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本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目 車用電子旋片真空泵的設(shè)計(jì)與研究 學(xué) 院 專 業(yè) 車輛工程 年 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 成 績 2014 年 5 月 5 日 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） i 目錄 摘要 ......................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................ 文獻(xiàn)綜述 .............................................................................................................................................. 1 ................................................................................................................................. 1 ........................................................................................................................ 1 .................................................................................... 2 1 引言 ...................................................................................................................................................... 6 ............................................................................................................... 6 片泵的工作循環(huán)過程 ..................................................................................................... 7 ............................................................................................................... 8 2 設(shè)計(jì)要求 ............................................................................................................................................ 8 能要求 ................................................................................................................................ 9 料選擇要求 ....................................................................................................................... 9 3 結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇 ............................................................................................................................. 10 ...................................................................................................................... 10 n ................................................................................................................... 11 ............................................................................................................................ 11 b ................................................................................................................................ 11 a ................................................................................................................................ 11 v ....................................................................................................... 11 ...................................................................................................................... 13 ...................................................................................................................... 13 4 三維結(jié)構(gòu)模型的建立 .................................................................................................................... 14 維建模技術(shù)概述 ............................................................................................................ 14 部件的建模過程 ............................................................................................................ 15 體總成的虛擬裝配 ....................................................................................................... 21 維工程圖的生成 ............................................................................................................ 24 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 旋片泵的動(dòng)力學(xué)研究 .................................................................................................................... 25 ........................................................................................................ 26 片的運(yùn)動(dòng)加速度研究 ................................................................................................... 28 ........................................................................................................ 29 6 結(jié)論 .................................................................................................................................................... 32 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................................... 32 致謝 ........................................................................................................................................................ 