CN101388048A - 用于摆线油泵的转子设计自动化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于摆线油泵的转子设计自动化系统。本发明涉及根据具有圆形或椭圆形凸齿形状的外转子设计变量，分析有关油泵性能、振动、效率的因素，提供介入齿形的几何学、系统学的结构方程式的新方法，并实现生成齿轮齿形、将相伴于计算内/外转子体积和流量、流量不均匀度、滑率的复杂计算过程电算化的油泵用整合设计自动化系统。

Description

用于摆线油泵的转子设计自动化系统

技术领域

本发明涉及用于油泵等的摆线泵(GEROTOR PUMP)，详细地说，本发明涉及用于摆线油泵的转子设计自动化系统，考虑具有圆形或椭圆形凸齿(lobe)形状的外转子设计变量进行运动学分析，以实现转子设计的自动化。

尤其是，本发明中将采用如上所述的用于摆线油泵的转子设计自动化系统制作的转子齿形命名为“SDCHOID(商品名)”，其含义是指SAMHAN株式会社开发的动力学曲线齿形(SAMHAN DYNAMIC CHOID)。

背景技术

通常，油泵(Oil Pump)是安装在汽车的发动机等上而被驱动的发动机的必要功能零件，该油泵将从发动机供应的机械能量转换为发动机油的压力能量及速度能量，向发动机内部的各滑动部供应润滑油，使零件不发生异常磨损、疏凿等问题。上述油泵由电动机(Electric motor)、键(key)、回转轴密封(rotary shaft seal)、轴承壳套(Bearing shell)、凸缘(Flange)、外转子(Outer rotor)、内转子(Inner rotor)、转子外壳(Rotor case)、O型环(O-ring)、推进器(Screw)等零件组成。在上述油泵中，除了其它标准产品以外，上述转子外壳根据油泵规格拉模铸造，上述外转子及内转子通过粉末锻造生产。

一般，经常使用的定量型液压内啮合齿轮泵及电动机是将以内啮合齿轮齿形结合而形成的正齿轮(spur gear)或圆的曲线变形后使用。

具有任意形成的转子的摆线泵及电动机由内转子和外转子组成，结构简单，并且随着因烧结产品的制作技术发达而加工精密度提高，从而即使形状复杂，也容易加工，且组装容易，两个齿形之间的相对运动少，因此，即使长时间使用，效率变化也较少，吸入性能优秀。并且，广泛作为提供与活塞泵结合的双联泵(Tandem pump)的吸入及阻抗的泵使用。尤其是，与其它泵相比噪音少，因而广泛作为用于润滑发动机的润滑油的供应源或自动变速器的液压源使用。并且，还具有相对整体体积而言每旋转一次的吐出量比叶轮泵或齿轮泵多的优点。由于这些原因广泛使用于液压系统中，因此最近随着加工技术的发达，其应用性也急剧扩大。

因此，进行了很多有关摆线泵/电动机的转子齿形设计的研究。Colbourne(“Gear Shape and Theoretical Flow Rate in Internal GearPumps，”Trans.of the CSME，Vol.3，No.4pp.215-223，1975)对内转子与外转子的接触进行模拟，求出内转子齿形的坐标，计算出以内转子和外转子的齿形曲线封闭的室面积。Sae-gusa(“Development ofOi l-Pump Rotor with a Trochoidal Tooth Shape，”Tran.SAE，840454.pp.359-364，1984)等进行了如下研究：固定内转子，使外转子旋转，求出对外转子齿形圆弧中心的轨迹，导出从内转子和外转子的啮合特性求出内转子齿形的公式，从而导出了求出内转子齿形的公式。并且，Beard(“Hypotrochoidal versus Epitrochoidal Gerotor Type Pumpswith Special Attention to Volume Change Ratio and Si ze，”ASMEProceedings，Design Automation conferance，Boston，Mass.，Sep.1987)等比较Hypotrochoidal和Epitrochoidal之间的流量变化，表示出数学关系。Tsay(“Gerotor Pumps-Design Simulation And ContactAnalysis，”pp.349-356.1992)发表了模拟切削过程来求出内转子齿形的方法。另一方面，李成哲(

