CN103758779A - 汽车油泵 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种汽车油泵，利用涡轮的旋转，向泵壳体内吸入汽油并且使所述汽油增压，向所述泵壳体外排出增压了的汽油，其中，在所述涡轮的外周缘形成有37个叶片槽，叶片槽是通过以正弦分布规律法则为基础的圆整和微调，符合数学式
Figure 105263DEST_PATH_IMAGE001
，有目标地选择叶片非等距分布方式，避免了进行大量的实验或模拟计算即可较好地减小非等距叶片涡轮的压力脉动，并且较好地保证了涡轮的静平衡。

Description

汽车油泵
技术领域
  本发明涉及一种汽车油泵，特别是一种汽车油泵的涡轮的非等距叶片，用于降低汽车油箱内油泵产生的噪音。 
背景技术
汽车油箱内通常使用油泵将汽油从油箱内输送出来，油泵利用涡轮的旋转，从泵壳体的吸入口向泵壳体内吸入汽油，所吸入的汽油在泵壳体内流动的期间被增压，增压后的汽油从泵壳体的排出口向泵壳体外排出。由于排出口侧的汽油的压力高于吸入口侧的汽油的压力，所以需要防止汽油从排出口侧的流路朝向吸入口侧的流路流动。因此，在泵壳体上接近涡轮的外周缘地设有用于隔离排出口侧的汽油流路和吸入口侧的汽油流路的挡止壁。因此，在具有以恒定的节距角形成的涡轮的油泵中，在涡轮旋转时，叶片槽周期性地通过挡止壁。其结果，由于由涡轮的转速和叶片槽的节距角θ 决定的频率，从油泵产生大的声音。要说的是，所谓节距角θ，是指俯视涡轮时，分别连结涡轮的旋转中心和相邻的叶片槽的周向中心的2 条线段所成的角度。为了解决上述的问题，很多文献在开发降低从油泵产生的声音的技术，例如专利号201010526213.X 就是其中之一，所述专利中使用随机分布法则获得大量的数据，再经由大量的实验或模拟计算找出降低噪音的指标的范围，时间上耗费巨大，因此，还有再寻找更佳降低噪音方案的需要。 
发明内容
    本发明的目的是提供一种油泵涡轮的非等距叶片，所述非等距叶片的分布方法，是通过以正弦分布规律法则为基础的圆整和微调，有目标地选择叶片非等距分布方式。所述分布方法围绕一种较优的分布规律进行角度微调，避免了进行大量的实验或模拟计算即可较好地减小非等距叶片涡轮的压力脉动，并且较好地保证了涡轮的静平衡。所述分布方法相比一般的随机分布法则更适用于最佳非等距叶片分布规律的获得，有利于多叶片油泵涡轮的降噪。 
为实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案： 
一种汽车油泵，其特征在于，利用涡轮的旋转，向泵壳体内吸入汽油并且使所述汽油增压，向所述泵壳体外排出增压了的汽油，其中，在所述涡轮的外周缘形成有37个叶片槽，设俯视所述涡轮时连结所述涡轮的旋转中心和第i 个所述叶片槽的周向中心的线段与连结上述涡轮的旋转中心和第i＋1 个所述叶片槽的周向中心的线段所成的角度为节距角θi，相邻的节距角θi 不均等，并且在各节距角θi 中存在 
Figure 804641DEST_PATH_IMAGE001
个角度相等的其他的节距角，
满足 
Figure 519788DEST_PATH_IMAGE002
度、
Figure 875814DEST_PATH_IMAGE003
  
其中，
数学式一   
Figure 43621DEST_PATH_IMAGE004
数学式二   
Figure 776085DEST_PATH_IMAGE005
数学式三   
数学式四      。
本发明的设计理念是一种基于正弦分布规律的多叶片涡轮的非等距叶片夹角分布方法，以正弦分布规律法则
Figure 787488DEST_PATH_IMAGE004
为基础确定叶片夹角，由此初步确定叶片夹角的不等距分布规律，为解决了由于叶片数增多导致正弦分布求出的夹角数值过多的缺陷；在初步确定叶片夹角分布规律的基础上对夹角进行圆整，以夹角总和为
Figure 58064DEST_PATH_IMAGE002
°条件进一步确定相邻叶片角及其在圆周上对应的数量，再以控制叶片静平衡量
Figure 482223DEST_PATH_IMAGE003
为目标对叶片夹角在圆周上的分布规律进行微调； 
上式中:    m表示每个叶片质量，
       
