CN102734114A

CN102734114A - 低噪音高效螺线管泵

Info

Publication number: CN102734114A
Application number: CN2012100897751A
Authority: CN
Inventors: V.A.尼拉肯坦; P.G.奥塔尼斯; S.白
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: DE102012204994A1; US9004883B2; US20120251359A1; CN102734114B

Abstract

本发明涉及一种低噪音、高效率的螺线管泵，其包括壳体，该壳体包含中空的电磁线圈。在线圈内设置有泵组件，该泵组件限定了管状主体，该管状主体具有一对相对端，该一对相对端分别包括入口端口或吸入端口，以及出口端口或压力端口，并且柱塞或活塞设置在该主体中。活塞被一对相对的压缩弹簧沿相反方向偏置。在吸入或返回行程期间，第一压缩弹簧限制和阻止活塞的行进，在泵送行程期间，第二压缩弹簧限制活塞的行进，并且在泵送行程之后使活塞返回。活塞包括第一止回阀，该第一止回阀在吸入行程期间打开以允许液压流体进入泵送腔，并且在泵送行程期间关闭以造成流体被泵送出泵送腔。第二止回阀打开以允许被泵送的流体通过出口端口或压力端口离开泵送腔和泵主体并且关闭以阻止回流。

Description

低噪音高效螺线管泵

技术领域

本公开涉及螺线管泵，并且更具体地涉及低噪音高效螺线管泵。

背景技术

这部分的叙述仅仅提供与本公开有关的背景信息并且可能构成或可能不构成现有技术。

在响应于正在增长的消费者需求和联邦里程要求而进行的广泛研究和开发中的用于轿车和轻型卡车的很多操作策略中的一个被称为发动机起停技术（ESS）。这种操作策略通常涉及：无论何时车辆在交通中停车，即，无论何时车辆处于档位中但静止长于一短的比较可预见的时间（例如在交通灯处或走-停交通处发生），则关断汽油、柴油或灵活燃料发动机。

虽然这种操作策略对燃料消耗具有直接和积极的影响，但其需要进行设计并且是操作复杂的。例如，由于发动机输出/变速器输入轴在停车阶段中不旋转，因而在操作上依赖于由发动机驱动的泵提供的加压液压流体的自动变速器可能临时丧失压力以及对档位和离合器的选择和控制能力。不过，这种缺点可通过在液压控制回路中关键部位处集成各种液压构件例如蓄压器或电驱动的泵来克服。由于这种蓄压器是基本上被动设备，其依赖于足够长以完全填充蓄压器的发动机操作循环以及足够短以使得蓄压器不变得排空的静止发动机循环或期间。由于泵是主动设备，它们没有这些缺点。然而，很多泵设计（尤其是齿轮泵和转子泵）要比蓄压器更昂贵，并且当然需要电供应和控制构件。

齿轮泵和盖劳特泵的成本和复杂性使得另一种类型的泵受到关注，即螺线管泵。螺线管泵已经在发动机起动停止应用中变得流行，不仅是因为它们较低的成本，而且由于它们通常有些受限制的流量和压力输出很好地匹配于发动机起动停止变速器应用。

然而，该应用不是没有挑战，其中之一是有讽刺意味的。在发动机停止循环期间，车辆动力系噪音几乎是不存在的。当然，这通常是辅助的或补充的液压泵唯一被使用为变速器提供加压液压流体的时间。不幸的是，借助线圈的周期性的供能和造成的活塞的往复进行泵送的螺线管泵可能会产生一定量的脉动噪音。这种脉动噪音可被检测到并且可能是不被许可的，并且主要是因为车辆在发动机停止循环期间是安静的。

