程圖的生成24</p><p>　　5 旋片泵的動(dòng)力學(xué)研究25<

8、;/p><p>　　5.1旋片的運(yùn)動(dòng)速度研究26</p><p>　　5.2 旋片的運(yùn)動(dòng)加速度研究28</p><p>　　5.3旋片的受力分析研究29</p><p><b>　　6 結(jié)論32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p>

9、;<p><b>　　致謝34</b></p><p>　　車用電子旋片式真空泵的設(shè)計(jì)與研究</p><p>　　摘要：本文對(duì)小型乘用車電子旋片真空泵的具體性能需求進(jìn)行分析，并根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求計(jì)算出旋片泵抽氣機(jī)構(gòu)的尺寸大小。系統(tǒng)的進(jìn)行旋片式真空泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并著重對(duì)進(jìn)、排氣口角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用在上下端蓋上設(shè)置進(jìn)、排氣口的方案。以及對(duì)泵體的噪音源進(jìn)行分析

10、，確定采用抗性消音器的原理設(shè)計(jì)外殼的消聲器。利用三維設(shè)計(jì)軟件 CATIA 的裝配設(shè)計(jì)模塊對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行虛擬裝配，檢查裝配后虛擬總成的合理性。并根據(jù)三維到二維的高效轉(zhuǎn)化方法，轉(zhuǎn)化為工程圖紙。最后對(duì)旋片機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究分析，為其平衡及強(qiáng)度設(shè)計(jì)建立基礎(chǔ)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：制動(dòng)系統(tǒng)；旋片式；電子真空泵；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　A Study on Design and

11、 Research of a Rotary Vane Electronic</p><p>　　Yong Jiang</p><p>　　College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, China</p><p>　　Abstract: With advan

12、tage of compact frame, excellent dynamical equilibrator and convenient mend, the rotary vane vacuum pump plays an important role in the vacuum equipment market. In this paper, the basic structure of the rotary vane pump,

13、 working principle and the main factors affecting the work performance is analyzed and studied. With the analysis of movement and the force of rotary vane, the calculation method of the performance of rotary vane pump is

14、 derived, and the dynamic mathematical m</p><p>　　Keywords: Braking system; Rotary vane; Electronic vacuum pump; Structural design</p><p><b>　　0文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>

15、　　0.1研究背景</b></p><p>　　制動(dòng)性作為是汽車主要性能之一,它涉及到駕駛員和乘客的生命以及財(cái)產(chǎn)安全，是汽車在高速行駛時(shí)能迅速完成剎車的重要保障。目前．絕大多數(shù)的轎車和裝載質(zhì)量小于3．5t的輕型汽車多采用真空助力伺服制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提高制動(dòng)可靠性和減輕駕駛員的疲勞，有利于降低行車事故發(fā)生率，提高整車安全性，應(yīng)用日益廣泛。真空泵主要作用是為真空助力制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)伺服裝置提供動(dòng)力。多裝

16、在2．5L以下柴油動(dòng)力的車上。早期的汽油動(dòng)力車助力制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源主要來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管產(chǎn)生的真空。但是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)，會(huì)出現(xiàn)進(jìn)氣歧管真空度下降，導(dǎo)致剎車助力下降，影響剎車性能。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人們駕乘標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，越來(lái)越多的汽油動(dòng)力車上也開(kāi)始加裝了獨(dú)立式真空泵[1]。</p><p><b>　　0.2真空泵的類型</b></p><p>　　真空泵即

17、產(chǎn)生、改善和維持真空的裝置。</p><p>　　基本上分為氣體傳輸泵和氣體捕集泵兩種類型，氣體傳輸泵又分為變?nèi)菡婵毡煤蛣?dòng)量傳輸泵。具體分類見(jiàn)圖0-1。</p><p>　　圖0-1真空泵的分類</p><p>　　Figure 0-1 Classification of vacuum pumps</p><p>　　0.3旋片式真空泵的起源

18、與發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　0.3.1旋轉(zhuǎn)式葉片泵的發(fā)展概述</p><p>　　1909年蓋德(W．Gaede)發(fā)明旋片泵并取得德國(guó)專利，1936年又發(fā)明氣鎮(zhèn)泵，1941年取得專利[2]。60 年代末，國(guó)際上對(duì)旋片泵進(jìn)行了提高轉(zhuǎn)速和小型化的改進(jìn)；直到 70 年代初，市場(chǎng)上出現(xiàn)了直聯(lián)式旋片泵。80 年代初，設(shè)計(jì)人員又對(duì)旋片泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加了油路止回閥和氣道截止閥，來(lái)改善抽氣時(shí)的返油

19、現(xiàn)象；另外在附件上，消霧器、入口過(guò)濾器、氣味過(guò)濾器、灰塵過(guò)濾器等的加入，給了用戶更多的選擇空間。90 年代初，又推出了能監(jiān)視油壓、油溫、油質(zhì)等的電子顯示器，一些附件甚至開(kāi)始可以與計(jì)算機(jī)聯(lián)接，便于對(duì)旋片泵運(yùn)行工況進(jìn)行自動(dòng)控制。一百多年來(lái)，通過(guò)研究人員不斷的改進(jìn)推廣，旋片式真空泵得到了廣泛應(yīng)用和不斷完善。</p><p>　　旋片式真空泵是一種利用轉(zhuǎn)子和可在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)滑動(dòng)的旋片，組合形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以獲得真空的一種變?nèi)輽C(jī)械

20、真空泵，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、抽氣量大、效率高等特點(diǎn)。它可以作為其他真空泵的前級(jí)泵，也可以單獨(dú)使用。旋片式真空泵主要用于抽取容器中的干燥氣體，如果安裝有氣鎮(zhèn)裝置，還可以抽取含一定量油氣的可凝性氣體。目前，旋片泵已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、冶金、化工、輕工、石油及醫(yī)藥等領(lǐng)域[3]。但旋片泵不適合用于抽取有爆炸性的、對(duì)金屬有腐蝕性的、含有顆粒塵埃的氣體。當(dāng)采用工作液來(lái)進(jìn)行潤(rùn)滑并填充泵腔死隙，分隔排氣閥和大氣時(shí)，即為通常所稱的油封旋片真

21、空泵。無(wú)工作液時(shí)，即為干式旋片真空泵。</p><p>　　0.3.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀比較</p><p>　　近年來(lái)，隨著我國(guó)電子科技、食品加工、醫(yī)療生產(chǎn)等方面的不斷進(jìn)步，對(duì)旋片式真空泵的各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求也越來(lái)越高，急切需要更可靠、更高效的旋片泵產(chǎn)品來(lái)滿足國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的需求。</p><p>　　(1)國(guó)內(nèi)外的旋片泵產(chǎn)品性價(jià)比參數(shù)相差巨大。雖然近幾年來(lái)，國(guó)產(chǎn)旋片泵的性

