变排量叶片机油泵CFD分析

CFD Analysis of the Variable Vane oil PumpBAI Changan ，WU Weiwei ，LI Jinguo ，HUANG Xinliang(1.Colleage of Automobile Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China；2.Xinfu Motorcycle Co.，Ltd.，of SAIC，Shanghai 201900，China)Abstract：According to the systemS variable pressure(external load)，variable device of variable displaeement vane pump canbe adjusted automaticaly to change the outlet flow.So the energy consumption is reduced and system eficiency is improved.The flowsunder diferent cases were goten though the CFD analysis of the variable displacement vane pump.Then the relationship between flowand speed as well as flow and eccentricity of the pump could be found out.The area of vibration and noise was found out by analyzingthe pressure fluctuation at monitoring points set before，which indicated the direction for further CAE analysis.By analyzing the cavita-tions，it provided evidence for selecting material and structure of the pump.The research results can guide the development and designof the pump as well as the congener products。

Keywords：Variable displacement vane pump；CFD analysis；Pressure fluctuations机油泵是在润滑系统中，可迫使机油自油底壳送到引擎运动件的装置。据国外专家研究表明，性能好的机油泵能减少发动机油耗 的 2% ～3%。据统计，全球汽车保有量约为6亿辆。所以机油泵的性能对于日益繁荣的汽车行业来说是相当重要的-个环节，研发新型节能机油泵和改进机油泵的性能成为当务之急。

叶片泵由于具有结构紧凑、体积孝瞬时流量脉动孝运转平稳、噪声较孝容积效率较高、使用寿命长等优点而被广泛应用。机油泵的源动力则直接来自于发动机燃油燃烧产生的功，因此，机油泵工作时直接消耗了发动机的功率，如果降低油泵所消耗的功率，也就等于降低了燃油消耗量。变排量叶片式机油泵的输出流量可以根据系统的压力变化 (外负载的大小)，自动地调节变量装置从而改变输出流量的大小，从而使能量消耗减少 ，系统效率提高，系统运行时发热大大减少，低油温使密封元件寿命大大提高。

减少这-部分机油的流失不仅仅减小了发动机曲轴的工作压力，同时饮合节能减排的宗旨。

国内关于叶片泵的研究，初期主要是研究叶片泵的常见故障和解决方案 ，后来主要关注叶片泵的理论研究及各个部件的模态分析↑几年变量泵的研究也很受关注，国外学者针对叶片泵的研究主要集中在模态分析及变量泵的数学模型搭建等方面 ，美国德国的学者针对变量泵的研究较成熟。

作者对某变量叶片泵进行 CFD分析，根据泵的工作原理找到最大排量和最小排量处，并对这两个位置的流量、压力波动、扭矩等进行测量，进而了解泵的综合性能。

1 变量叶片泵的结构及设计原理文中介绍的变量叶片式机油泵，是指在原转动方收稿日期：2011-12-01基金项目：上海市教委科研创新资助项 目 (10YZ174)作者简介：白长安 (1987-)，硕士研究生，专业方向为车辆工程。E-mail：555bca###163.con。通信作者：吴伟蔚，E-mail：。

第 1期 白长安 等：变排量叶片机油泵 CFD分析 ·77向不变的情况下，通过改变泵的定子与转子的偏心距的方式改变排量。现阶段在进行动态分析时，主要研究泵的输出压力、输出流量随时问的变化规律及压力变化与流量变化之间的关系 。

根据叶片泵的结构及工作原理得出叶片泵排量计算公式如下 ：q2删Ⅳ2R(sin( )- (c。s( )]式中：q为叶片泵排量 (mL/r)；定(1) 转e为定子与转子的偏心距 ；w为叶片厚度；t为叶片宽度；Ⅳ为叶片数量 ；为定子半径。

在 W、t、N、R不改变的前提下，改变偏心距 e，就改变了排量的大小 ，工作原理图如图 1所示。

图 1 变量叶片泵工作原理图当泵的工作压力P 小于弹簧预紧力F时，定子对转子的偏心距 e被限压弹簧压在最大偏心位置上 ，由于存在内泄漏，随着泵的工作压力上升，其输出流量略有下降，如图2中AB所示。