因此，显然，将非常需要具有降低的操作噪音的螺线管泵。因此产生了本发明。

发明内容

本发明提供一种低噪音、高效率的螺线管泵。该螺线管泵包括壳体，该壳体包含中空的电磁线圈。在线圈内设置有密封的泵组件，该泵组件限定了管状主体，该管状主体具有一对相对端，该一对相对端分别包括入口端口或吸入端口，以及出口端口或压力端口，并且柱塞或活塞设置在该主体中。活塞被一对相对的压缩弹簧沿相反方向偏置。在吸入或返回行程期间，第一压缩弹簧限制和阻止活塞的行进（并且辅助泵送行程），在泵送行程期间，第二压缩弹簧限制和阻止活塞的行进，并且在泵送行程之后使活塞返回。活塞包括第一止回阀，该第一止回阀在吸入行程期间打开以允许液压流体（变速器油）进入泵送腔，并且在泵送行程期间关闭以造成流体被泵送出泵送腔。与第一止回阀对准的第二止回阀打开以允许被泵送（被加压）的流体通过出口端口或压力端口离开泵送腔和泵主体并且关闭以阻止回流。

两个压缩弹簧的弹簧比率和活塞的质量被选择以提供一机械系统，该机械系统的振动谐振频率与施加到螺线管的电磁线圈以使活塞往复的脉冲的频率接近一致。因此，活塞以其阻尼的自然振动频率被驱动并且往复或摆动，由此降低能量消耗并且使螺线管高效率。通过吸收活塞的能量并且较慢地使其平移方向反转，压缩弹簧降低了在活塞行程的末端处与活塞的方向反转相关联的不变和重复的噪音脉冲。