34 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 用電子旋 片式真空泵的設(shè)計(jì) 與研究 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，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 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)。 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) 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） of a 00716, of an in In of is of of of of is is to of in a is a is on 南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 0 文獻(xiàn)綜述 究背景 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． 5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。多裝在 2． 5期的汽油動(dòng)力車助力制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源主要來自于發(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，越來越多的汽油動(dòng)力車上也開始加裝了獨(dú)立式真空泵 [1]。 空泵的類型 真空泵即產(chǎn)生、改善和維持真空的裝置。 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。具體分類見圖 0 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 圖 0空泵的分類 of 片式真空泵的起源與發(fā)展現(xiàn)狀 轉(zhuǎn)式葉片泵的發(fā)展概述 1909年蓋德 (W． 明旋片泵并取得德國專利， 1936年又發(fā)明氣鎮(zhèn)泵， 1941西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 年取得專利 [2]。 60 年代末，國際上對(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，來改善抽氣時(shí)的返油現(xiàn)象；另外在附件上，消霧器、入口過濾器、氣味過濾器、灰塵過濾器等的加入，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，通過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。 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)械真空泵，具有結(jié)構(gòu)簡單 、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)采用工作液來進(jìn)行潤滑并填充泵腔死隙，分隔排氣閥和大氣時(shí)，即為通常所稱的油封旋片真空泵。無工作液時(shí)，即為干式旋片真空泵。 內(nèi)外 發(fā)展 現(xiàn)狀比較 近年來，隨著我國電子科技、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)的要求也越來越高，急切需要更可靠、更高效的旋片泵產(chǎn)品來滿足國內(nèi)生產(chǎn)的需求。 (1)國內(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，國產(chǎn)旋片泵的性能指標(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，與國外的同類產(chǎn)品相比還存在著很大的差距 [4]。與國外產(chǎn)品相比，國產(chǎn)旋片泵存在的問題具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 [5 a) 抽氣效率過低 泵的抽氣效率是指實(shí)際抽速與理論抽速之比。按照 1997《旋片真空泵》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 2雙級(jí)泵的抽氣效率不應(yīng)低于 45％， 1． 50％。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)過低。 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 b) 存在噴油漏油現(xiàn)象 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)來說都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)樵搯栴}的存在。 c) 噪聲過大 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) 合 ,比如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙。標(biāo)準(zhǔn) 6533規(guī)定 ,抽速為 2L/s 的旋片泵噪聲不得大于 72產(chǎn)旋片泵中有些產(chǎn)品噪聲高達(dá) 75不合格的產(chǎn)品中 ,有 20%是因?yàn)楣ぷ髟肼曔^大。 以上三個(gè)方面是目前國產(chǎn)旋片泵存在問題比較嚴(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有。旋片式真空泵的結(jié)構(gòu)雖然相對(duì)簡單 ,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)致我國干式旋片真空泵發(fā)展緩慢的主要原因 之一 。 目前 ,在汽車配套方面 ,旋片泵市場(chǎng)幾乎被德國壟斷。配套高級(jí)轎車的有德國大陸 (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 有德國海拉 (產(chǎn)的旋片泵 ,主要應(yīng)用于大眾、通用、奇瑞等品牌的 車型。 片式真空泵理論研究現(xiàn)狀 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： a) 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。 b) 傳熱研究：包括對(duì)傳熱模型的簡化分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)模擬分析。 c) 材料研究：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。 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 d) 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)。 e) 泵油的研究：油液對(duì)真空泵的工作過程和內(nèi)部參數(shù)的影響，包括噴油對(duì)其的 影響和對(duì)噴油狀態(tài)的測(cè)試分析。 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。 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 1 引言 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旋片式真空泵， 近年來在小型汽油發(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，電力來自 12動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，一般為 3000~5000r/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 ，一般采用自潤滑的工作方式，轉(zhuǎn)子與旋片多為自潤滑性能較好的非金屬材料。 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。 片泵的工作原理 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 )緊貼定子 內(nèi)壁，把進(jìn)排氣口分割開來，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、排出氣體的過程 [7]。 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。工作過程可分為三個(gè)步驟： a) 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)葉片掃過進(jìn)氣口時(shí)，基元腔體積逐漸變大，開始吸氣過程； b) 當(dāng)?shù)诙€(gè)葉片關(guān)閉進(jìn)氣口時(shí)，基元腔體積達(dá)到最大并開始逐漸變小，開始?jí)嚎s過程； c) 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)葉片掃過排氣口時(shí)，基元腔體積繼續(xù)變小，開始排氣過程。 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 (a) (b) 圖 1片泵工作腔結(jié)構(gòu)原理圖 片泵的工作循環(huán)過程 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)基元都完成相同的工作循環(huán)過程。因此，只需研究其中一個(gè)基元容積腔的循環(huán)過程，就可以了解整個(gè)真空泵的工作情況。 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，則每過一個(gè)周期 T，基元容積腔便完成一個(gè)完整的循環(huán)過程。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 是每個(gè)基元所能吸入的最大氣體體積。 