22、能指標(biāo)比如：抽氣速率、極限真空、用油量、最高使用溫度等方面取得了一定的進(jìn)步，但是在一些用戶比較關(guān)心的方面，如密封、重量、比功率、使用壽命、外形、噪聲等方面，與國(guó)外的同類產(chǎn)品相比還存在著很大的差距[4]。與國(guó)外產(chǎn)品相比，國(guó)產(chǎn)旋片泵存在的問(wèn)題具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[5-6]：</p><p><b>　　抽氣效率過(guò)低</b></p><p>　　泵的抽氣效率是指實(shí)際抽速與

23、理論抽速之比。按照J(rèn)B／T6533—1997《旋片真空泵》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，2Pa時(shí)雙級(jí)泵的抽氣效率不應(yīng)低于45％，1．5kPa時(shí)不低于80％。該項(xiàng)指標(biāo)表示了泵的抽氣能力，旋片泵不合格產(chǎn)品中有40％是因?yàn)樵擁?xiàng)指標(biāo)過(guò)低。</p><p><b>　　存在噴油漏油現(xiàn)象</b></p><p>　　不噴油、不漏油是關(guān)系著環(huán)境保護(hù)的重要指標(biāo)，對(duì)于制冷、半導(dǎo)體、電子、食品包裝行業(yè)來(lái)說(shuō)都

24、是不允許有噴油漏油現(xiàn)象的。當(dāng)前旋片泵不合格產(chǎn)品中有20％是因?yàn)樵搯?wèn)題的存在。</p><p><b>　　噪聲過(guò)大</b></p><p>　　工作噪聲也是評(píng)價(jià)旋片式真空泵的重要指標(biāo),特別是在對(duì)NVH要求較高的工作場(chǎng)</p><p>　　合,比如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙。標(biāo)準(zhǔn)JB/T6533-1997中規(guī)定,抽速為2L/s的旋片泵噪聲不得大于72dB,國(guó)產(chǎn)

25、旋片泵中有些產(chǎn)品噪聲高達(dá)75dB,在不合格的產(chǎn)品中,有20%是因?yàn)楣ぷ髟肼曔^(guò)大。</p><p>　　以上三個(gè)方面是目前國(guó)產(chǎn)旋片泵存在問(wèn)題比較嚴(yán)重的地方。此外，在極限壓力、比功率、用油量、重量、最高使用溫度、外觀造型上都還有待提高。我國(guó)的真空泵市場(chǎng)十分巨大,旋片式真空泵又占據(jù)了真空泵設(shè)備銷量的第一位。但這個(gè)銷售情況也僅限于油封式旋片泵,在干式旋片泵市場(chǎng),具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的干式旋片泵基本沒(méi)有。旋片式真空泵的結(jié)構(gòu)雖然

26、相對(duì)簡(jiǎn)單,但其對(duì)工藝設(shè)計(jì)、加工及裝配精度的均有很高要求,特別是對(duì)于干式旋片泵,其核心部件對(duì)材料的要求很高,這也是導(dǎo)致我國(guó)干式旋片真空泵發(fā)展緩慢的主要原因之一。</p><p>　　目前,在汽車配套方面,旋片泵市場(chǎng)幾乎被德國(guó)壟斷。配套高級(jí)轎車的有德國(guó)大陸</p><p>　　(CONTINENTAL)集團(tuán)生產(chǎn)的膜片泵,主要應(yīng)用于奔馳、寶馬等品牌的車型;配套中、低級(jí)轎車的有德國(guó)海拉(HELLA

27、)生產(chǎn)的旋片泵,主要應(yīng)用于大眾、通用、奇瑞等品牌的</p><p><b>　　車型。</b></p><p>　　0.3.3旋片式真空泵理論研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前，真空泵的理論研究主要集中在泵的材料、結(jié)構(gòu)、流體流動(dòng)、傳熱、噴油、可靠性等方面的計(jì)算和簡(jiǎn)化模型的分析和實(shí)驗(yàn)，以及對(duì)整體或部分的計(jì)算機(jī)模擬仿真。其中，相對(duì)于其他的真空泵，如

28、渦旋泵、羅茨泵、螺桿泵、水環(huán)泵等，旋片泵的理論研究更少。綜合各文獻(xiàn)，真空泵的理論研究主要集中在以下幾個(gè)方面：</p><p>　　結(jié)構(gòu)研究：包括真空泵的整體和部件結(jié)構(gòu)，如吸氣口和排氣口的確定，工作腔局部的位置和形狀，工作副的間隙大小，以及結(jié)構(gòu)的有限元分析等。</p><p>　　傳熱研究：包括對(duì)傳熱模型的簡(jiǎn)化分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)模擬分析。</p><p>　　材

29、料研究：主要是對(duì)材料的測(cè)試和分析，對(duì)其強(qiáng)度及耐磨性等相關(guān)信息進(jìn)行比較。在滿足強(qiáng)度要求的情況下，求取最合適的摩擦副。</p><p>　　真空泵性能研究：包括對(duì)真空泵的運(yùn)動(dòng)特性、功率損耗、振動(dòng)噪聲等整體性能的分析比較和實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　泵油的研究：油液對(duì)真空泵的工作過(guò)程和內(nèi)部參數(shù)的影響，包括噴油對(duì)其的</p><p>　　影響和對(duì)噴油狀態(tài)的測(cè)試分析。<

30、/p><p>　　在真空泵的理論研究文獻(xiàn)中，以旋片式真空泵作為研究對(duì)象的很少，主要集中在渦旋泵、羅茨泵、螺桿泵、滑閥泵等方面。而且，在現(xiàn)有的旋片泵研究中，對(duì)主題結(jié)構(gòu)研究主要集中在材料和局部結(jié)構(gòu)上，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)的研究較少。</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　電子式真空泵是指在汽車上由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并由電子元件控制的

31、旋片式真空泵，</p><p>　　近年來(lái)在小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車中廣泛使用。電子式旋片泵由工作腔、連接支架和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。電子式旋片泵的特點(diǎn)是：驅(qū)動(dòng)力由直流電機(jī)提供，電力來(lái)自 12V的車載電源；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，一般為 3000~5000r/min，工作時(shí)間可根據(jù)汽車需要由電子元件控制；為了減輕泵體總量，一般采用自潤(rùn)滑的工作方式，轉(zhuǎn)子與旋片多為自潤(rùn)滑性能較好的非金屬材料。</p><p>　　

32、電子式旋片泵由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此它的抽氣速率不會(huì)受發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況的影響，而且真空度傳感器與控制單元的加入，可以使汽車智能的啟動(dòng)或暫停旋片泵，大大減少旋片泵的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間。另外，在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中增加電子式旋片泵，不需要發(fā)動(dòng)機(jī)直接提供動(dòng)力，對(duì)汽車動(dòng)力性的影響較小。</p><p>　　1.1旋片泵的工作原理</p><p>　　旋片泵在工作時(shí)，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，葉片借離心力(有的還有彈簧力)緊