因此，本发明的一个方面是提供螺线管泵。

本发明的另一个方面是提供低噪音螺线管泵。

本发明的又一个方面是提供低噪音、高效率的螺线管泵。

本发明的又一个方面是提供一种螺线管泵，其具有活塞和与活塞接合并偏置活塞的一对相对的弹簧。

本发明的又一个方面是提供一种螺线管泵，其具有活塞和弹簧，该活塞和弹簧构成机械系统，该机械系统的自然振动频率与电磁方式产生的往复速度相同。

本发明的另一方面提供一种具有一对止回阀的螺线管泵。

此外，本发明还涉及以下技术方案。

1. 一种低噪音螺线管泵，以组合的方式包括：

限定了中空内部的电磁线圈，

设置在所述电磁线圈的所述中空内部中的泵主体，所述泵主体限定入口端口、泵送腔和出口端口，

设置在所述泵主体中的活塞，所述活塞限定贯通通道并具有第一止回阀，所述第一止回阀可操作地设置在所述贯通通道和所述泵送腔之间，

可操作地设置在所述泵送腔和所述出口端口之间的第二止回阀，

设置在所述活塞和所述泵主体之间的第一压缩弹簧，所述第一压缩弹簧与所述入口端口相邻并且沿第一方向偏置所述活塞，以及

设置在所述活塞和所述泵主体之间的第二压缩弹簧，所述第二压缩弹簧沿与所述第一方向相反的第二方向偏置所述活塞。

2. 如技术方案1所述的低噪音螺线管泵，其中，所述活塞和所述压缩弹簧构成机械系统，并且所述电磁线圈以所述机械系统的阻尼的自然振动频率被供能和去能。

3. 如技术方案1所述的低噪音螺线管泵，其中，所述第一止回阀和所述第二止回阀是簧片阀。

4. 如技术方案1所述的低噪音螺线管泵，其中，所述电磁线圈卷绕在绝缘线轴上。

5. 如技术方案1所述的低噪音螺线管泵，其中，所述活塞包括第一磁性部分和第二非磁性部分。

6. 如技术方案1所述的低噪音螺线管泵，其中，所述活塞包括第一部分和第二部分。

7. 如技术方案1所述的低噪音螺线管泵，其中，所述活塞中的所述贯通通道包括扩大直径的中心部分和至少一个减小直径的端部。

8. 一种螺线管泵，以组合的方式包括：

限定了中空内部的电磁线圈，

设置在所述电磁线圈的所述中空内部中的泵主体，所述泵主体限定入口、泵送腔和出口，

可操作地设置在所述泵送腔和所述出口之间的第二止回阀，

设置在所述活塞和所述泵主体之间的第一压缩弹簧，所述第一压缩弹簧与所述入口相邻并且沿第一方向偏置所述活塞，以及

9. 如技术方案8所述的螺线管泵，其中，所述第一止回阀和所述第二止回阀是簧片阀。

10. 如技术方案8所述的螺线管泵，还包括管状的壳体，所述管状的壳体用于容纳所述电磁线圈并且包括用于所述入口和所述出口的开口。

11. 如技术方案8所述的螺线管泵，其中，所述活塞中的所述贯通通道限定了扩大直径的中心部分和减小直径的端部。

12. 如技术方案8所述的螺线管泵，其中，所述活塞包括第一磁性部分和第二非磁性部分。

13. 如技术方案8所述的螺线管泵，其中，所述活塞和所述压缩弹簧构成机械系统，并且所述电磁线圈以对应于所述机械系统的阻尼的自然振动频率的周期被供能和去能。

14. 一种高效率螺线管泵，以组合的方式包括：

壳体，

设置在所述壳体中并限定了中空内部的电磁线圈，

设置在所述活塞和所述泵主体之间的第二压缩弹簧，所述第二压缩弹簧沿与所述第一方向相反的第二方向偏置所述活塞，

其中，所述活塞和所述压缩弹簧构成机械系统，并且所述电磁线圈以对应于所述机械系统的阻尼的自然振动频率的频率被周期性地供能和去能。

15. 如技术方案14所述的高效率螺线管泵，其中，所述第一止回阀和所述第二止回阀是簧片阀。

16. 如技术方案14所述的高效率螺线管泵，其中，所述管状的壳体包括用于所述入口端口和所述出口端口的开口。

17. 如技术方案14所述的高效率螺线管泵，其中，所述活塞中的所述贯通通道包括扩大直接的区域。

18. 如技术方案14所述的高效率螺线管泵，其中，所述第一压缩弹簧比所述第二压缩弹簧更长。

19. 如技术方案14所述的高效率螺线管泵，其中，所述活塞包括第一磁性部分和第二非磁性部分。

20. 如技术方案14所述的高效率螺线管泵，其中，所述活塞由含铁材料制成。

其它方面、优点和应用领域将从本文提供的描述变得清楚。应该理解，说明书和具体实例仅是用于说明的目的，并且不限定本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明的目的，不意图以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据本发明的螺线管泵的完整截面图；以及

图2是作用在根据本发明的螺线管泵的活塞组件上的力的示意图。

具体实施方式

以下描述在本质上仅仅是示例性的，并且不意图限制本公开、应用或用途。

参考图1，根据本发明的螺线管泵被示出并且总体上用附图标记10标示。螺线管泵10包括大致管状或圆柱形、深冲压、通常金属的壳体12，其在一端由圆形盘或端板组件14所封闭，该圆形盘或端板组件14通过任何适当的紧固装置（诸如带螺纹的紧固件17）而适当固定到管状壳体12的端法兰16或类似的结构。端板组件14还包括管状的延伸部18。管状壳体12容纳被卷绕在绝缘线轴22上的电磁线圈20。在线轴22的每一端是圆形金属保持盘24，该保持盘24还用来集中电磁线圈20的磁通量。一个或多个电导线26穿过管状壳体12中的适当的绝缘馈通孔28并将电能提供到电磁线圈20。

泵组件30同心地设置在电磁线圈20的中空线轴22内，泵组件30包括流体密封的长形泵主体32。为了便于制造，泵主体32优选包括两个对准的部分。第一大致管状的长形部分34容纳在管状的延伸部18内，并且限定由内肩或表面38围绕的入口端口36以及由形成在圆形盘或端板组件14中的互补的凹槽或槽道42所接合的外肩或法兰40。第二管状部分44与第一管状部分34密封地且轴向地对准，该第二管状部分44限定了加压流体出口腔46和由相邻的圆形保持盘24接合的外肩或法兰48。出口壳体或部分52与第二管状部分44对准并密封，该出口壳体或部分52限定与流体出口腔46对准的出口端口54。