通過合理的設(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)，開始排氣。如圖 1-2(b)所示，由 1 到 2 是旋片泵的吸氣過程， 2 到 3 是氣體的壓縮過程， 3 到 4 是排氣過程。其中， 2 ? 、 2 ? 、 2 ? 是分別考慮到壓縮過程可能為絕熱、多方、等溫等情況。 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 (a) 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)過程 圖 1片泵基元的理論工作循環(huán) (a) a of (b) of -2 文 研究 設(shè)計(jì) 內(nèi) 容 a) 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。 b) 對(duì)零部件進(jìn)行虛擬裝配，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。 c) 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)。 2 設(shè)計(jì)要求 在車用旋片泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，可以簡單分為以下四個(gè)步驟。首先，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。 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 能要求 本課題設(shè)計(jì) 的旋片式電子真空泵，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： （ 1）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； （ 2）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)定時(shí)能正常工作； （ 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； （ 4）在當(dāng)前大氣壓下，從容積為 真空罐開始抽氣，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 4 秒，真空度達(dá) 70%時(shí)所需時(shí)間不超過 10 秒，以保證汽車的助力制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 （ 5）電子真空泵的累積工作時(shí)間不低于 500 小時(shí)。 表 2-1 數(shù)名稱 工作溫度范圍 工作電 壓范圍 測(cè)試真空腔容積 達(dá)到 50%真空度的時(shí)間要求 達(dá)到 70%真空度的時(shí)間要求 極限真空度要求 工作壽命要求 要求 C 6V~16V 于 4s 小于 10s ≥ 86% ≥ 500h 料選擇要求 在旋片泵工作時(shí)，轉(zhuǎn)子與旋片是泵腔內(nèi)的主要運(yùn)動(dòng)部件，受到來自泵腔內(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。 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 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、酚醛樹脂、石墨等。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、自潤滑和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)。 3 結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇 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。 何抽速 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。 a) 名義抽速 名義抽速是指泵在出廠時(shí)，標(biāo)牌上鎖表明的抽氣速率。 b) 幾何抽速 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n，以及旋片數(shù)目 ： （ 3 式中 A—— 吸氣終了時(shí)吸氣腔的截面積； L—— 泵腔高 度。 c) 實(shí)際抽速 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)榱恪４藭r(shí)，泵抽取的空氣的體積等于泵內(nèi)氣體通過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。 國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用幾何抽速來考核抽氣效率。 根據(jù)表 2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 1(L/S)時(shí)，可以滿足抽速需求。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) 6533的幾何抽速 8]。 為了保證名義抽速， 則 應(yīng)選較大的 。 ，這里取 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 動(dòng)主軸轉(zhuǎn)速 n 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。考慮到汽車發(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/ 片數(shù)目 Z 普通真空泵一般葉片數(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。 徑比 b B=d／ D， 速一定， 心距 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)旋片最大伸出長度與留在槽內(nèi)的長度之比大，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 = 。 徑比 a a=h/D， 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。 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 = 。 際容積利用系數(shù) 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?？偼ㄟ^合理的布置進(jìn)氣口和進(jìn)氣導(dǎo)流槽來獲得最大吸氣容積利用系數(shù)。由圖 3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。 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 3 r 為轉(zhuǎn)子半徑、 R 為定子半徑、 z 為葉片數(shù)目，則直徑比 b =d/ D= 、 P 2= /z。 令 S 為工作腔橫截面積， 吸氣腔橫截面積， 積， （ 3 （ 3 （ 3 （ 3 （ 3 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 （ 3 當(dāng)采用五片式旋片泵結(jié)構(gòu)時(shí)，初步設(shè)計(jì) 容積利用系數(shù) 。 算泵腔尺寸 旋片泵腔的主要尺寸間存在如下關(guān)系 [9]： （ 3 （ 3 （ 3 （ 3 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 == ， h = = ，單位為 算 旋片尺寸 ① 轉(zhuǎn)子中葉片槽偏置距離 的選取 根據(jù)轉(zhuǎn)子尺寸大小，選取 = 。 ② 旋片厚度 B 的選取 對(duì)于高速直聯(lián) 干式真空泵，一般都應(yīng)采用非金屬的旋片材料。這里選用聚甲醇材料， 厚度 B = 3(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表 3he of 稱 泵腔直徑 子直徑 腔高度 子偏心距 片數(shù)目 葉片偏心距 片厚度 機(jī)轉(zhuǎn)速 r/小 48 40 22 4 5 11 3 3800 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 4 三維結(jié)構(gòu)模型的建立 維建模技術(shù)概述 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、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)。 在旋片泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，本課題采用 維建模軟件。 法國達(dá)索公司的產(chǎn)品開發(fā)的旗艦解決方案。 件可以幫助制造廠商設(shè)計(jì)他們未來的產(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 。 圖 4件主界面 南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 部件的建模過程 旋片式真空泵的結(jié)構(gòu)各種各樣，本課題設(shè)計(jì)的旋片泵采用無潤滑油的工作形式，且安裝于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙，設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)考慮了結(jié)構(gòu)的簡單化和輕量化。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)。 