D图2 出油侧压力流量特性当泵的工作压力超过 F时，使定子环向减小偏心距e的方向移动，泵的排量和流量随之下降，如图2中BC所示。

当泵的工作压力达到P 时，与定子环偏心量 e对应的泵的理论流量等于其泄漏量，泵的实际输出流量为零，排油压力最大。

变排量叶片式机油泵的两种极限状态如图3所示压弹(a)定予与转子偏心 (b)定子与转子偏心最大，排量最大 最小，排量最小图3 变量叶片泵工作原理简图2 变排量叶片泵的 CFD计算机油泵的CFD模拟就是利用现代 CFD技术泵的流量、压力波动、轴功率、空化现象等，这泵的设计阶段就可以了解泵的性能，避免设计失减少 试 验 成 本，缩 短 设 计 周 期。文 中 用PumpLinx软件，它是针对液体力学数值模拟而于的-款 CFD软件。其优点是是网格生成速度快作简单、精确的表达原始几何、计算速度和精度优于四面体网格、减少了几何修整的工作量。

文中所用的泵体为某厂 自主研发 的变排量 叶片式机 油泵 ，如 图 4所 示，其叶片数 目为 7，最大排量时偏心距为 3 mm，叶片厚度 为 12.5 mm，叶片宽度为 3 mm，定子半径为36.5 mm，根据公 式 (1)得 出 理 论 排 量 q15.2L/min。当变量机构起作用时，定子移动，达到最小排量时偏心距为 0.8 mm。

图4 变排量叶片泵CAD模型图在 PumpLinx中进行 CFD分析，首先要导入模型，按照实体划分模型并重新命名，按角度划乡个实体，找到需要定义的截面，如进油 口、出油穿透面等，然后按照机油泵的类型进行网格划分，格有通用网格和旋转类型网格之分，通用网格适月生成泵阀结构的静止部件，如：进、出口流道。

类型网格用来参数化生成旋转部件网格，根据泵磊的不同选择相应的模板。

然后定义部件的参数如转子和定子的旋转中叶片个数、旋转方向等；接着设置模型的运行参如进出油口的初试压力、需要运行的时间等；最行运行求解和后处理。分析得到的流场压力云图5所示，图中显示了某时刻的压力分布情况，可显地看出高压区和低压区等不同部位的油压分布笨第 1期 白长安 等：变排量叶片机油泵 CFD分析 ·79·19.O18.8- l8.6l8.4呵。 18.218.017.217.0言×幽1 17 33 49 65 81 97 113 129时间步长，个(a)监测点120.520.0- l9.519.0可。 18.5× 18.0弼16.015.5时间步长，个(b)监测点21 17 33 49 65 81 97 113 129时间步长，个(c)监测点3图 9 工况 1最大排量位置时3个监测点的压力波动图由图9可知，监测点 1、2两处的压力波动相对较小，压力波动分别约等于0.013和0.011 MPa，而监测点3处的压力波动为0.04 MPa。当在工况2最大排量位置处，监测点 1、2两处的压力波动分别约等于 0.32和0.1 MPa，而监测点 3处的压力波动约为0.76 MPa，这也验证了监测点3处是产生振动噪声的重要位置之-。

同样可知工况 1时最小排量处的压力波动和最大排量处的压力波动相似，而工况 2即转速为 4 000r/min、出口处压力为 0.4 MPa时，最大排量和最小排量两个位置监测点处压力波动相差较大。图 10所示为工况 2两个位置处监测点 3的压力波动图。

