背景技术
许多工业和汽车设备需要供应加压的不可压缩流体例如润滑油以进行操作。通常用于供应这些流体的泵的设计可以是恒定排量的(即体积排量)或者是可变排量的。
对于恒定排量的泵,在泵的每次循环,泵都输出大致固定体积的工作流体。为了获得工作流体的期望体积和/或压力,泵必须或者以给定的速度操作,该给定的速度与汽车发动机或者其它由该泵所供应的设备的速度无关,或者必须设置一个减压阀,从而在泵以高于为获得期望流动而需要的速度操作时使剩余流量改变方向而流至泵的低压侧或者工作流体贮存器。
对于可变排量的泵,泵的体积排量可以变动而改变在泵的每次循环中由泵所输出的流体体积,从而可以基本上与泵的操作速度无关地供应期望体积的工作流体。
通常地,与带有减压阀的恒定排量的泵相比,可变排量的泵是优选的,原因在于可变排量的泵在能量效率方面有显著的改进,并且可以比恒定排量的泵中的减压阀更迅速地响应操作条件的改变。
虽然可变排量的叶轮泵是公知的,它们确实具有一些缺点。例如,由于泵室与转子一起运动,泵室中的流体压力差(其形成于相邻叶片、转子和凸轮环之间)可导致凸轮环上不利的变动或脉动,从而导致了泵输出压力的脉动。
授予Bistrow的美国专利No.4,679,995公开了一种可变排量的叶轮泵,其中阻尼力施加到泵的凸轮环上以减少凸轮环的脉动。在一个实施方式中,阻尼力由与凸轮环相邻的室中的加压工作流体提供。工作流体从泵的出口供应,穿过一个取决于凸轮环的位置而阻塞的通道,从而改变压力以及因此所导致的阻尼力。在另一个实施方式中,工作流体经过一个渐缩的凹口从出口供应到凸轮环,一个互补的渐缩活塞在该渐缩的凹口中由凸轮环移动。
然而,Bistrow所教示的泵也具有一些缺点。特别地,为了提供Bistrow泵所需的用于将工作流体供应到室的芯式通道,泵必须通过砂型铸造来制造,其不但增加了制造成本、生产周期,并排除了使用理想的材料,例如铝,来形成泵体。
先前已经制造了压力铸造的、带有阻尼的可变排量的叶轮泵,但是这些泵的限制在于:它们的出口位于转子室出口端口之下并且覆盖住该出口端口以避免需要芯式通道(cored passage),从而允许泵的压力铸造。然而,由于出口必须位于覆盖住转子室出口端口的位置处,这种泵的布置、端口位置、尺寸和体积(即“封装”)是十分受限制的。
现有的泵的另一个问题是:现有技术的泵的后板中的入口端口通常是弧形的形式,在与泵的入口相连处,其流通截面积很小,并且,当该弧绕转子周向地延伸时,流通截面积增加。在与泵的入口相连处,入口端口的流通截面积较小,以确保在泵入口和入口端口接口的附近、在凸轮环和后板之间仍然存在足够的表面密封区域。然而,当泵以较高速操作时,这种小的流通截面积会导致在入口中的不利的气穴。
期望有一种可变排量的叶轮泵,其能够通过压力铸造或其它技术来制造、可以灵活地封装、并且在凸轮环上具有阻尼。还期望有一种可变排量的叶轮泵,其入口减少了气穴的发生。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种新颖的受阻尼的可变排量叶轮泵,其消除或减轻了现有技术中的至少一个缺点。本发明的另一个目的是提供一种叶轮泵,其带有增大的起始流通截面积的入口端口。
依据本发明的第一方面,提供了一种可变排量的叶轮泵,其包括:转子,其包括多个从所述转子径向滑动地延伸的叶片;泵壳体,其限定了泵入口、泵出口和转子室,所述转子室容纳所述转子并包括入口端口和出口端口,所述入口端口与所述泵入口流体连通,并且工作流体通过所述入口端口导入到所述转子中,工作流体通过所述出口端口从所述转子排放到所述泵出口,所述出口端口通过通道与所述泵出口相连;凸轮环,其环绕所述转子,所述转子的叶片端部接合所述凸轮环的内表面而在相邻叶片、所述转子和所述凸轮环之间形成体积可变的泵室,所述凸轮环可在所述转子室内绕一枢转点枢转而改变凸轮相对于所述转子的偏心度,从而改变所述泵的排量;调节弹簧,其作用在所述泵壳体和所述凸轮环之间,从而将所述凸轮环偏压到所述凸轮环和所述转子之间的最大偏心度的位置上;以及第一调节室和第二调节室,所述第一调节室接收来自于所述泵出口的工作流体,工作流体对所述凸轮环施加一个调节力来抵消所述调节弹簧的偏压;所述第二调节室通过开口接收来自所述第一调节室的工作流体,工作流体对所述凸轮环施加一个调节力来抵消所述调节弹簧的偏压,并且所述开口使得接收在所述第二调节室中的工作流体的压力相对于所述第一调节室中的调节流体的压力发生改变。
