二甲醚发动机用直列隔膜式燃料泵凸轮机构设计

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随着能源危机的加剧和机动车排放污染对环境的影响越来越严重，二甲醚(DME)燃料因其高效、低排放、低噪音和无烟燃烧等优点而备受关注，非常适合作为柴油机代用燃料 。针对二甲醚燃料低粘性(约为柴油的1/10～1/20)易造成柱塞式喷油泵柱塞偶件磨损和泄漏的问题，在二甲醚发动机低压共轨燃油系统[2-31和可控预混合燃烧(cPc)系统[41的基础上，开发了-种二甲醚发动机用直列隔膜式燃料泵[51，泵利用凸轮机构带动柱塞往复运动，从而推动液压油挤压隔膜，使二甲醚与柱塞偶件通过隔膜完全隔开，较好地解决了二甲醚从柱塞偶件处泄漏的问题。

为了使二甲醚发动机低压共轨燃油系统运行平稳，必须保证直列隔膜式燃料泵的流量及压力脉动旧能小，由于凸轮轮廓线型决定了柱塞的运动规律，进而直接影响泵的流量及压力脉动，因此设计合适凸轮轮廓曲线就成为关键问题之-。从推导柱塞运动规律的数学模型人手，对直列隔膜式燃料泵的凸轮机构展开研究。

2直列隔膜式燃料泵的结构及工作原理直列隔膜式燃料泵为三缸单作用式，如图 1所示。利用凸轮轴传动，输入动力来自发动机，省去了庞大电动机和曲柄连杆机构，体积大幅减校主要由动力传动机构、液压油供给控制系统、泵头机构三大部分组成。

其工作原理为：凸轮轴通过联轴器由曲轴定u，-t轮轴驱动，凸轮轴上的3个凸轮之间互成相位角。当凸轮轴转动时，挺柱和柱塞分别在挺柱孔和柱塞套中作往复运动；液压油随着柱塞的往复运动，挤压隔膜，使隔膜来回凸凹鼓动，达到吸、排二甲醚燃料的目的。

隔膜与柱塞头部之间构成液压室，液压油从油杯中通过油管进入液压室。

3凸轮设计要求直列隔膜式燃料泵作为-FO醚发动机低压共轨燃油供给系统的泵油元件，文献I51已明确提出了设计要求，将其输出压力确定来稿日期：2012-08-02基金项目：国家自然科学基金项目(50975212)作者简介：陈 引，(1988-)，男，湖北仙桃人，研究生。硕士，主要研究方向：汽车节能减排郑安文，(1957-)，男，湖北武汉人，教授 ，硕士，主要研究方向：车辆节能与安全第6期 陈 引等：二甲醚发动机用直列隔膜式燃料泵凸轮机构设计 59为 lOMPa左右。其凸轮轴转速与发动机曲轴转速比为 1：2，凸轮机构工作条件属高速轻载。为了减轻从动件与凸轮轮廓问的磨损，减小泵的结构体积，本泵采用对心滚子直动从动件平面凸轮机构，且辅以弹簧进行外力锁合，在凸轮机构运动时，能防止滚子与凸轮脱离，实现无间隙传动，如图 1所示。

(a)结构示意图2 22(b)A-A向剖视1.泵头上盖 2.隔膜 3.泵头下盖 4.高压密封圈 5.上泵体 6.柱塞套7.柱塞弹簧 8.柱塞 9.弹簧座 10.下泵体 1 1.调整垫块 12.滚轮销l3.挺柱 14.滚轮 l5.凸轮轴 l6.放油螺钉 17 油标尺 18l圆锥滚子轴承19.联轴器 2O.环形减压槽 21.窗口盖 22.出油阀 23.进油阀 24.定位螺钉25 由管 26油杯罩 27.卸压阀 28.放气阀 29.三阀座 30.补油阀图 1直列隔膜式燃料泵简图Fig.1 lnline Fuel Pump Diagram另外，需根据泵的流量确定凸轮升程，平均输出流量：QeA。 n。Z" (1)式中：Q -平均输出流量 (mm3/s)；A-柱塞有效截面积 ram )；- 柱塞行程 ram)；n-柱塞冲次(X/s)；z.柱塞偶件对数，此处 Z3； -容积效率。