33、貼定子</p><p>　　內(nèi)壁，把進(jìn)排氣口分割開(kāi)來(lái)，使葉片兩側(cè)氣腔的容積大小發(fā)生周期性變化，從而完成吸氣、壓縮、排出氣體的過(guò)程[7]。</p><p>　　其中起抽氣作用的是各個(gè)基元腔，它是由前后兩葉片、轉(zhuǎn)子和定子組成的容積腔。工作過(guò)程可分為三個(gè)步驟：</p><p>　　當(dāng)?shù)谝粋€(gè)葉片掃過(guò)進(jìn)氣口時(shí)，基元腔體積逐漸變大，開(kāi)始吸氣過(guò)程；</p><

34、p>　　當(dāng)?shù)诙€(gè)葉片關(guān)閉進(jìn)氣口時(shí)，基元腔體積達(dá)到最大并開(kāi)始逐漸變小，開(kāi)始?jí)嚎s過(guò)程；</p><p>　　當(dāng)?shù)谝粋€(gè)葉片掃過(guò)排氣口時(shí)，基元腔體積繼續(xù)變小，開(kāi)始排氣過(guò)程。</p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　R-工作腔半徑 r-轉(zhuǎn)子半徑 E-轉(zhuǎn)子偏心距</p><p>　　e-葉片偏心距 B-

35、葉片厚度</p><p>　　圖 1-1 旋片泵工作腔結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　Figure 1-1 Rotary vane pump cavity structure diagram</p><p>　　1.2 旋片泵的工作循環(huán)過(guò)程</p><p>　　車用旋片式真空泵的工作腔由多個(gè)基元容積腔組成，在轉(zhuǎn)子的每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，各個(gè)基元都完

36、成相同的工作循環(huán)過(guò)程。因此，只需研究其中一個(gè)基元容積腔的循環(huán)過(guò)程，就可以了解整個(gè)真空泵的工作情況。</p><p>　　基元的容積大小隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角變化而變化，設(shè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為 T，則每過(guò)一個(gè)周期 T，基元容積腔便完成一個(gè)完整的循環(huán)過(guò)程。假設(shè)基元容積最小時(shí)為零，并以此刻作為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的起點(diǎn)，便可繪制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中基元容積和轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，如圖1-2(a)所示。圖中 V2 便是每個(gè)基元所能吸入的最大氣體體積。&l

37、t;/p><p>　　通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，可以保證基元容積在不斷變大的情況下，基元始終與進(jìn)氣口相連接，直到基元容積腔體積達(dá)最大時(shí)停止進(jìn)氣；進(jìn)氣口關(guān)閉后，氣體開(kāi)始?jí)嚎s，且基元內(nèi)氣體壓力的升高；排氣口接通，當(dāng)基元內(nèi)氣體壓力足夠高時(shí)，開(kāi)始排氣。如圖 1-2(b)所示，由 1 到 2 是旋片泵的吸氣過(guò)程，2 到 3 是氣體的壓縮過(guò)程，3 到 4 是排氣過(guò)程。其中，2 ? 、2 ? 、2 ? 是分別考慮到壓縮過(guò)程可能為絕熱、多

38、方、等溫等情況。</p><p>　　基元容積與轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線 (b)工作腔內(nèi)氣體循環(huán)過(guò)程</p><p>　　圖 1-2 旋片泵基元的理論工作循環(huán)</p><p>　　(a) a primitive volume and angle of the curve (b) working cycle of the gas chamber</p><

39、p>　　Figure 1-2 theoretical work cycle rotary vane pump primitives</p><p>　　1.3本文研究設(shè)計(jì)內(nèi)容</p><p>　　根據(jù)小型乘用車對(duì)電子真空泵的性能要求，推導(dǎo)旋片泵主要性能參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，并確定旋片泵的結(jié)構(gòu)尺寸，然后建立車用旋片泵的三維結(jié)構(gòu)模型。</p><p>　　對(duì)零部件進(jìn)行虛

40、擬裝配，檢查其設(shè)計(jì)的合理性，并探究在三維設(shè)計(jì)軟件中從三維到二維的高效設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　對(duì)旋片機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究分析，推導(dǎo)葉片的速度、加速度以及受力的計(jì)算公式，為其平衡及強(qiáng)度設(shè)計(jì)建立基礎(chǔ)。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　在車用旋片泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以簡(jiǎn)單分為以下四個(gè)步驟。首先，

41、根據(jù)汽車對(duì)該電子真空泵的性能要求，計(jì)算出旋片泵的主要結(jié)構(gòu)尺寸；其次，設(shè)計(jì)旋片泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括工作腔形狀及氣體管道的布置等；再次，設(shè)計(jì)旋片泵的外觀形狀及與汽車車架的連接方式；最后根據(jù)實(shí)際需求對(duì)零件總成進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保證功能強(qiáng)度的前提下，減輕旋片泵總成的質(zhì)量和體積。</p><p><b>　　2.1 性能要求</b></p><p>　　本課題設(shè)計(jì)的旋片式電子真空泵

42、，是向小型乘用汽車的助力制動(dòng)系統(tǒng)提供真空源的汽車零部件，根據(jù)《汽車真空泵性能要求及臺(tái)架實(shí)驗(yàn)方法》，其性能必需滿足以下幾個(gè)要求：</p><p>　?。?）該電子真空泵的極限工作溫度至少為?40°C~+120°C，以保證汽車助力制動(dòng)系統(tǒng)在極寒或極熱環(huán)境下均能正常工作；</p><p>　?。?）該電子真空泵的極限工作電壓至少為6V~16V，以保證汽車助力制動(dòng)系統(tǒng)在電壓不穩(wěn)

43、定時(shí)能正常工作；</p><p>　　（3）旋片泵的極限真空度要達(dá)到當(dāng)前大氣壓的 86%以上，以保證汽車助力制動(dòng)系統(tǒng)的助力強(qiáng)度；</p><p>　　（4）在當(dāng)前大氣壓下，從容積為 4.5L 的真空罐開(kāi)始抽氣，必須保證真空罐內(nèi)部真空度達(dá) 50%時(shí)所需時(shí)間不超過(guò) 4 秒，真空度達(dá) 70%時(shí)所需時(shí)間不超過(guò) 10 秒，以保證汽車的助力制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。</p><p>

44、　　（5）電子真空泵的累積工作時(shí)間不低于 500 小時(shí)。</p><p>　　表2-1車用電子真空泵的性能要求</p><p>　　Table 2-1 automotive electronic pump performance requirements</p><p>　　2.2 材料選擇要求</p><p>　　在旋片泵工作時(shí)，轉(zhuǎn)子與旋片

45、是泵腔內(nèi)的主要運(yùn)動(dòng)部件，受到來(lái)自泵腔內(nèi)壁摩擦、氣體壓力、自身慣性力等載荷的作用，運(yùn)行條件比較惡劣，因此在材料的選擇上必須重點(diǎn)關(guān)注。在干式旋片泵的設(shè)計(jì)中，由于缺少泵油的潤(rùn)滑，旋片與轉(zhuǎn)子的材料選擇不僅需要滿足強(qiáng)度要求、輕量化要求，還要滿足自潤(rùn)滑性能的要求。另外，考慮提高旋片泵的使用壽命，旋片材料還要具有較高的耐磨性。</p><p>　　參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，干式旋片泵的旋片材料一般以非金屬材料為主，如陶瓷、酚醛樹(shù)脂、石