在一个实施方式中,所述第一和第二调节室被所述开口分隔,所述开口形成于所述凸轮环和所述泵壳体之间。在另一个实施方式中,所述第一和第二调节室通过密封构件分开,并且其中所述开口为围绕所述密封构件的通道的形式。
优选地,所述泵壳体通过压力铸造工艺形成。
依据本发明的另一个方面,提供了一种可变排量的叶轮泵,其包括:转子,其包括多个从所述转子大致径向延伸的叶片;凸轮环,其环绕所述转子,所述转子的叶片接合所述凸轮环的内表面而在所述转子、所述凸轮环和相邻叶片之间形成泵室,所述泵室的体积随着转子的旋转而改变;泵壳体,其包括:转子室、泵入口、泵出口、入口端口、出口端口、通道、调节构件、以及第一调节室和第二调节室,所述转子室容纳所述转子和凸轮环,所述凸轮环可绕一枢转点枢转而改变所述凸轮环相对于所述转子的偏心度,从而所述泵室的体积量随着所述转子旋转而改变,所述泵入口用于将工作流体供应到所述泵,所述泵出口用于从所述泵供应工作流体,所述入口端口与所述泵入口流体连通而将工作流体供应到所述转子,所述出口端口用于从所述转子接收工作流体,所述通道将所述出口端口连接到所述泵出口,从而在其间传输工作流体,所述调节构件作用在所述泵壳体和所述凸轮环之间,从而将所述凸轮环迫压到最大偏心度的位置上,所述第一调节室与所述泵出口流体连通而从其接收工作流体,所接收到的工作流体产生一个调节力,以迫使所述凸轮环远离最大偏心度的位置,所述第二调节室通过开口与所述第一调节室相连,所述第二调节室接收来自于所述第一调节室的工作流体,并且开口改变所接收的工作流体的压力,所接收的工作流体形成一个调节力,以迫使所述凸轮环远离最大偏心度的位置。
优选地,所述枢转点包括从体部和凸轮环中之一延伸的凸台,以结合所述体部和凸轮环中的另一个上的互补槽。
依据本发明的另一个方面,提供了一种可变容量的叶轮泵,其包括:转子,其包括多个从所述转子大致径向地延伸的叶片;凸轮环,其环绕所述转子,所述转子的叶片接合所述凸轮环的内表面而在所述转子、所述凸轮环和所述相邻叶片之间形成泵室,所述泵室的体积随着所述转子的旋转而改变;泵壳体,其包括:转子室、泵入口、泵出口、入口端口,所述转子室容纳所述转子和凸轮环,所述凸轮环可枢转而改变所述凸轮环相对于所述转子的偏心度,从而改变所述泵室在所述转子转动时所改变的体积量,所述泵入口用于将工作流体供应到所述泵,所述泵出口用于从所述泵供应工作流体,所述入口端口与所述泵入口流体连通而将工作流体供应到所述转子,所述入口端口包括一个大的起始流通截面积,工作流体可通过所述起始流通截面积进入到所述泵室内;以及出口端口,用于从所述转子接收工作流体,其中所述凸轮环包括邻近所述入口端口的大的起始流通截面积处的加宽部分,所述加宽部分在邻近所述大的起始流通截面积处泵壳体和凸轮环之间提供了足够的密封表面。
本发明提供了一种可变排量的叶轮泵,其具有至少两个调节室,用于为所述凸轮环提供调节力,以抵消通过调节弹簧施加到所述凸轮环上的力,减少来自泵的输出工作流体中的脉动。所述室中的第一个是所述泵的出口的一部分,并通过通道与所述泵的出口端口流体连通,所述通道优选为槽的形式,这使得所述泵可以通过压力铸造等工艺制造。第二个调节室通过开口与第一室相连,所述开口减少了从第一室供应到第二室的工作流体中的压力脉动。由于出口不需要覆盖住泵的出口端口,依据本发明的泵的构造和设计使得泵可以灵活地封装。
附图说明
现在将仅通过示例的方式,通过参照附图来描述本发明的优选实施方式,其中:
图1示出依据本发明的可变排量叶轮泵的主视图,其中移除了泵的盖板;
图2示出了图1中泵的侧视图;
图3示出了图1中泵的主视图,其中移除了转子和驱动轴杆;
图4示出了图1中泵的一部分,其中在泵体上的突起和凸轮环之间形成了一个开口;
图5a和5b示出了图1中的泵的开口的另一个实施方式;
图6a和6b示出了图1中的泵的开口的另一个实施方式;
图7示出了与图1中的泵一起使用的开口的另一个实施方式;