)(“Journal of KSTLE，Vol.11，No2，pp63-70.1995)等利用曲线族(family of curves)导出内转子齿形公式之后，以液压电动机为对象实施了计算流量及转矩等的特性分析。

发明内容

但是，到目前为止所发表的内容着重于理论分析，加上还没有将这些电算化之后容易活用的事例，因此在实际设计时存在很多问题。并且，需要对油泵设计技术中最重要的转子形状的设计进行研究，迫切需要对高性能、高效率、低噪音、低振动的新齿形进行研究。尤其是，要求分析与油泵的性能、振动、效率有关的因素，并介入几何学(geometry)、计算流体动力学(CFD：Computational Fluid Dynamics)、系统仿真学(System simulation)。

因此，本发明提供一种用于摆线油泵的转子设计自动化系统，考虑具有圆形或椭圆形凸齿形状的外转子设计变量进行运动学分析，以实现转子设计的自动化。

为了达到上述目的，本发明提出了一种用于摆线油泵的转子设计自动化系统，所述转子设计自动化系统由如下部分构成：输入模块，其用于输入设计变量值，以实现齿形设计、流量以及流量不均匀度计算的自动化；设计模块，其根据上述输入的设计变量值，通过齿形方程式，制作内转子的轨迹和外转子的轨迹，校正上述内转子和外转子之间的偏移(offset)量之后，计算出上述生成的齿形的流量和不均匀度；以及输出模块，其进行齿形建模、旋转模拟、瞬时流量曲线以及数据文件的存储。

发明效果

具有如上述特征的本发明根据圆形或椭圆形的外转子设计变量，分析有关油泵性能、振动、效率的因素之后，提供介入了齿形的几何学、系统学的新的结构方程式，从而实现了生成转子齿形、并将相伴于计算内/外转子体积、流量、流量不均匀度以及滑率的复杂计算过程电算化的油泵用整合设计自动化系统。这些本发明的优点如下。

第一、本发明通过几何学分析以全新的方法提出转子齿形的结构方程式，并且考虑几何学方面的设计极限，提示了不发生尖端或环的范围。

第二、本发明通过计算非滑率来求出将转子磨损及噪音最小化的设计变量。

第三、固定上述凸齿的齿数，通过计算基于d/e，r₁₂/e，k的流量和流量不均匀度，求出用于转子设计的最佳设计变量。

第四、本发明在开发流量虽有所降低、但要求最佳的不均匀度及滑率的低噪音转子时，对发生尖端或环的领域，也可在实际可使用的范围内进行齿形设计，并求出根据这些的流量及流量不均匀度、滑率。

第五、本发明在输出模块中根据输入变量值生成齿形，自动计算基于外转子旋转角度的瞬时流量和不均匀度、滑率，将计算结果输出为图表，并且模拟转子旋转的形状，从而可事先防止设计过失，能够实现制造企业可以根据成品车企业的规格决定适当齿形形状的方法。