46、墨等。本課題中，旋片與轉(zhuǎn)子均采用聚甲醛材料，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、自潤(rùn)滑和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　　3 結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇</b></p><p>　　結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，根據(jù)車用旋片泵的性能要求，對(duì)每一個(gè)影響性能參數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，最終得出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸。</p><p>　　3.1幾何抽速Sth<

47、/p><p>　　抽氣速率是指旋片式真空泵在單位時(shí)間內(nèi)抽出氣體的體積，常用單位為升/秒（L/s），主要包括名義抽速、幾何抽速和實(shí)際抽速。</p><p><b>　　名義抽速</b></p><p>　　名義抽速是指泵在出廠時(shí)，標(biāo)牌上鎖表明的抽氣速率。</p><p><b>　　幾何抽速</b><

48、;/p><p>　　幾何抽速是泵按照額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)抽出氣體的體積。幾何抽速Sth是吸氣終了時(shí)吸氣腔容積Vs與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，以及旋片數(shù)目z的乘積，即：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中A——吸氣終了時(shí)吸氣腔的截面積；</p><p><b>　　L——泵腔高度。&l

49、t;/b></p><p><b>　　實(shí)際抽速</b></p><p>　　實(shí)際抽速是在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)得的泵的抽氣速率。實(shí)際抽速是入口處壓力的函數(shù)，在實(shí)際抽氣過(guò)程中，隨著入口處壓力的下降而下降。當(dāng)入口處壓力等于極限壓力時(shí)，實(shí)際抽速變?yōu)榱?。此時(shí)，泵抽取的空氣的體積等于泵內(nèi)氣體通過(guò)間隙返回吸氣腔的氣體體積。在正常大氣壓下，泵在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮使實(shí)際抽速等于名義抽速。&l

50、t;/p><p>　　國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用幾何抽速來(lái)考核抽氣效率。根據(jù)表 2-1 對(duì)旋片泵抽氣速率的要求，結(jié)合旋片泵性能參數(shù)的計(jì)算方法，可得當(dāng)名義抽速Sm≥ 1(L/S)時(shí)，可以滿足抽速需求。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) JB/T6533-1997，泵的幾何抽速Sth應(yīng)為名義抽速的1.0~1.2倍[8]。為了保證名義抽速，則應(yīng)選較大的Sth值。，這里取Sth= 1.2Sm。</p><p>　　3.2驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)速n

51、</p><p>　　對(duì)于同一抽速，轉(zhuǎn)速小則尺寸大，體積大，重量大，材料消耗較大，但溫升較低，旋片頭部最大線速度較小，對(duì)旋片材質(zhì)和泵油要求較低，橡膠件不易老化?？紤]到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間有限，對(duì)泵體體積、重量要求嚴(yán)格，這里取較高轉(zhuǎn)速n = 3800 r/ min 。</p><p><b>　　3.3旋片數(shù)目Z</b></p><p>　　普通真空

52、泵一般葉片數(shù)為2。因?yàn)槠瑪?shù)多，加工復(fù)雜，成本高。通過(guò)旋片泵幾何抽速的計(jì)算可知，當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到較高的數(shù)值時(shí)，再增加旋片可以在不加大轉(zhuǎn)子偏心距，又不增加最大線速度的情況下提高抽速。車輛用真空泵為增加怠速時(shí)的抽速，取Z=5，這樣多個(gè)葉片可共同工作，也可使真空泵性能更加穩(wěn)定。</p><p><b>　　3.4直徑比b</b></p><p>　　B=d／D，d為轉(zhuǎn)子直徑，D

53、是泵腔直徑，抽速一定，b小則泵的定子尺寸小，偏心距e大，泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)旋片最大伸出長(zhǎng)度與留在槽內(nèi)的長(zhǎng)度之比大，旋片受力大，容易磨損或發(fā)生故障，在實(shí)用中b=0．75~0．90。連續(xù)工作入口壓力較低的可取小值，反之可取大值。在這里，初選 b =?0.85。</p><p><b>　　3.5長(zhǎng)徑比a</b></p><p>　　a=h/D，h是泵腔長(zhǎng)度，D是泵腔直徑，a值的選取

54、影響葉片頭部的最大線速度，與泵溫、磨損有關(guān)，影響加工工藝性外形尺寸和重量以及外形的美觀。a值還受進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)的限制。通用化規(guī)格選擇不當(dāng)，會(huì)使泵溫度較高，外形尺寸大，重量大，一般取a=o．5～1．5，對(duì)于大泵取大值，小泵取小值。初選 a =?0.5。</p><p>　　3.6實(shí)際容積利用系數(shù)Kv??</p><p>　　容積利用系數(shù)即旋片泵吸氣結(jié)束時(shí)，進(jìn)氣腔容積占整個(gè)工作腔容積的比例，通?？?/p>

55、通過(guò)合理的布置進(jìn)氣口和進(jìn)氣導(dǎo)流槽來(lái)獲得最大吸氣容積利用系數(shù)。由圖 3-1，可以很清楚的看到當(dāng)相鄰兩葉片相對(duì)于 x 軸對(duì)稱時(shí)，吸氣腔的橫截面積最大。</p><p>　　圖3-1旋轉(zhuǎn)式真空泵幾何示意圖</p><p>　　Figure 3-1 Schematic rotary vacuum pump geometry</p><p>　　設(shè) r 為轉(zhuǎn)子半徑、R 為定子

56、半徑、z 為葉片數(shù)目，則直徑比 b =d/ D=?r/R、P 2= /z。</p><p>　　令S 為工作腔橫截面積，S0 為吸氣腔橫截面積，S1為 O1O2B面積，S2為扇形BO1C面積,S3為扇形 AO2D面積。則</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b><

57、;/p><p><b>　　（3-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　（3-6）</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　當(dāng)采用五片式旋片泵結(jié)構(gòu)時(shí)

58、，初步設(shè)計(jì)容積利用系數(shù) Kv=?0.418。</p><p><b>　　3.7計(jì)算泵腔尺寸</b></p><p>　　D為泵腔直徑，d為轉(zhuǎn)子直徑，h為泵腔長(zhǎng)度，e為偏心距。旋片泵腔的主要尺寸間存在如下關(guān)系[9]：</p><p><b>　　（3-8）</b></p><p><b>

59、　　（3-9）</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　把前面選定的系數(shù)代入上式，再對(duì)計(jì)算出的數(shù)值圓整后，可得： D =?48, d =?40，</p><p>　　h =?22, e =?4，單位為

60、 mm。</p><p><b>　　3.8計(jì)算旋片尺寸</b></p><p>　?、?轉(zhuǎn)子中葉片槽偏置距離 的選取</p><p>　　根據(jù)轉(zhuǎn)子尺寸大小，選取 =? 11( mm)。</p><p>　?、?旋片厚度 B 的選取</p><p>　　對(duì)于高速直聯(lián)干式真空泵，一般都應(yīng)采用非金