第一管状长形部分34和第二管状部分44限定长形、中空、流体密封的圆柱形泵送腔60。活塞组件62可滑动地设置在泵送腔60内。活塞组件62优选包括第一、含铁（即磁性）的柱塞或衔铁部分64。第一压缩弹簧70与柱塞或衔铁部分64的端部对准并且通过周向凹槽66保持在其上，该第一压缩弹簧70延伸到第一管状长形部分34的内肩或表面38。第一压缩弹簧70具有按照以下所述的设计约束而选择的弹簧比率。

柱塞或衔铁部分64还限定第一轴向喉部或通道72，其提供入口端口36和衔铁或柱塞部分64内的扩大的内轴向腔或通道74之间的流体连通。活塞组件62优选地还包括第二、非磁性主体或部件部分76，该部分76可以是金属或非金属的，轴向腔或通道74还延伸通过该部分76。然而，如果需要的话，活塞组件62可以是单件式的单一材料构件。

第二主体或部件部分76限定与通道74和第一轴向喉部或通道72对准的第二轴向喉部或通道78，该第二喉部或通道78终止于第一单向止回阀或簧片阀82并由该阀82选择性地关闭，该阀82自偏置到圆形肩或脊86上以关闭轴向通道74。或者，第一单向止回阀或簧片阀82可以是具有压缩弹簧的球形止回阀或提升阀（都没有示出）。围绕活塞组件62同心地设置的第二压缩弹簧90接合第一柱塞或衔铁部分64上的肩92，且将活塞组件62沿与第一压缩弹簧70提供的偏置相反的方向朝向入口端口36向图1中所示的右侧偏置。第二压缩弹簧90具有按照以下所述的设计约束而选择的弹簧比率。通常，尽管不是必须，第二压缩弹簧90将比第一压缩弹簧70短，且具有比第一压缩弹簧70更高的弹簧比率。

在泵送腔60和加压流体出口腔46之间的是第二单向止回阀或簧片阀94，该阀94自偏置到圆形肩或脊98上，以便选择性地关闭泵送腔60和加压流体出口腔46之间的流体连通。或者，第二单向止回阀或簧片阀94可以是具有压缩弹簧的球形止回阀或提升阀（都没有示出）。

现在参考图1和图2，为了获得本发明的益处，需要选择或考虑特定的物理参数和操作参数，诸如活塞组件62的质量、压缩弹簧70和90的弹簧比率、螺线管泵10的标称操作压力、以及电磁线圈20的激励频率，使得活塞组件62的阻尼的自然振动频率（共振频率）与电磁线圈20的激励频率相同或基本相同。

在图2中，指向左侧的箭头100表示由电磁线圈20施加到活塞组件62上的泵送力（F_sol），指向右侧的箭头102表示施加到活塞组件62上的阻尼力，也指向右侧的箭头104表示由液压流体施加在活塞组件上的力或阻力（F_hyd）。图2中示出的机械系统的总体运动方程为：

(1)

其中，项F_sol - F_hyd表示由活塞组件62产生的力减去泵送液压流体所用的或吸收的力。机械系统的自然振动频率（共振）由下式表示：

(2)

阻尼比率（因子）由下式表示：

(3)

其中，m是活塞组件62的质量，k是弹簧比率，c是阻尼系数。因此，机械系统的阻尼自然振动频率是：

(4)

一旦经验地或通过实验确定了机械系统的阻尼，则需要获得“k”，使得系统的阻尼的自然振动频率与电磁线圈20的激励频率匹配。例如，如果电磁线圈20以60Hz PWM来激励，则：

(5)

因此，

(6)

并且因此，

(7)