由图 10可知 ：当变量装置起作用 ，即偏心距发生变化时，变排量后压力波动明显减小，对于减小振动噪声和延长机油泵的寿命具有重要意义。

在高速流动和压力变化条件下，与流体接触的金属表面上发生洞穴状腐蚀破坏，造成气蚀 (如图 11中圆圈圈住的区域所示)。气泡溃灭时，液体质点互相撞击，同时也撞击金属表面，产生各种频率的噪声，引起机组振动。所以空化和气蚀现象也是机油泵的-项重要的分析内容。

l210言80 64幽206-542× 32出1O1 17 33 49 65 8l 97 113 129时间步长/个(a)最大排量处1 17 33 49 65 81 97 113 129时间步长，个(b)最小排量处图 10 工况 2两个位置处监测点3的压力波动图在 PumpLinx中运行时，该模型的空化现象如图11所示。

t 曲 -q，Lt陌 椭·，H fl呻 J图11 工况 2时最大排量位置的空化 (椭圆标注)图 l1给出的是工况 2时最大排量位置处的空化现象，图中圆圈框住的区域空化现象较严重，容易在产生振动和噪声的同时腐蚀腔体。根据分析，是由于转速变大而进油侧供油不足导致的。在设计时增大了进油口的面积，再做 CFD分析时，状况明显改善。

这和实验结果相吻合，未增加进油口面积时高转速下泵体发出很大的噪声，改善之后噪声明显减弱。

4 结论对 变 排 量 叶 片 机 油 泵 进 行 CFD 分 析 ，在PumpLinx中得出了流量、压力波动及气蚀等分析结果，通过图像和数值直观地对泵进行分析，并和实验数据作比较，得到如下几点结论：(1)通过 CFD分析，得出各个工况下的流量，可以据此找出流量与转速以及流量与偏心距之间的关系。

(下转第 103页)第 1期 吕振飞 等：石材桥式切割机的开放式数控系统开发 ·103·如果为圆或圆，则 C轴做刀向跟随运动，始终保持C轴的刀向与圆或圆的加工点的切线方向相同。

锯铣混合加工时 ，有两种方式，分别为锯铣先后加工、锯铣混合加工。锯铣先后加工，就是在加工完刀具属性为锯的实体后再换刀加工刀具为铣的实体；锯铣混合加工就是在加工过程中，根据轮廓中实体的刀具属性按照排列顺序实现 自动换刀。在铣加工过程中，轮廓为平滑线段，对加工运用速度前瞻功能以提高铣加工的效率。在磨加工过程中，由于磨轮为工字形结构，因此，在磨加工过程中，对每-个单轮廓的下刀和抬刀操作做特殊处理。在每-个单轮廓加工的起始点和终止点以大于磨轮大半径做偏置运动到-个确定的点，作为磨轮的下刀点和抬刀点。

3.2 工艺过程 中的-些关键 问题换刀操作是在锯铣混合加工过程中实现自动换刀。如图6所示 ，在刀座上虚拟-个坐标系，以刀座上的-个点为原点，每-种刀具对应这个零点都有-个确定的坐标，从而保证了每两种刀具之间的偏移值是确定的。当作换刀操作时， 轴做偏移运动使刀具的中心点对应加工平台的加工点位置，在偏移操作完成之后系统再回复到原来的加工点坐标值，从而实现加工过程中刀具的相互转换，同时保证加工点不变。系统可以在加工平台内 自定义零点，如 图7所示，系统可设置平台内任意-点 (a，b)作为加工规划零点，机床可在规划零点坐标系内实现各种轮廓的加工，在加工完轮廓之后可以自动回到零点。这种处理方法实现了对石材加工板面的可规划性 ，也在-定程度上减少了机械的空运行时间，扩大了板材的利用率。石材桥式切割机对轨迹处理灵活性高，加工方式多样化，在加工过程中，可实现暂停、停止、回原点操作。在暂停后可以进行各种维修、点动操作，方便用户在加工过程中的加工实时性和突发性处理 ，并可以自动回到原来的加工点继续加工。

图6 刀座坐标系D 机床坐标系 x图7 规划零点坐标系4 结束语石材桥式切割机数控系统是开放式的四轴数控系统，符合石材桥式切割机的自动化要求；在加工中采用锯铣混合切割技术，对于圆锯刀不能加工的轮廓 ，使用铣刀实现石材切割，这在-定程度上扩大了切割加工的范围；同时，集切、磨-体化的特点也简化了石材加工的工序，方便了石材加工的过程。目前，石材桥式切割机开放式数控系统已进入了某公司的桥式切割机改进实验运行阶段，实践证明：该机运行可靠，切割石材精度为 0.05 mm，达到了石材加工的要求。