附图说明

图1是示出与外转子形状匹配的内转子形状的轨迹的图。

图2是示出对椭圆形状的接触点方程式的图。

图3是示出不同旋转角度时的曲率中心的图。

图4a和图4b是示出内转子形状的轨迹的图。

图5a和图5b是示出对基于转子轨迹的流量(吸入、排出)进行评价的角度图。

图6是示出本发明的优选实施例的用于摆线油泵的转子设计自动化系统的结构的图。

图7a至图7c是示出图6所示的自动化系统的工作流程的图。

图8是示出外转子的输入值的图。

图9是示出基于椭圆形状系数(k)的内转子的形状的图。

图10是示出基于图8所示的设计变量输入值的瞬时流量的图。

图11是示出基于图8所示的设计变量输入值的滑率的图。

图12是示出根据各种设计变量输入值来执行自动化系统时的结果的图。

图13是比较示出基于r₁₂/e值的流量不均匀度的图。

图14是比较示出基于r₁₂/e值的瞬时流量的图。

图15是比较示出基于r₁₂/e值的滑率的图。

图16是示出“r₁₂＝1.4”和“k＝1.1”时的内转子形状的图。

图17是示出“r₁₂＝1.4”和“k＝1.1”时的瞬时流量的图。

图18是示出“r₁₂＝1.4”和“k＝1.1”时的滑率的图。

图19是示出输入变量为r₁₂＝2.29，e＝1.114，z₂＝10，d＝11.7095，k＝1.21时生成环的凸齿形状的图。

图20是示出基于图19所示的设计变量输入值的滑率的图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的实施例。在后述的详细说明中，示出用于实现上述的技术课题的本发明的代表实施例。并且，用本发明中对结构的描述来代替由本发明所能提示的其它实例。

本发明在不生成尖端(cusp)和环(loop)的几何学设计界限领域以及接触中的转子之间的输入角和磨损有关的滑率也在设计界限领域内进行观察。并且，使用者只要输入外转子的齿数(z₂)、内/外转子中心之间的距离即偏心量(e)、椭圆短轴距离(r₁₂)、外转子的中心点和椭圆中心点之间的距离(d)、椭圆的长短轴比(k)以及顶隙(tip gap：tp)值时，所开发的自动化系统在不发生几何学设计界限即尖端和环的领域内自动制作内/外转子，自动根据上述自动制作的转子计算出流量、流量不均匀度、滑率之后，将其结果输出为图表。不仅如此，固定凸齿齿数，利用本发明的自动化设计系统计算出基于d/e和r₁₂/e值的流量和流量不均匀度、滑率之后，可以通过比较来执行寻找具有最高流量和最低流量不均匀度以及滑率的内/外转子的最佳设计。

并且，本发明的转子设计自动化系统在开发流量虽有所降低但要求最佳的不均匀度及滑率的低噪音转子时，即使在生成尖端或环的领域，也能够在实际可使用的范围内进行齿形设计，并取得基于这些的流量及流量不均匀度、滑率，从而可设计根据消费者需求的订单型内/外转子。

以下，参照附图详细说明本发明的实施例。

首先，说明根据本发明的转子齿形设计方程式，求出与外转子的所有点匹配的内转子形状的方法如下。

内转子的形状通过确定两个转子所接触的点的位置来获得，为了计算接触点和性能指数，采用数值分析手法。为了内转子齿形的分析技术，在极坐标中将外转子示于图1。

为了完全定义外转子，需要知道凸齿的数量(z₂)、O₁₂、外转子中心点(O₂)和节圆半径(r₂)等几何学变量。内/外转子的节圆为了找出椭圆上的接触点，如图2所示，初始接触点C_p(x_c，y_c)引出的法线与O₂中心点到椭圆中心的轴相交的点称为C’(x’，0)。在此，椭圆中心点到接触点的距离ρ由<数学公式1>求出，C、C’与接触点之间的角采用<数学公式2>求出。

【数学公式1】

$\mathrm{\&rho;}=r_{12}\sqrt{{\cos }^2\mathrm{\&zeta;}+k^2{\sin }^2\mathrm{\&zeta;}}$

【数学公式2】

$\tan \mathrm{\&theta;}=k\tan \mathrm{\&zeta;},\tan \mathrm{\&theta;}=\frac{1}{k}\tan \mathrm{\&zeta;}$

将外转子的中心点(O₂)作为原点时，初始接触点C_p(x_c，y_c)如<数学公式3>所示。

【数学公式3】

x_c＝d-ρcosθ，y_c＝ρsinθ

并且，固定内/外转子的节圆交叉的节点(P)，使外转子相对于节圆中心(O₂)旋转，从而导出齿形方程式。外转子节圆中心(O₂)、内转子节圆中心(O₁)、O₂和O₁之间的偏心量(e)。外转子的凸齿数量、内外转子的节圆半径如<数学公式4>所示。