圖 4片泵的組織結(jié)構(gòu)圖 抽氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ① 泵腔組件的設(shè)計(jì) 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，由于沒有潤滑油的冷卻作用，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，通過上一章的理論計(jì)算，已知當(dāng)轉(zhuǎn)子直徑為 40度為 22子內(nèi)壁直徑為 48，可以滿足 對(duì)抽速的設(shè)計(jì) 要求。 ② 轉(zhuǎn)子與旋片組件的設(shè)計(jì) 在干式旋片泵中，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。 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、酚醛樹脂、石墨等，這里選用耐磨性好的聚甲醛 材料。轉(zhuǎn)子的高度為 22徑為 40片高 度為 22度為 3度為 18 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 4腔組件模型示意圖 of 4子與旋片模型示意圖 of 南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 ③ 進(jìn)氣口的開設(shè) 對(duì)于油潤滑的旋片泵，進(jìn)排氣口一般開設(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，是無油潤滑，且必須考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性。因此，本課題 設(shè)計(jì)的旋片泵進(jìn)排氣口開設(shè)在上下端蓋。進(jìn)排氣口角度的開設(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) x 軸的夾角為 36°。如圖 4示，為保證此時(shí)進(jìn)氣口恰好關(guān)閉，通過幾何作圖，可以確定進(jìn)氣口角度為 46°。 圖 4用幾何作圖原理確 定進(jìn)氣口的角度 -5 to of 排氣口的開設(shè) 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)的氣體回流到吸氣西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 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)，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) x 軸的夾角為 36°。為保證此時(shí)排氣口恰好關(guān)閉，通過幾何作圖，可以確定排氣口的角度，如圖 4示。 圖 4用幾何作圖原理確定排氣口的角度 to of 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ① 支架結(jié) 構(gòu)的設(shè)計(jì) 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)過對(duì)比分析， 鋁鋅 合金 其鑄造性能好，將起作為 支架的加工材料。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，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。 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 4架組件的模型示意圖 of 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)組件的設(shè)計(jì) 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/，可以輸出 合該旋片泵所需的動(dòng)力需求。 該旋片泵采用電機(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)。 圖 4機(jī)與驅(qū)動(dòng)組件的模型示意圖 of 外殼及附件機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ① 外殼消聲器組件的設(shè)計(jì) 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 對(duì)于直聯(lián)式旋片泵，運(yùn)行過程中的噪聲主要來自三個(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)軸器產(chǎn)生噪聲問題；因此，泵體噪聲是在設(shè)計(jì)過程中唯一需要 重點(diǎn)考慮的噪聲源。 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。 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示。噪聲通過泵腔排氣口時(shí)，噪聲的通道截面突然擴(kuò)張，通過橡膠圈口時(shí)又突然收縮、擴(kuò)張，然后通過外殼與定子組成的通道時(shí)截面再次收縮，這一過程取到了抗性消聲的作用，如圖 4示。 圖 4殼消聲器組件的結(jié)構(gòu)示意圖 of 南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 4聲的傳播路線及消聲器原理圖 密封組件的設(shè)計(jì) 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，外部水汽也不進(jìn)入泵體。在泵腔內(nèi)部，通過轉(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泄漏。密封圈的形狀必須根據(jù)連接部件接口處的形狀來設(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。 ③ 其它組件的設(shè)計(jì) 除了以上介紹的零部件，一臺(tái)旋片泵總成還需要用于減小振動(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。 體總成的虛擬裝配 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)品的裝配過程。通過虛擬裝配，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)設(shè)計(jì)的合理性。 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： （ 1）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； （ 2）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西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 配關(guān)系； （ 3）在 ，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； （ 4）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； （ 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參數(shù)化和無約束化兩種方式來修改，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，具體裝配步驟如下。 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。 圖 4氣機(jī)構(gòu)裝配示意圖 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配 在實(shí)際裝配中，撥動(dòng)塊內(nèi)孔與電機(jī)主軸是過盈配合，必須通過壓機(jī)才能把它們裝配上；而電機(jī)與支架間是通過圓孔定位，再用三顆 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 約束命令，就可以準(zhǔn)確無誤的把撥動(dòng)塊安裝到驅(qū)動(dòng)主軸上面。 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 4動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配示意圖 旋片泵總成的裝配 圖 4片式電子真空泵虛擬裝配模型 南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 4片式電子真空泵裝配剖 切模型 of 維工程圖的生成 在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，一般都要以二維工程圖來表達(dá)產(chǎn)品中零件的尺寸、材料和工藝特征，并以此來指導(dǎo)生產(chǎn)。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路里，二維 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 以通過三維實(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示： 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 圖 4維工程圖的生成流程圖 a D 旋片泵的動(dòng)力學(xué)研究 旋片式真空泵在運(yùn)行過程中，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)。 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 片的運(yùn)動(dòng)速度研究 圖 5片運(yùn)動(dòng)的速度分析圖 of 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： （ 5 式中， 為牽連速度，即角速度ω與牽連向徑 之積，