图8示出了与图1中的泵一起使用的开口的另一个实施方式;
图9示出了图1中泵的后板,其具有优选的入口设计;
图10示出了图9的后板,其具有传统的入口设计;
图11示出了用于图1的泵的凸轮环,其与图9的优选入口设计一起使用;
图12示出了图9和11的后板、体部及凸轮环的入口端口和出口端口,其中凸轮环处于最大偏心位置;以及
图13示出了图9和11的后板、体部及凸轮环的入口端口和出口端口,其中凸轮环处于最小偏心位置。
具体实施方式
在图1和2中,根据本发明一个实施方式的可变排量叶轮泵总体上以20表示。泵20包括壳体24,该壳体24由彼此相互间隔平行地设置的泵体28、后板32和盖板36(在图1中被移除了)构成。壳体24包括一个或多个孔40,用于安装到未示出的内燃机或其它原动机的安装板上,而后板32包括一组带有内螺纹的孔,所述孔与泵体28和盖板36中的通孔44对齐,以容纳螺栓而将盖板36、泵体28、和后板32相互固定。虽然在所示出的实施方式中,泵壳体24包括分开的部件,即泵体28、后板32和盖板36,但对于本领域内的技术人员,显而易见,泵体28也可与后板32一体形成(在该情形中,壳体24将包括盖板36和一体的壳体/后板)或与盖板36一体形成(在该情形中,壳体24将包括后板32和一体的壳体/盖板)。
泵壳体24容置接合转子52的驱动轴杆48和由体部28和后板32形成的转子室58中的控制环或凸轮环56。驱动轴杆48延伸穿过后板32以接合内燃机或其它原动机上的驱动装置。转子52固定到驱动轴杆48上,从而在凸轮环56内同驱动轴杆48一起旋转。
转子52包括一系列径向的、成角度地间隔的切口60,叶片64可滑动地安装在切口60内。叶片64与转子52的外周面和凸轮环56的内周面共同形成了泵室72。
当转子52旋转时,叶片64在离心力作用下运动至与凸轮环56的内表面接触,从而形成了泵室72。由于转子52的中心相对于凸轮环56的中心是偏心的,当转子52转动时,泵室72的体积变化,其中,当泵室72进入到与入口端口76流体连通的状态时,泵室72的体积增大,从而将工作流体从入口端口76抽入泵室72。当泵室72随着转子52旋转时,从入口端口76抽出的工作流体输送到出口端口80,在该出口端口80处,泵室72的体积减小,从而将工作流体迫入到出口端口80中。在图3中更清楚地示出了入口端口76和出口端口80。
在泵20中,泵出口84与出口端口80间隔开。因此,出口端口80通过出口通道88连接到泵出口84,该出口通道88为形成在后板32中的槽状形式,从而将泵出口84和出口端口80设置成流体连通。因为出口通道88为后板32中的槽状形式,所以避免的对芯部(core)的需要,且包括通道88的后板32可以通过压力铸造工艺而容易地形成。泵20的泵入口92通过传统的方式与入口端口76直接地流体连通。
如所公知的,通过使凸轮环56绕枢轴运动,可以改变凸轮环56和转子52之间的偏心度,因此在转子52旋转期间改变泵室72的体积量,从而改变泵20的体积排量。
在现有技术的可变排量叶轮泵中,一个枢销插入到泵壳体中的一个孔内,该孔由在后板、泵体、凸轮环和盖板中的圆柱槽所限定,在泵壳体处,这些槽接合枢销,从而使得凸轮环可以绕该销枢转。然而,形成上述用于孔的槽需要多个机械加工和组装步骤,其增加了泵的制造成本。相反地,在本发明中,凸轮环56包括凸台,其起到枢销96的作用并且与体部28中的互补槽接合。还可以构想:可选地,枢销96可形成为在体部28上的朝外延伸的凸台,且可与凸轮环56中的互补槽接合。在任一实施方式中,枢销96和互补槽以及采用这种枢轴的泵的组件结构简单、节约成本。
当转子52旋转并使泵室72移离与入口端口76的流体连通时,工作流体由于泵室72的体积改变而加压(即工作流体在转子52的旋转过程中被预压缩)。当加压流体与通道88和出口室104流体连通时,泵室72中流体的压力高于出口室104(从图3清晰地看到)中流体的压力,并且,在泵室72中的较高压力的工作流体向通道88和出口室104的输送导致工作流体出口室104中的压力脉动。如下文所述,这些压力脉动导致了凸轮环56的不利运动。