61、屬的旋片材料。這里選用聚甲醇材料，厚度B = 3(mm)。根據(jù)上面的分析計(jì)算，可以得出車用旋片式電子真空泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表 3-1所示</p><p>　　表3-1旋片泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)</p><p>　　Tab 3-1 The main structural parameters of rotary vane pumps</p><p>　　4 三維結(jié)構(gòu)模型的

62、建立</p><p>　　4.1 三維建模技術(shù)概述</p><p>　　三維建模技術(shù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)手段，是計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域中建立三維實(shí)體模型的關(guān)鍵技術(shù)。任何形狀的產(chǎn)品都可以看作是由三維幾何構(gòu)成的組合體，用來(lái)描述產(chǎn)品的形狀、尺寸大小、位置與結(jié)構(gòu)關(guān)系等幾何信息的模型稱為幾何模型。而設(shè)計(jì)建立這個(gè)集合模型的技術(shù)即稱為三維建模技術(shù)。</p><p

63、>　　在旋片泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，本課題采用 CATIA 三維建模軟件。CATIA 是法國(guó)達(dá)索公司的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的旗艦解決方案。CATIA 軟件可以幫助制造廠商設(shè)計(jì)他們未來(lái)的產(chǎn)品，并支持從項(xiàng)目前階段、具體的設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計(jì)流程。</p><p>　　圖4-1 CATIA軟件主界面</p><p>　　Figure 4-1 CATIA software main i

64、nterface</p><p>　　4.2 零部件的建模過(guò)程</p><p>　　旋片式真空泵的結(jié)構(gòu)各種各樣，本課題設(shè)計(jì)的旋片泵采用無(wú)潤(rùn)滑油的工作形式，且安裝于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙，設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮了結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單化和輕量化。該旋片泵由近 30個(gè)零件組成，按照各個(gè)零部件的功能劃分，產(chǎn)品模型可以分為三大部分：抽氣機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、外殼及附件機(jī)構(gòu)。</p><p>　　圖4-2

65、旋片泵的組織結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Figure 4-2 Organization Chart rotary vane pumps</p><p>　　4.2.1抽氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p><b>　?、?泵腔組件的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　旋片泵的工作腔是由定子、上下端蓋組成的密閉空間，是旋片泵的核

66、心部件，必須保證采用可靠的材料。對(duì)于干式旋片泵，由于沒(méi)有潤(rùn)滑油的冷卻作用，選取的材料必須是耐摩擦和耐高溫的，經(jīng)過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，這里選用碳素結(jié)構(gòu)鋼45。工作腔大小決定著旋片泵的抽氣速率，通過(guò)上一章的理論計(jì)算，已知當(dāng)轉(zhuǎn)子直徑為40mm、高度為 22mm，定子內(nèi)壁直徑為 48mm 時(shí)，可以滿足對(duì)抽速的設(shè)計(jì)要求。</p><p>　?、?轉(zhuǎn)子與旋片組件的設(shè)計(jì)</p><p>　　在干式旋片泵中

67、，為減小真空泵的內(nèi)泄漏，一般采用 3~6 個(gè)槽的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計(jì)采用五槽的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。由一般旋片泵的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，使葉片相對(duì)轉(zhuǎn)子徑向傾斜一定角度，可以減小葉片頂部作用力對(duì)葉片沿滑槽運(yùn)動(dòng)的阻礙，改善葉片在滑槽中的運(yùn)動(dòng)情況，避免葉片側(cè)面與滑槽間的嚴(yán)重磨損。</p><p>　　在油封式旋片泵中，一般采用強(qiáng)度高、變形小的鑄鐵作為轉(zhuǎn)子與葉片的材料；而在干式旋片泵中，一般采用非金屬材料，如陶瓷、酚醛樹(shù)脂、石墨等，這里選用耐

68、磨性好的聚甲醛材料。轉(zhuǎn)子的高度為 22mm，直徑為 40mm；葉片高度為 22mm，厚度為 3mm，長(zhǎng)度為 18mm。</p><p>　　圖4-3 泵腔組件模型示意圖</p><p>　　Figure 4-3 Schematic model of the pump chamber assembly</p><p>　　圖4-4 轉(zhuǎn)子與旋片模型示意圖</p&g

69、t;<p>　　Figure 4-4 Schematic model of the rotor and the rotary vane</p><p><b>　　③ 進(jìn)氣口的開(kāi)設(shè) </b></p><p>　　對(duì)于油潤(rùn)滑的旋片泵，進(jìn)排氣口一般開(kāi)設(shè)在定子上，這樣便于整體的鑄造加工。而這里設(shè)計(jì)的旋片泵，是無(wú)油潤(rùn)滑，且必須考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性。因此，本課題設(shè)計(jì)的

70、旋片泵進(jìn)排氣口開(kāi)設(shè)在上下端蓋。進(jìn)排氣口角度的開(kāi)設(shè)，直接影響了旋片泵的抽速及工作效率。對(duì)于進(jìn)氣口角度的開(kāi)設(shè)，要求當(dāng)基元容積達(dá)到最大時(shí)，進(jìn)氣口恰好關(guān)閉，這樣可以保證旋片泵的抽氣速率達(dá)到最快[10]。在吸氣過(guò)程中，相鄰兩葉片的軸線與定子內(nèi)壁交點(diǎn) A、B，關(guān)于 X 軸對(duì)稱時(shí)，它們組成的吸氣腔容積達(dá)到最大。對(duì)于五槽式旋片泵，兩葉片間的夾角為 72°，此時(shí) OA 與x 軸的夾角為 36°。如圖 4-5 所示，為保證此時(shí)進(jìn)氣口恰好

71、關(guān)閉，通過(guò)幾何作圖，可以確定進(jìn)氣口角度為 46°。</p><p>　　圖 4-5 利用幾何作圖原理確定進(jìn)氣口的角度</p><p>　　Figure 4-5 geometric mapping principle to determine the angle of the inlet</p><p><b>　　④ 排氣口的開(kāi)設(shè)</b&g

72、t;</p><p>　　在干式旋片真空泵中，轉(zhuǎn)子偏心的安裝于定子內(nèi)部，轉(zhuǎn)子外圈與定子內(nèi)壁接觸，并存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。一般在初次安裝時(shí)，盡量讓轉(zhuǎn)子與定子內(nèi)壁壓緊接觸，但由于磨損效應(yīng)，轉(zhuǎn)子與定子總會(huì)出現(xiàn)間隙。這個(gè)間隙的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致排氣腔內(nèi)的氣體回流到吸氣腔，降低了旋片泵的極限這空度與工作效率。因此，必須合理設(shè)計(jì)排氣口的角度，使回流的氣體體積達(dá)到最小。在排氣過(guò)程中，當(dāng)相鄰兩葉片的軸線與定子內(nèi)壁交點(diǎn) A、B，關(guān)于 X 軸對(duì)稱時(shí)

73、，它們組成的回流腔容積達(dá)最小。對(duì)于五槽式旋片泵，兩葉片間的夾角為 72°，此時(shí) OA 與x 軸的夾角為 36°。為保證此時(shí)排氣口恰好關(guān)閉，通過(guò)幾何作圖，可以確定排氣口的角度，如圖 4-6 所示。</p><p>　　圖 4-6 利用幾何作圖原理確定排氣口的角度</p><p>　　Figure 4-6 Geometric mapping principle to det