在螺线管泵10的设计中必须考虑的另一约束是由电磁线圈20在活塞组件62上产生的力必须足够高以克服第二压缩弹簧90的力并且产生螺线管泵10所要求的流体排量（输出），在此情况下，

(8)

螺线管泵10的操作是直接的。假定螺线管泵10被填充以诸如液压流体或变速器油之类的流体，当电磁线圈20被供能时，活塞组件62在第一压缩弹簧70的力的辅助以及第二压缩弹簧90的力的抵抗下向图1中的左侧平移，从而通过入口端口36吸入流体并使处于活塞组件62的左端的流体穿过第二提升阀或止回阀94并流出出口端口54。当电磁线圈20去能时，活塞组件62在第二压缩弹簧90的力的辅助以及第一压缩弹簧70的力的抵抗下向右侧平移。第一提升阀或止回阀82打开，并且流体从泵送腔60的右端流动通过轴向通道74，通过第一提升阀82，并且进入泵送腔60的左端。然后，随着电磁线圈20再次供能而重复所述泵送循环。

尽管电磁线圈20被周期性供能和去能的频率首先影响螺线管泵10所泵送的流体的体积和压力，但还有其他的后果和结果。例如，活塞组件62往复得越快，则螺线管泵10所产生的噪音越多。当活塞组件62的动量由于其线性速度而造成第一压缩弹簧70堆叠或变得坚实时，尤其是这种情况。另外，造成活塞组件62的机械系统和第一及第二压缩弹簧70和90以不同于它们的自然振动频率或谐振频率的频率操作或往复需要很大的额外能量。

因此，在本发明中，活塞组件62的质量以及施加到其上的第一和第二压缩弹簧70和90的力被选择为使得在标称的期望输出流量和压力下，活塞组件62的机械系统和压缩弹簧70和90以它们的阻尼的自然振动频率或谐振频率来操作或往复，如上所述。另外，这些变量被选择为使得在标称操作中，活塞组件62不到达压缩弹簧70和90的底部，即，活塞组件62的平移和往复使得其永远不造成压缩弹簧70和90堆叠或变得坚实。

因此，根据本发明的螺线管泵10的操作比传统螺线管泵更安静，因为活塞组件62不但被更慢地加速和减速，而且以符合其自然振动频率或谐振频率的方式被加速和减速。从而，该操作模式提供改善的能量效率，因为通过操作在其阻尼的自然振动频率，活塞组件62的往复节省能量。

本发明的描述在本质上仅仅是示例性的，并且不背离本发明的精神的变体属于本发明的范围内。这样的变体不应被认为是背离了本发明的精神和范围。

Claims

1.一种低噪音螺线管泵，以组合的方式包括：

限定了中空内部的电磁线圈，

2.如权利要求1所述的低噪音螺线管泵，其中，所述活塞和所述压缩弹簧构成机械系统，并且所述电磁线圈以所述机械系统的阻尼的自然振动频率被供能和去能。

3.一种螺线管泵，以组合的方式包括：

限定了中空内部的电磁线圈，

可操作地设置在所述泵送腔和所述出口之间的第二止回阀，

4.一种高效率螺线管泵，以组合的方式包括：

壳体，

设置在所述壳体中并限定了中空内部的电磁线圈，

5.如权利要求4所述的高效率螺线管泵，其中，所述第一止回阀和所述第二止回阀是簧片阀。

6.如权利要求4所述的高效率螺线管泵，其中，所述管状的壳体包括用于所述入口端口和所述出口端口的开口。

7.如权利要求4所述的高效率螺线管泵，其中，所述活塞中的所述贯通通道包括扩大直接的区域。

8.如权利要求4所述的高效率螺线管泵，其中，所述第一压缩弹簧比所述第二压缩弹簧更长。

9.如权利要求4所述的高效率螺线管泵，其中，所述活塞包括第一磁性部分和第二非磁性部分。

10.如权利要求4所述的高效率螺线管泵，其中，所述活塞由含铁材料制成。