在通常使用中,可变排量的叶轮泵设置成具有选定的平衡操作体积流或压力。此平衡操作体积/压力通常通过调节构件来实现,例如弹簧,该弹簧操作以将凸轮环绕枢转点偏压到最大偏心度的位置(即最大的体积排量)。抵抗由弹簧产生的偏压力的是通过泵由工作流体所产生的力。在现有技术可变排量的叶轮泵中,位于凸轮环外部的一部分转子室被用作调节室,该调节室与泵的输出流体连通。调节室中工作流体的压力在凸轮环上产生与弹簧的偏压力反向的力,同时,通过选择弹簧和室的几何形状,可以为泵选择一个平衡操作体积/压力。
然而,在可变排量叶轮泵的输出压力中的上述不利脉动也影响了调节室中工作流体的压力,导致由调节室内工作流体施加在凸轮环上的力的相应脉动。当在一定条件和/或速度下操作时,由于泵的转子转动,这些作用在凸轮环上的调节室的脉动增强了那些由泵室中压力改变而导致的脉动,并且,凸轮环会共振,导致在泵输出压力中不能接受的脉动增加。
在本发明中,泵20包括调节构件,在所示出的实施方式中为一个弹簧100,以使凸轮环56绕着枢销96偏压到凸轮环56和转子52之间的最大偏心度的位置处,这与现有技术的泵相似。然而,如图3中清晰可见,本发明包括一对调节室,出口室104和调节室108,所述调节室中的加压工作流体将在凸轮环56上施加一个力。
特别地,出口室104是泵出口84的一部分,并被供应有与在泵出口84处所输出的工作流体相同的压力的来自出口通道88的工作流体。
调节室108形成在体部28、凸轮环56、密封件112和开口116之间,该密封件112可以是本领域内的技术人员所公知的任意可接受的密封材料。
从图4中清晰可见的开口116形成于凸轮环56上的突起120和体部28上的突起124之间。现在应该清楚,在泵出口84处以及在出口室104中的工作流体穿过开口116(在突起120和124之间)并进入到调节室108中,在此处,在从开口116通过的工作流体中产生一个压降。此压降减轻了上述在调节室108内的工作流体中的压力脉动,防止凸轮环56以其固有频率之一共振。
特别地,如果压力脉动没有减轻,它们会导致凸轮环56的脉动,这是由于施加在凸轮环56上的力会随着脉动而增加或者减少,且这会导致泵20排量的改变,从而甚至导致从泵20中输出的工作流体中的更大的压力脉动。在某些情形中,泵的操作速度使得其中压力脉动将导致凸轮环56以其固有频率之一共振,这是非常不利的。通过减轻调节室108内工作流体中的压力脉动,工作流体中不利脉动的幅度也降低了,从而降低了在泵出口84处的工作流体中脉动的幅度,以及减轻了凸轮环56的脉动,因而阻止凸轮环56共振。
对于本领域内的技术人员,显而易见,当出口室104与枢转点96直接地相邻时,由出口室104中的工作流体所产生的凸轮环56上的力仅通过非常短的力矩臂作用,而由调节室108中的工作流体所产生的力具有绕枢转点96的相对较大的力矩臂,从而,此来自调节室108的力是两个力中的主要的力。由于在室108中的工作流体的脉动幅度已经降低,由包括出口室104和调节室108的调节室中的工作流体的脉动导致的凸轮环56上的合力减小。
通过选择突起120和124的构造和几何形状,可以根据需要选择通过开口116的压降。例如,在图1到4所示出的实施方式中,突起120和124的几何形状和外形选择为使得开口116的流通截面积大致恒定,而与凸轮环56在转子室58中的位置无关。
相反地,在图5a和5b所示出的实施方式中,开口116a形成在突起120a和124a之间,突起120a和124a的几何形状和外形选择为开口116a的流通截面积随着凸轮环56绕枢转点96运动而改变。特别地,图5a示出凸轮环56相对于转子52处于最大偏心位置,并且,在该位置中,突起120a和124a之间的间隙设定为尺寸A。
在图5b中,凸轮环56移动到偏心度减小的位置,并且,在此位置中,突起120a和124a之间的间隙设定为尺寸B。显然,B大于A,从而,开口116a的流通截面积(相对于从中流过的工作流体)随着凸轮环56从最大偏心度的位置移走而增大。如流体力学所公知的,通过增加开口116a的截面积,经过开口116a的工作流体将减速,通过开口116a的压降将减少(即在开口116a两侧的压力差将减小)。