74、ermine the angle of the exhaust port</p><p>　　4.2.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　① 支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　直聯(lián)式旋片泵的支架具有連接泵體工作腔與直流電機(jī)、開(kāi)設(shè)進(jìn)排氣道，與汽車車架連接等作用。它作為一個(gè)連接部件，既要保證其強(qiáng)度，又要盡可能的減輕重量。經(jīng)過(guò)

75、對(duì)比分析，鋁鋅合金zl401符合要求，其鑄造性能好，將起作為支架的加工材料。</p><p>　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先根據(jù)泵腔組件的結(jié)構(gòu)，確定支架上表面的氣道開(kāi)孔位置；再次，根據(jù)選擇的電機(jī)模型，設(shè)計(jì)支架下表面的結(jié)構(gòu)形狀，并確保不與電機(jī)上端蓋的電子器件干涉；最后，根據(jù)旋片泵在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的固定方式，設(shè)計(jì)兩個(gè)安裝泵體總成用的支臂。</p><p>　　圖 4-7 支架組件的模型示意圖</

76、p><p>　　Figure 4-7 Schematic model of the bracket assembly</p><p>　　② 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)組件的設(shè)計(jì)</p><p>　　在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件的設(shè)計(jì)中，根據(jù)上一章的計(jì)算結(jié)果，選用德昌電機(jī)集團(tuán)生產(chǎn)的直流電機(jī)，該電機(jī)在轉(zhuǎn)速 3800r/min 時(shí)，可以輸出0.5N ? m的扭矩，符合該旋片泵所需的動(dòng)力需求。該旋片泵采用

77、電機(jī)直驅(qū)的動(dòng)力傳遞方案，相比傳統(tǒng)的直聯(lián)式旋片泵，中間省略了聯(lián)軸器零件，使整體結(jié)構(gòu)更緊湊，運(yùn)行更平穩(wěn)。電機(jī)直驅(qū)方案是指在直流電機(jī)的輸出軸處壓入一個(gè)用于遞扭矩的撥動(dòng)塊（起到類似鍵連接的作用），通過(guò)撥動(dòng)塊驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)旋片泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖 4-8 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)組件的模型示意圖</p><p>　　Figure 4-8 Schematic model of the motor

78、and drive components</p><p>　　4.2.3外殼及附件機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　?、?外殼消聲器組件的設(shè)計(jì)</p><p>　　對(duì)于直聯(lián)式旋片泵，運(yùn)行過(guò)程中的噪聲主要來(lái)自三個(gè)方面：泵體、聯(lián)軸器和電機(jī)。本課題選用的直流電機(jī)功率較小，相對(duì)泵體而言，其運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲可以忽略；該旋片泵采用電機(jī)直驅(qū)方式，取消了聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，也不存在聯(lián)軸

79、器產(chǎn)生噪聲問(wèn)題；因此，泵體噪聲是在設(shè)計(jì)過(guò)程中唯一需要重點(diǎn)考慮的噪聲源。</p><p>　　泵體噪聲又可分為機(jī)械噪聲和氣壓噪聲。機(jī)械噪聲包括轉(zhuǎn)子與泵腔內(nèi)壁的摩擦噪聲、運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中旋片對(duì)定子內(nèi)壁的沖擊噪聲、機(jī)械不平衡引起的振動(dòng)噪聲和共振噪聲；氣壓噪聲主要包括進(jìn)排氣時(shí)氣體的沖擊噪聲、有害空間引起的氣流噪聲。這些噪聲都會(huì)隨著氣體排到空氣，影響乘車人員的舒適性。因此很有必要在旋片泵的排氣口出設(shè)計(jì)一消聲器，減小噪聲的對(duì)外擴(kuò)散

80、。</p><p>　　抗性消聲器是指利用管道的突然擴(kuò)張、收縮或旁接共振腔，使沿管道傳播的噪聲在截面突變處有一部分向聲源反射回去，而不通過(guò)消聲器,這種消聲器對(duì)中低頻噪聲消聲效果好高頻較差[11]。 這里設(shè)計(jì)的消聲器便是利用了抗性消聲器的工作原理，該消聲器由外殼、橡膠圈、上端蓋和定子組合而成，如圖 4-9 所示。噪聲通過(guò)泵腔排氣口時(shí)，噪聲的通道截面突然擴(kuò)張，通過(guò)橡膠圈口時(shí)又突然收縮、擴(kuò)張，然后通過(guò)外殼與定子組成的通

81、道時(shí)截面再次收縮，這一過(guò)程取到了抗性消聲的作用，如圖 4-10 所示。</p><p>　　圖 4-9 外殼消聲器組件的結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　Figure 4-9 Schematic diagram of the muffler housing assembly</p><p>　　圖 4-10噪聲的傳播路線及消聲器原理圖</p><p

82、>　　Figure 4-10 Route propagation and noise muffler schematics</p><p><b>　　② 密封組件的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　旋片式真空泵作為一臺(tái)真空抽氣機(jī)械，其密封性直接影響了整機(jī)的性能。旋片泵總成除了進(jìn)氣口與排氣口與外部零件相連，其余部位均要實(shí)現(xiàn)密封，保證內(nèi)部氣體不對(duì)外泄漏，外部水汽也

83、不進(jìn)入泵體。在泵腔內(nèi)部，通過(guò)轉(zhuǎn)子、葉片與泵腔的滑動(dòng)接觸在實(shí)現(xiàn)密封，少量的泄漏無(wú)法避免；在泵腔外部，選用橡膠圈，基本可以保證連接件間的密封無(wú)泄漏。密封圈的形狀必須根據(jù)連接部件接口處的形狀來(lái)設(shè)計(jì)，因?yàn)橄鹉z的可變形性，密封圈大小可以比接口處間隙稍大。</p><p><b>　?、?其它組件的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　除了以上介紹的零部件，一臺(tái)旋片泵總成還需要用于減

84、小振動(dòng)的橡膠襯套和用于固定的螺栓等零部件，這里就不再詳細(xì)介紹。</p><p>　　4.3 泵體總成的虛擬裝配</p><p>　　虛擬裝配是三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在虛擬技術(shù)領(lǐng)域和仿真領(lǐng)域中都得到廣泛的應(yīng)用。它是一種零件模型按照約束關(guān)系進(jìn)行重新定位的過(guò)程，可以根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性、精度特性，真實(shí)地模擬產(chǎn)品的裝配過(guò)程。通過(guò)虛擬裝配，可以檢查各零部件間是否存在干涉，有效的分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

85、設(shè)計(jì)的合理性。</p><p>　　本課題的采用由里到外、逐級(jí)引用的方式，建立旋片式真空泵的虛擬裝配模型。其裝配方式如下：</p><p>　?。?）按照功能把旋片泵分成 3 個(gè)一級(jí)部件，每個(gè)部件又可以分成 3 到 7 個(gè)二級(jí)部件；</p><p>　?。?）逐次對(duì)上下級(jí)的從屬關(guān)系進(jìn)行描述，利用幾何特征位置記錄下零件間的裝配關(guān)系；</p><p&