【数学公式4】

z₂＝z₁+1，r₁＝ez₁，r₂＝e z₂

另一方面，如图3所示，椭圆相对于外转子中心(O₂)旋转了α角度时，C’(X_new，Y_new)如<数学公式5>所示。

【数学公式5】

$\left(\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{new}}\\ Y_{\mathrm{new}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\&alpha;}-\sin \mathrm{\&alpha;}\\ \sin \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&alpha;}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\&prime;\\ 0\end{array}\right)$

然后，从节点(P_int)到外转子曲率轨迹的法线中心点(C’)的连线与曲率轨迹的交点为接触点(P)。该接触点如<数学公式6>所示，是CP直线的方程式和旋转椭圆的方程式<数学公式7>的交点。

【数学公式6】

$Y=\frac{Y_{\mathrm{new}}}{X_{\mathrm{new}}-r_2}(X-r_2)$

【数学公式7】

$\left(\begin{array}{c}{X}_i\\ Y_i\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\&alpha;}-\sin \mathrm{\&alpha;}\\ \sin \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&alpha;}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}d\\ 0\end{array}\right)$

最后，通过上述过程计算出基于相对于外转子节圆中心的旋转角度的外转子曲率轨迹的几何学变量之后，以数值分析方法求出接触点轨迹，从而求出内转子的轨迹。内转子轨迹上的一点P_in(X_in，Y_in)是根据图4a和图4b用<数学公式8>表示。

【数学公式8】

$\left(\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{in}}\\ Y_{\mathrm{in}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\&alpha;}\&prime;\sin \mathrm{\&alpha;}\&prime;\\ -\sin \mathrm{\&alpha;}\&prime;\cos \mathrm{\&alpha;}\&prime;\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{X}_{o1}\\ Y_{o1}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}e\\ 0\end{array}\right)$

在此，α’由<数学公式9>计算。

【数学公式9】

$\mathrm{\&alpha;}\&prime;=\mathrm{\&alpha;}-\frac{r_2}{r_1}\mathrm{\&alpha;}$

然后，根据本发明的设计方法计算流量和不均匀度、滑率的方法如下。

即，在本发明中可以利用有关接触点及内/外转子的齿形的信息计算出瞬时流量和不均匀度。假设工作流体为非压缩性流体，不发生体积变化。在图5a及图5b中用阴影线表示的室(Chamber，即图中的顶隙)是以内/外转子相遇的两个接触点为边界封闭的区域。

各室通过使转子按一定间距旋转微小角度，改变侧面的长度，增减体积。将此时室对流量变化的贡献程度定义为瞬时流量(instantaneousflow rate)。并且，发生吸入的区域和发生吐出的区域的面积分别与各个中心到接触点之间距离的平方成比例，因此瞬时流量可用<数学公式10>计算。

【数学公式10】

$\begin{array}{c}{q}_i\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\frac{1}{2}b[{\left|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{1}A}\right|}^2-{\left|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{1}B}\right|}^2)\frac{r_2}{r_1}\\ -({\left|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{2}A}\right|}^2-{\left|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{2}B}\right|}^2)]{\mathrm{\&omega;}}_1\end{array}$

如上述图5a和图5b所示，从内转子和外转子的中心点到第i室的起始接触点(A)、结束接触点(B)的距离分别用<数学公式11>计算。

【数学公式11】

$\left|\stackrel{\&RightArrow;}{o_{1}A}\right|={\mathrm{\&rho;}}_{i,1},\left|\stackrel{\&RightArrow;}{o_{2}A}\right|={\mathrm{\&rho;}}_{i,2}(\mathrm{\&alpha;}={\mathrm{\&alpha;}}_i)$