在图6a和6b所示出的实施方式中,开口116b形成在突起120b和124b之间,突起120b和124b的几何形状和外形选择为开口116b的流通截面积随着凸轮环56绕枢转点96运动而改变。特别地,图6a示出凸轮环56相对于转子52处于最大偏心位置,在此位置中,突起120b和124b之间的间隙设定为尺寸A。
在图6b中,凸轮环56移动到偏心度减小的位置,在此位置中,突起120b和124b之间的间隙设定为尺寸B。显然,在开口116b中,B小于A,从而,开口116b的流通截面积(相对于从中流过的工作流体)随着凸轮环56从最大偏心度的位置移走而减小。如流体力学所公知的,通过减小开口116b的流通截面积,经过开口116b的工作流体将加速,通过开口116b的压降将增加(即在开口116b两侧的压力差将增加)。
对于本领域内的技术人员,显而易见,开口116可设计成在凸轮环56的位置和通过开口116的流通截面积之间产生多种不同的关系。由此,泵20的设计人员可获得泵20的多种不同的期望性能。
在图7中示出了与泵20一起使用的开口116c的另一个实施方式。如图所示,在此实施方式中,突起120c是凸轮环56中的凹口的一部分,而突起124c从泵体28延伸入此凹口内。
在图8中示出了与泵20一起使用的开口116d的另一个实施方式。如所示的,在这个实施方式中,采用了弹性的密封件128或其它适当的构件用来分隔包括出口室104和调节室108的调节室,并且,开口116d包括形成在体部28中的通道,以将调节室108连接到出口室104。显然,在此构造中,开口116d具有固定的流通截面积,其不随着凸轮环56绕枢转点96枢转而改变。
虽然上述的泵的实施方式包括有两个通过开口连接的调节室,该开口改变了从一个室供应到另一个室的工作流体的压力,但是,本发明并不限于此,如果需要,根据本发明的泵可包括三个或者更多个调节室。
图9示出后板32,其中为了清楚起见,泵20的其它部件被移除了以示出泵20的另一个发明方面。特别地,后板32包括入口端口76,其起始流通截面积大于在如图10所示的传统入口端口设计情形中的流通截面积。如图10所示,后板32a中的传统入口端口76a具有非常狭窄的流通截面积200(由虚线表示),该流通截面积200邻近泵入口92a,当720在较高的速度条件下操作时,这会导致工作流体在入口端口76a中的气穴现象。
相反的,如图9所示,后板32a的入口端口76的起始流通截面积204(由虚线表示)大得多,工作流体可通过该起始流通截面积从泵入口92导入泵室72,从而有助于避免工作流体在入口端口76中的气穴现象。
为了在起始流通截面积204周围、在后板32和凸轮环56之间提供必要的密封,凸轮环56(如图11所示)包括加宽部分208,该加宽部分208覆盖住流通截面积204。图12示出体部28内的凸轮环56处于最大偏心度的位置,而图13示出体部28内的凸轮环56处于最小偏心度的位置。如所示出的,加宽部分208在面积204周围的凸轮环56和体部28之间提供了足够的接触面积,从而在其间形成了可接受的密封。
虽然上述的泵20包括创造性的开口和两个调节室以及创造性的带有增大的起始流通截面积的入口端口,并且虽然目前此组合是优选的,但是,对本领域内的技术人员,显而易见,这些创造性的特征中的任意一个可与传统的叶轮泵结合以获得在此所述的许多优点,并且,对此任一创造性概念的使用都由本发明人预见到了。
本发明提供了一种可变排量的叶轮泵,其具有至少两个调节室,用于为凸轮环提供调节力,抵消通过调节弹簧施加到凸轮环上的力,减少从泵输出的工作流体中的脉动。所述室中的第一个室是泵出口的一部分,并通过通道与泵的出口端口流体连通,该通道优选为槽状形式,这使得泵可以通过压力铸造等工艺制造。第二个调节室通过开口与第一室相连,其减少了从第一室供应到第二室的工作流体中的压力脉动的冲击。由于出口不需要覆盖住泵的出口端口,根据本发明的泵的构造和设计使得泵可以灵活地封装。此外,本发明提供了一种泵,其入口端口的起始流通截面积较大,以防止在泵以较高速度操作时工作流体中的气穴现象。
本发明的上述实施方式意图作为本发明的示例,本领域的技术人员可对其进行修改和变动而不会偏离由在此所附的权利要求所完全地限定的本发明的范畴。