二甲醚的密度和热值比柴油低，要发出与柴油同等功率，二甲醚的喷射量约为柴油的 1.9倍(体积)，根据传统喷油泵的相关经验数据，直列隔膜式燃料泵的平均流量应达到 65L0a，此时，取柱塞直径D8mm，柱塞冲次n1000r/min，容积效率0.9，运用反求方法得到柱塞行程 h7.98mm，取h8mm，即确定凸轮升程sh8mm4从动件运动规律的确定4.1选择柱塞运动规律泵瞬时流量为三缸瞬时流量的叠加，计算公式：Q AvlAv2，4口3 (2)式中：4-柱塞有效截面积 (mm )，AIrD /4； 厂 三个柱塞的瞬时速度 mm2/s)，设定柱塞向上运动时速度为正，向下为负，此处 0。

泵采用的凸轮轴上 3个凸轮并列放置 ，对应的三个柱塞的运动规律完全相同，只是在工作时相互之间错开 120。相位角。在凸轮运动的推程期 ，柱塞速度曲线应处于波峰状态；在凸轮运动的回程期，柱塞速度曲线应处于波谷状态；在凸轮运动的近休止期和远休止期，柱塞速度应该为零。为了使瞬时流量脉动小，甚至趋近于恒流量，理论上应使柱塞符合等速运动规律，每个柱塞在凸轮转动推程期内的等速时问应为 120。相位角，理想的柱塞速度组合曲线应，如图2所示。

蚓揖婷 1 2 32丌 凸轮轴转图 2柱塞速度组合曲线Fig.2 Plunger Speed Combination Curve由图 2可知，从动件柱塞在行程始、末位置上有无穷大的加速度，会导致滚子与凸轮之间剧烈的冲击，可见，用单纯的等速运动规律来实现停-升-停”运动规律并不合适，而五次项运动规律具有良好的运动特性，类加速度曲线无突变现象 ，且能降低动力参数的幅值，非常适合高速凸轮。在等速运动的始、末区段采用五次项运动规律，可消除柔性冲击或刚性冲击。为此，本直列隔膜式燃料泵凸轮机构的从动件运动规律可将上述两种运动规律进行组合，构成五次项修正等速运动规律。

4.2柱塞运动规律的数学模型根据五次项修正等速运动规律，对本泵的单个柱塞而言，每个周期柱塞的运动可分为 8个阶段：推程期加速运动、推程期等速运动、推程期减速运动、远休止期静止、回程期加速运动、回程期等速运动、回程期减速运动及近休止期静止。设定推程期加速段和减速段对应的凸轮转角分别为 。和西 与对应的柱塞位移量分别为h 和 h ，推程期总凸轮转角为 ；回程期加速段和减速段对应的凸轮转角分别为 咖 和 与对应的柱塞位移量分别为 h 和 ，推程期总凸轮转角为 咖 ，柱塞行程为 。确定 .、 、 和后 ，h。、 、h 和h 可按下式计算确定：-84， /(15 -74，.-7 ：) ：8 ：.h/(154，-74， -74， )l， ， ， ， 。h/(154，'-7咖 -7咖 Ih28 ，(15(b -7咖，-74， )l各阶段的位移函数 s( )如下(3)机 械 设 计与 制造No.6June.201 3( )争ls( )- ( )(著)J 0'h- hI-h2， - ) [ ，( - 。)]s(鲁 孚(4' -f(鲁)E[( -(b：)，(b]h (b，(b(b ]-s( ( (警 )E [咖 ， 咖 1- - 譬 (妒-4'- - ) 咖- 咖。-咖妒 [ ：，2w-咖 - J，3 ，、4s( )- 4( ) j ， J，5( -)(2"n-咖 -咖 ，2竹- ]0妒E2耵-( ，2丌](4)对柱塞的位移函数 (妒)求导得到各阶段速度函数：( )粤 (5)对柱塞的速度函数 ( ) 求导得到各阶段加速度函数：. 2Ⅱo( ) 牛 (6)d 在公式(4)、(5)11(6)O0，凸轮转角为变量，咖-、 z、 、 、咖。、咖 、咖 和咖 可根据需要的运动规律设定，且 2盯。

凸轮机构的推程期为柱塞运动上升期，是泵的流量产生时期，考虑到推程期的加速运动和减速运动阶段，推程期单个柱塞的总凸轮转角应大于 120。；回程期对流量不产生影响，为了设计和加工方便，采用对称凸轮，拟定直列隔膜式燃料泵的凸轮机构各阶段对应的凸轮转角，如表 1所示。

表 1各阶段对应的凸轮转角Tab.1 The Cam Angle of Various Stages将表 1中的数据代入公式 (3)、(4)、(5)及 (6)中，利用MATLAB软件P绘制出上述 8个阶段的柱塞运动规律曲线图，如图 所示。