$\left|\stackrel{\&RightArrow;}{o_{1}B}\right|={\mathrm{\&rho;}}_{i+1,1},\left|\stackrel{\&RightArrow;}{o_{2}B}\right|={\mathrm{\&rho;}}_{i+1,2}(\mathrm{\&alpha;}={\mathrm{\&alpha;}}_{i+1})$

在此， ${\mathrm{\&alpha;}}_{i+1}=\mathrm{\&alpha;}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{z_2}$

并且，每日旋转流量如<数学公式12>所示。

【数学公式12】

$Q=z_1{\&Integral;}_0^{2\mathrm{\&pi;}/z_2}q\left(\mathrm{\&alpha;}\right)\mathrm{d\&alpha;}=z_1\underset{i=1}{\overset{2\mathrm{\&pi;}/z_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_i$

然后，比潦(specific flow rate)如<数学公式13>所示。

【数学公式13】

$R=\frac{Q}{\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&rho;}}_{i,\max }^{2}b}$

影响噪音及振动的流量不均匀度(flow rate irregularity)如<数学公式14>。

【数学公式14】

$i=\frac{q_{\max }-q_{\min }}{q_{\mathrm{average}}}$

非滑率采用<数学公式15>计算。

【数学公式15】

$S.S=\frac{|s_2-s_1|}{s_1}$

在此，s₁和s₂如图5a及图5b中所示，表示根据旋转量接触点分别从内/外转子的形状分别移动的距离。

另一方面，在本发明中使用Auto CAD的Auto LISP语言开发出具有圆形或椭圆形外转子的油泵整合设计自动化系统。所开发的系统由输入模块、设计模块、输出模块组成。在图6中示出概要图，并且在图7a至图7c中分别示出流程图。

输入模块

输入模块是为了实现齿形设计及流量、流量不均匀度计算的自动化而输入设计变量值的模块。这时，输入设计变量为外转子的齿数(z₂)、内/外转子中心之间的距离即偏心量(e)、椭圆短轴距离(r₁₂)、外转子的中心点和椭圆中心之间的距离(d)、椭圆的长短轴比(k)以及顶隙(tp)。图8示出输入窗口。

设计模块

设计模块根据所输入的设计变量值，通过齿形方程式，生成内转子轨迹和外转子轨迹，校正内转子和外转子之间的偏移量之后，计算出所生成的齿形的流量和不均匀度。

并且，生成内/外转子轨迹的算法示于图7a，计算瞬时流量及不均匀度的算法示于图7b。而且，计算外转子和内转子之间的滑率的算法示于图7c。

输出模块

输出模块进行齿形建模、旋转模拟、瞬时流量曲线及数据文件的存储。上述输出模块的齿形建模利用由设计模块计算出的内/外转子的轨迹，得到外转子末端部的曲率、内外转子之间的距离、内转子的偏移量、内转子的旋转角度的输入之后，生成基于旋转角度的齿形。上述旋转模拟中对实际内/外转子旋转的样子进行模拟之后，观察室的形状及大小、旋转时的干扰等，从而使用者能够事先预防过失。在此模块中，使外转子旋转α角度时，自动以图表输出输出端口的瞬时流量。

适用如上所述的本发明的自动化系统的结果如下。

在摆线泵中，设计输入变量z₂，e，d，r₁₂，k之中偏心率(e)的变化量与转子大小有关，改变与e有关的曲率半径r₁₂以及曲率半径的中心间距离(d)和k的值，制作各种形态的齿形。最佳化设计变量设定为d/e，r₁₂/e和k，约束条件为在允许输入角以内且不发生尖端或环的范围。并且，目的函数优先考虑流量和流量不均匀度，其后考虑影响寿命的滑率。由此求出最佳的设计变量值。

并且，本发明的设计自动化系统在开发流量虽有所降低但要求最佳的不均匀度及滑率的低噪音转子时，即使在生成尖端或环的领域，也能够在实际可使用的范围内进行齿形设计，并取得基于这些的流量及流量不均匀度、滑率。