86、gt;　　（3）在 CATIA 中，新建一級(jí)部件的存檔，把各個(gè)零件插入進(jìn)去，再根據(jù)裝配特征進(jìn)行約束；</p><p>　?。?）新建用于存放總裝模型的存檔，插入各個(gè)一個(gè)部件，再次對(duì)其進(jìn)行裝配約束；</p><p>　　（5）最后把附件都裝配上去，虛擬裝配就完成了。裝配后的零部件可以通過(guò)參數(shù)化和無(wú)約束化兩種方式來(lái)修改，并把修改后的零件更新到總裝圖，保證了零部件與總裝配圖的數(shù)據(jù)一致性，具體裝配

87、步驟如下。</p><p>　　4.3.1抽氣機(jī)構(gòu)的裝配</p><p>　　抽氣機(jī)構(gòu)的裝配是以定子為固定元件，其它零部件通過(guò)插入“相合”、“接觸”、“偏移”和“角度”命令裝配到定子上，組成一個(gè)具有抽氣功用的泵腔。</p><p>　　圖 4-11抽氣機(jī)構(gòu)裝配示意圖</p><p>　　Figure 4-11 Schematic pumpin

88、g mechanism assembly</p><p>　　4.3.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配</p><p>　　在實(shí)際裝配中，撥動(dòng)塊內(nèi)孔與電機(jī)主軸是過(guò)盈配合，必須通過(guò)壓機(jī)才能把它們裝配上；而電機(jī)與支架間是通過(guò)圓孔定位，再用三顆 M4 螺栓進(jìn)行固定。在虛擬裝配中，與抽氣機(jī)構(gòu)的裝配一樣，通過(guò) CATIA 的約束命令，就可以準(zhǔn)確無(wú)誤的把撥動(dòng)塊安裝到驅(qū)動(dòng)主軸上面。</p><p&g

89、t;　　圖 4-12 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配示意圖</p><p>　　Figure 4-12 Schematic assembly drive mechanism</p><p>　　4.3.3旋片泵總成的裝配</p><p>　　圖 4-13 旋片式電子真空泵虛擬裝配模型</p><p>　　Figure 4-13 rotary vane va

90、cuum pump electronic virtual assembly model</p><p>　　圖 4-14 旋片式電子真空泵裝配剖切模型</p><p>　　Figure 4-14 rotary vane vacuum pump assembly cutaway model of electronic</p><p>　　4.4 二維工程圖的生成&l

91、t;/p><p>　　在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般都要以二維工程圖來(lái)表達(dá)產(chǎn)品中零件的尺寸、材料和工藝特征，并以此來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路里，二維 CAD 制圖有獨(dú)立的制圖工序，經(jīng)常脫離了產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)；現(xiàn)在三維制圖軟件的普及，比如三維軟件 CATIA，可以通過(guò)三維實(shí)體圖形直接生成二維工程圖紙，并進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)注，從三維模型到二維工程圖的制圖流程如圖4-15 所示：</p><p>　　圖 4-

92、15 二維工程圖的生成流程圖</p><p>　　Figure 4-15 The generate a flow chart of 2D drawing</p><p>　　5 旋片泵的動(dòng)力學(xué)研究</p><p>　　旋片式真空泵在運(yùn)行過(guò)程中，主要運(yùn)動(dòng)部件是轉(zhuǎn)子與旋片。其中，旋片作隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)和沿旋片槽來(lái)回滑動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)及受力情況比較復(fù)雜，也是旋片泵最脆弱的零

93、件[13]。因此，對(duì)旋片進(jìn)行運(yùn)動(dòng)與受力分析，是旋片泵產(chǎn)品動(dòng)力平衡設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)和可靠性分析的基礎(chǔ)。</p><p>　　5.1旋片的運(yùn)動(dòng)速度研究</p><p>　　圖 5-1 旋片運(yùn)動(dòng)的速度分析圖</p><p>　　Figure 5-1 The speeding motion analysis chart of rotary vane</p>&

94、lt;p>　　根據(jù)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，旋片的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為：</p><p><b>　　（5-1）</b></p><p>　　式中， 為牽連速度，即角速度ω與牽連向徑 之積，方向順ω的轉(zhuǎn)向，與牽連向徑垂直； 為相對(duì)速度，即旋片相對(duì)轉(zhuǎn)子槽的運(yùn)動(dòng)速度。</p><p>　　根據(jù)上式，旋片端點(diǎn) C 的速度為[14]：</p>&l

95、t;p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　端點(diǎn) C 的牽連速度方向與ρ垂直，大小為：</p><p><b>　　（5-3）</b></p><p>　　式中，ρ為圓心 O 到點(diǎn) C 間的直線距離。</p><p>　　端點(diǎn) C 的相對(duì)速度為：</p><

96、p><b>　　（5-4）</b></p><p>　　上式的求解比較復(fù)雜，若可以找到 C 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)瞬心，則可以大大簡(jiǎn)化分析計(jì)算。由圖 5-1 可知，假設(shè)定子固定，轉(zhuǎn)子繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，端點(diǎn) C 沿著轉(zhuǎn)子槽作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其相對(duì)速度方向與向量CA平行；假設(shè)轉(zhuǎn)子固定，定子沿繞O′點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，端點(diǎn) C 的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與向量O′C共線。因此，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的交點(diǎn) P 即為端點(diǎn) C 的相對(duì)運(yùn)動(dòng)瞬心[12]

97、。因此，端點(diǎn) C 的相對(duì)速度可以簡(jiǎn)化為：</p><p><b>　　（5-5）</b></p><p>　　式中，Lop為圓心 O 到點(diǎn) P 的直線距離。</p><p>　　由此可得旋片端點(diǎn) C 的絕對(duì)速度為：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p&g

98、t;　　同理可得，旋片質(zhì)心 G 點(diǎn)的牽連速度為：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中，Log為圓心 O 到質(zhì)心點(diǎn) G 的直線距離；其相對(duì)速度為：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　因此，旋片質(zhì)心 G 點(diǎn)的絕對(duì)速度為：</p

99、><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　5.2 旋片的運(yùn)動(dòng)加速度研究</p><p>　　圖 5-2 旋片運(yùn)動(dòng)的加速度分析圖</p><p>　　Figure 5-2 The motion analysis diagram of acceleration rotary vane</p>

100、<p>　　由理論力學(xué)知識(shí)可知，剛體作平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)，其絕對(duì)加速度[15]為：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　式中， 為牽連加速度； 為相對(duì)加速度； 為科氏加速度；</p><p>　　如圖 5-2 所示，牽連加速度是由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向心加速度，方向沿 OG 指向圓心O，其大小為:</p&

101、gt;<p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　相對(duì)加速度是由相對(duì)速度的變化引起的加速度，方向沿著轉(zhuǎn)子槽 AC，其大小為：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　科氏加速度是指旋片在作旋轉(zhuǎn)和往復(fù)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的加速度，方向與旋片垂直，并按照轉(zhuǎn)子角速度ω