凸轮转角(。)(a)位移-转角曲线图118。136。156。174。 274。292。

凸轮转角(。)(b)类速度-转角曲线图二 二 二 。。 )m (c)类加速度-转角曲线图图3直列隔膜式燃料泵柱塞运动规律曲线图Fig.3 The Motion Law Curves of the Plunger of In-LineDiaphragm Fuel Pump根据式(2)，将类速度-转角曲线进行平移、叠加及与柱塞有效截面积A相乘后，可得到直列隔膜式燃料泵的瞬时流量曲线图，如图4所示。

日苔鉴6x1×. 3x凸轮轴转角(。)图4直列隔膜式燃料泵瞬时流量曲线图Fig.4 Instantaneous Flow Curve of In-Line Diaphragm Fuel Pump5凸轮机构的设计5.1凸轮机构的基本尺寸及其压力角本泵凸轮机构基本尺寸的设计问题主要是在给定的从动件(柱塞)运动规律和许用压力角的条件下，寻求-组适用的基本尺寸。本泵中的凸轮机构基本尺寸主要包括基圆半径 和偏距 ，设定许用压力角[ ]3O。，从动件柱塞是在弹簧和重力的作用下返回，不会出现自锁，只需校核推程压力角即可。凸轮机构的压力角计算公式 为：±Etan-- I--- (7)( )十V ：-E压力角校核公式为：[ ] (8)考虑到机构紧凑性，本泵采用的是对心滚子直动从动件，偏距 EO，由公式(7)、(8)知，基圆半径 越小，压力角越大，应在保证凸轮轮廓的最大压力角不超过许用值的前提下，尽量缩小凸轮的尺寸。取凸轮基圆半径 Rb30mm。

5.2凸轮轮廓设计凸轮轮廓设计的方法有作图法和解析法，用作图法绘制的凸轮轮廓误差较大，不宜用于高速凸轮机构设计。为了求得精确的凸轮轮廓坐标数据，采用解析法计算。根据反转法”的原理，凸轮轮廓曲线通常用以凸轮回转中心为极点的极坐标来表示，理论轮廓曲线各点极坐标为( ， )，实际轮廓曲线各点极坐标为( ，)，其中目：髓瑙嚣NO.6June.2013 机械设计与制造 61、/( ( ) -E2)2E/ ：、/p；R -2 ，COS( )tanfl-产 兰- 、/ ：- s( )式中：s(p)-柱塞位移；- 凸轮基圆；RJ滚子半径；E-偏距，此处 0；0·压力角，根据式(7)计算。

(9)flO)(1I)为了避免凸轮实际轮廓曲线出现顶尖或运动失真，滚子半径 ，必须小于理论轮廓曲线外凸部分的最小曲率半径J口 ，由式(4)、(9)可知，当凸轮处于近休止期时，理论轮廓曲线曲率半径最小，得到R -

采用解析法设计凸轮存在大量的计算，利用CAXA电子图板软件中的公式曲线”工具p进行辅助计算，将式(4)中凸轮工作的8个阶段的柱塞位移s( )分别代入式(10)中，得到各阶段凸轮实际轮廓曲线的极径P 的数学表达式，在 CAXA软件中逐步绘制出由 8段样条曲线组合而成凸轮实际轮廓曲线 ，如图 5所示～二维轮廓曲线进行格式转换后，导人在Pro/E软件中，建立本泵凸轮轴的三维造型I ，如图 6所示。

图5凸轮实际轮廓曲线Fig.5 The Cam Actual Contour Line图 6凸轮轴的三维造型Fig.6 rhe Fhree-Dimensional Shape of the Camshaft由图6可以看出，各阶段的轮廓曲线平滑过渡，未出现断点、尖点及交叉等情况，且远休止端与近休止端到凸轮轴心 O点的距离差为 8mm，即为凸轮升程，这表明满足设计要求。

6结论以-种新型的二甲醚发动机用直列隔膜式燃料泵为对象 ，主要对其凸轮机构进行了设计，获得了以下结果：(1)柱塞采用五次项修正等速运动规律使类加速度曲线无突变现象，避免了滚子与凸轮之间的冲击和磨损，根据推导出的各阶段运动规律的数学模型，结合表 l中的转角分配，得到的瞬时流量曲线脉动极小，趋近于 葡垦，符合预先的设计要求；(2)运用解析法，结合 CAD技术，利用 CAXA软件精确绘制出的凸轮轮廓曲线平滑过渡，各方面参数满足设计要求，为后续对泵和整个供油系的研究奠定了基矗