为了求出椭圆形外转子的设计输入变量值中最佳的外转子的设计输入值，设定外转子齿数(z₂)为5个，偏心量(e)为1.0mm，外转子中心到椭圆中心的距离(d)为6.0mm，使椭圆的曲率半径(r₁₂/e)和椭圆的长短轴比(k)以表1所示进行变化，并设计椭圆形外转子和与此对应的内转子。

【表1】

如此在本发明的设计自动化系统执行的结果表示在表2至表6及图12。

【表2】

【表3】

【表4】

【表5】

【表6】

另一方面，由图13和图14可知，r₁₂/e和k越大，不均匀度和瞬时流量越增加，滑率r₁₂/e越小越好，由图15可知，当k＝1.1时具有最佳的滑率。

并且，将如下表7的值所示的当r₁₂/e＝1.4和k＝1.2时由自动化系统计算出的内转子的瞬时流量和滑率示于图17及图18。

【表7】

 

r12	k	流量	不均匀度	滑率
					1.4	1.1	0.2828	0.1571	1.86

然后，如图19在虽然生成环、流量多少有所下降但不均匀度和滑率很好的情况下，也可以如图20所示自动计算滑率，从而提示制造企业根据成品车企业的规格决定适当齿形的方法。

Claims (5)

1、一种用于摆线油泵的齿轮设计自动化系统，该齿轮设计自动化系统是外转子为圆形或椭圆形的油泵用设计自动化系统，其特征在于，所述系统由如下部分组成：

输入模块，该输入模块输入设计变量值，即外转子的齿数(z₂)、内/外转子中心之间的距离即偏心量(e)、椭圆短轴距离(r₁₂)、外转子的中心点和椭圆中心之间的距离(d)、椭圆的长短轴比(k)以及顶隙(tp)等，以实现齿形设计、流量以及流量不均度计算的自动化；

设计模块，该设计模块根据所述所输入的设计变量值，通过齿形方程式，生成内转子轨迹和外转子轨迹，校正所述内转子和外转子之间的偏移量之后，计算所述生成的齿形的流量和不均匀度；以及

输出模块，该输出模块进行齿形建模、旋转模拟、瞬时流量曲线及数据文件的存储。

2、根据权利要求1所述的用于摆线油泵的齿轮设计自动化系统，其特征在于，所述齿形建模利用由所述设计模块计算出的内/外转子轨迹，获得外转子末端部的曲率、内外转子之间的距离、内转子的偏移量、内转子的旋转角度的输入之后，生成基于旋转角度的齿形。

3、根据权利要求1或2所述的用于摆线油泵的齿轮设计自动化系统，其特征在于，所述旋转模拟中对实际内/外转子旋转的样子进行模拟，以此观察室形状及大小、旋转时的干扰等。

4、根据权利要求1所述的用于摆线油泵的齿轮设计自动化系统，其特征在于，在所述流量中瞬时流量通过下述<数学公式10>计算，每日旋转流量通过<数学公式12>计算，

[数学公式10]

$q_i\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\frac{1}{2}b[({\left|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{1}A}\right|}^2-{\left|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{1}B}\right|}^2)\frac{r_2}{r_1}$

$-({\left|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{2}A}\right|}^2-{\left|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{2}B}\right|}^2)]{\mathrm{\&omega;}}_1$

[数学公式12]

$Q=z_1{\&Integral;}_0^{2\mathrm{\&pi;}/z_2}q\left(\mathrm{\&alpha;}\right)\mathrm{d\&alpha;}=z_1\underset{i=1}{\overset{2\mathrm{\&pi;}/z_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_i.$

5、根据权利要求1所述的用于摆线油泵的齿轮设计自动化系统，其特征在于，所述流量不均匀度通过<数学公式14>计算，

[数学公式14]

$i=\frac{q_{\max }-q_{\min }}{q_{\mathrm{average}}}.$

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