102、和旋片相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度Vr的大小決定其指向，其大小為：</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　5.3旋片的受力分析</p><p>　　旋片泵在運(yùn)行過(guò)程時(shí)，旋片作旋轉(zhuǎn)與相對(duì)滑動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)及受力情況復(fù)雜。分析中，把定子、轉(zhuǎn)子和氣體對(duì)旋片的作用力視為載荷，則旋片可作為懸臂梁結(jié)構(gòu)來(lái)分析處理。為簡(jiǎn)化計(jì)算分析，在建立受

103、力數(shù)學(xué)模型之前，假設(shè)旋片不受重力影響，旋片泵工作腔內(nèi)部不存在氣體泄漏損失。則旋片的受力情況如圖 4-3 所示，并可歸結(jié)為四種力：慣性力、支反力、摩擦力和氣體壓力[16]。</p><p>　　圖 5-3 旋片的受力分析圖</p><p>　　Figure 5-3 The mechanical analysis diagram of rotary vane</p><

104、p><b>　　1）慣性力</b></p><p>　　根據(jù)運(yùn)動(dòng)情況，旋片所受慣性力又可分為牽連慣性力Fe、離心慣性力Fr、科氏慣性力Fk。根據(jù)牛頓第二定律F = ma，以及上一節(jié)計(jì)算出的三種對(duì)應(yīng)的加速度，可以計(jì)算出三種慣性力的大小，方向與對(duì)應(yīng)加速度方向相反，如圖 5-3 所示。</p><p>　　旋片所受的牽連慣性力為：</p><p&g

105、t;<b>　?。?-14）</b></p><p>　　式中，m 為旋片質(zhì)量。</p><p>　　旋片所受的相對(duì)慣性力為：</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　旋片所受的科氏慣性力為：</p><p><b>　?。?-16）&

106、lt;/b></p><p><b>　?。?）支反力</b></p><p>　　旋片在運(yùn)行過(guò)程中，收到來(lái)自旋片槽和定子內(nèi)壁對(duì)其的支反力。來(lái)自旋片槽的支反力 和 均垂直于旋片槽平面，來(lái)自定子的支反力Fm則沿著向量CO指向定子圓心。</p><p><b>　?。?）摩擦力</b></p><p&

107、gt;　　在干式旋片泵中，由于沒(méi)有泵油的潤(rùn)滑，摩擦對(duì)其性能的影響很大。旋片所受的摩擦力由對(duì)應(yīng)的支反力所引起，因此存在因旋片與旋片槽相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力f1、f2和因旋片與定子內(nèi)壁相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力fm，其大小分別為：</p><p><b>　　（5-17）</b></p><p><b>　?。?-18）</b></p><

108、;p><b>　　（5-19）</b></p><p>　　式中，μr為旋片與旋片槽之間的摩擦系數(shù)，μc為旋片與定子內(nèi)壁之間的摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)的大小取決于摩擦副的材料、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、表面粗糙度和潤(rùn)滑方式等，因此這里的μr、μc并不是為常數(shù)，旋片泵工作腔內(nèi)的摩擦系數(shù)如表 5-1 中所示。</p><p>　　表 5-1 摩擦系數(shù)</p><

109、p>　　Tab 5-1 Friction coefficient</p><p><b>　　4）氣體壓力</b></p><p>　　氣體對(duì)旋片的作用力是由于相鄰兩基元容積腔的壓力差產(chǎn)生，用?Fp表示。因?yàn)槿莘e腔的體積隨轉(zhuǎn)角變化而變化，它們之間存在函數(shù)關(guān)系，該函數(shù)關(guān)系較復(fù)雜，需要通過(guò)編程來(lái)計(jì)算獲得。因此設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為φ1時(shí)，旋片前基元容積腔的體積為V1(φ1)

110、，則后基元容積腔為V1(φ1? ?φ)。則旋片前腔的壓強(qiáng)為：</p><p><b>　　（5-20）</b></p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　式中，P0為旋片泵進(jìn)氣口壓強(qiáng)，Vmax為進(jìn)氣結(jié)束瞬間進(jìn)氣腔的基元容積，Kb為比熱比。</p><p>　　因此，當(dāng)轉(zhuǎn)角

111、為φ1時(shí)，葉片前后壓力差為：</p><p><b>　　（5-22）</b></p><p>　　式中，Lbc為旋片伸出旋片槽的長(zhǎng)度，h 為旋片的高度。</p><p>　?。?）旋片受力的求解</p><p>　　綜上所述，根據(jù)旋片的受力特性，可以把它簡(jiǎn)化為一根簡(jiǎn)支梁來(lái)求解，得出以下三個(gè)方程：</p>

112、<p>　　以 C 點(diǎn)有中心，求解力矩平衡，即 ，則：</p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>　　求解 X 軸方向的力平衡，即 ，則：</p><p><b>　?。?-24）</b></p><p>　　式中符號(hào)函數(shù)定義如下：</p><

113、;p><b>　?。?-25）</b></p><p>　　求解 Y 軸方向的力平衡，即 ，則：</p><p><b>　　（5-26）</b></p><p>　　因此，旋片的受力矩陣可表示為：</p><p>　　A ? X = ξ （5-27）</p>

114、;<p>　　借助 MATLAB 編程，可以求出該方程的唯一解。</p><p><b>　　6 結(jié)論</b></p><p>　　本文通過(guò)對(duì)葉片偏心配置的旋片式電子真空泵進(jìn)行深入細(xì)致的研究，推導(dǎo)了旋片式真空泵的設(shè)計(jì)計(jì)算公式并建立了動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究成果具有理論意義和明顯的工程應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　對(duì)車

115、用電子真空泵的具體性能需求進(jìn)行分析，并根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求計(jì)算出旋片泵抽氣機(jī)構(gòu)的尺寸大小。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)進(jìn)排氣口開(kāi)始角度進(jìn)行了幾何推導(dǎo)，并在泵體外殼加入了消聲器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用三維設(shè)計(jì)軟件 CATIA 的裝配設(shè)計(jì)模塊對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行虛擬裝配，檢查裝配后虛擬總成的合理性。區(qū)別傳統(tǒng)工程人員脫離三維模型的工程圖設(shè)計(jì)模式，介紹了在 CATIA 軟件中，從三維設(shè)計(jì)到二維工程圖的高效設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　通過(guò)對(duì)旋片運(yùn)

116、動(dòng)與受力的分析，為旋片泵動(dòng)力平衡和強(qiáng)度的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 李紅亮, 雷洪闖, 王世雄, 等. 一種新型汽車真空助力泵[J]. 中國(guó)機(jī)械,2010,3:45-47.</p><p>　　[2] 劉玉波. 旋片式真空泵的研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學(xué), 2010.&l

117、t;/p><p>　　[3] 楊乃恒. 真空獲得設(shè)備[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1996. 15-18.</p><p>　　[4] Huang Y. M, Yang S. A measurement method for air pressures in compressor vane segments [J]. Measurement, 2008, 41: 835-841.<