Figure 445631DEST_PATH_IMAGE008
表示第i个叶片在X轴上的分量;
       表示第i个叶片在Y轴上的分量；
在得到满足上述要求的多种非等距叶片夹角分布规律的基础上，最后通过CAE(Computer Aided Engineering，即计算机辅助工程)的方法分析叶片的效率和压力脉动，最终找到满意的组合，这种方法更加适用于多叶片的油泵。
由于采用了以上的技术特征，使得本发明相比于现有技术，具有如下的优点和积极效果： 
第一、本发明分布方法围绕一种较优的分布规律进行角度微调，避免了进行大量的实验或模拟计算，即可较好地减小非等距叶片涡轮的压力脉动，并且较好地保证了涡轮的静平衡。
    当然，实施本发明内容的任何一个具体实施例，并不一定同时具有以上全部的技术效果。 
附图说明
图1是油泵的部分剖开图； 
图2是叶轮齿形图;
图3是涡轮CAE旋涡结果分布；
图4是图三的部分放大图；
图5是非等距涡轮分布图；
图6是等距角与非等距角图解说明;
图7是CAE之速度场的涡轮周围均匀压力分布图；
图8是图七的部分放大图；
图9是出口压力脉动图；
图10是出口流量脉动图；
图11是压力脉动频谱分析-1；
图12是压力脉动频谱分析-2。
具体实施方式
本发明的设计原理是：汽车油泵使用的涡轮的非等距叶片分布方法，是通过以正弦分布规律法则为基础的圆整和微调，有目标地选择叶片非等距分布方式。所述方法围绕一种较优的分布规律进行角度微调，避免了进行大量的实验或模拟计算即可较好减地小非等距叶片涡轮的压力脉动，并且较好地保证了涡轮的静平衡。所述方法相比一般的随机分布法则更适用于最佳不等距叶片分布规律的获得，有利于多叶片泵涡轮的降噪。 
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件等。 
如图1所示, 一种汽车油泵，利用涡轮50的旋转，向泵壳体60内吸入汽油并且使所述汽油增压，向所述泵壳体60外排出增压了的汽油，其中，如图5所示,在所述涡轮50的外周缘形成有37个叶片槽，设俯视所述涡轮时连结所述涡轮的旋转中心和第i 个所述叶片槽的周向中心的线段与连结上述涡轮的旋转中心和第i＋1 个所述叶片槽的周向中心的线段所成的角度为节距角θi，相邻的节距角θi 不均等，并且在各节距角θi 中存在
Figure 396718DEST_PATH_IMAGE010
个角度相等的其他的节距角，满足 
Figure 940962DEST_PATH_IMAGE002
度。 
涡轮泵是采用旋涡增压的原理，将液体增压，通过压力将液体泵出，但液体产生旋涡后，旋涡的方向是涡轮的径向，因此效率都会较低，其特性是转速一定的情况下压力大时效率高；轴流泵刚好相反，叶轮的设计刚好是为适用旋涡的扭转角，直接产生旋涡而将液体泵出，其旋涡的方向是叶轮的轴向，因此效率较高，但是其特性也刚好与涡轮泵相反，转速一定的情况下压力大时效率低，本申请的油泵的外型决定了其流体的方向为油泵的轴向,同时又要满足汽车在高压力情况下运行的要求，因此必须同时兼顾其轴流泵与涡轮泵两种方式的优点。 
轴流泵与涡轮泵的工作方式是， 
轴流泵直接产生旋涡泵油,如受到压力的反作用力,叶轮产生的涡受到阻力,液体将很难泵出,而将能量消耗在叶轮与液体的磨擦中,泵体发热,噪声等都会出来；而涡轮泵利用压力泵油,在压力建立与施放的过程中会产生大量的叶频压力脉动,流程大至为:  在径向先建立涡旋,再通过涡旋建立压力,再通过压力将液体轴向泵出。
     本发明综合上述轴流泵和涡轮泵的优点,将涡轮在设计时，如图2所示,∠2向∠1的变化其所对应到圆心的夹角β永恒不变, 
其关系满足:  ∠2/R2=∠1/R1 ；在径向方向，直径由R2向R1发生由小到大的娈化,与之对应的∠2向∠1发生轴向方向由小到大的变化,因此齿面在轴向发生了扭转.由此设计不仅能让涡轮产生径向旋涡,同时又让涡轮产生了轴向抛力,如图3和图4所示，通过CAE流体分析获得涡轮人字形面上纯8字形涡矢量图,因此有效兼顾了高效率。
    本发明的另一特点就是,克服泵体的噪声与液体压力脉动，如图5所示，对叶片的分布采用了非等距方式排列,并且通过CAE的方法,得到最合适的一种降脉动,减噪声的排列方法。举例说明对于具有37片叶片的旋涡泵涡轮的非等距分布的设计方法，该旋涡泵具有37个叶片槽，依照顺时针或逆时针的顺序编号为a1 - a37 。 
根据正弦分布规律法则      
式中：A为调制振幅；
i是调制的循环次数；
Figure 495846DEST_PATH_IMAGE011
是等节距第i个叶片应安装的位置；
Figure 311486DEST_PATH_IMAGE012
是不等节距第i个叶片应安装的位置，如图6所示；
进行了不等距叶片的初步分布。根据正弦分布规律法则得到的叶片非等距分布能够在保证静平衡精度以及油泵效率变化不大的前提下降噪。
A和i共同决定了不等距叶片夹角的变化范围，由于均匀分布下叶片夹角约为9.3°，将非等距叶片夹角的最大值与最小值与平均值差值定在1-2°内，因此取A=1.1，调整i获得较理想的变化范围，取n=8，获得叶片夹角在8.4至11.1°变化，如表1所示，严格按照正弦分布规律法则计算出的夹角满足总和为360°的要求，且x，y方向静平衡值较小，然加工无法达到计算精度，且该公式多用于风机等叶片数较少的情况，当叶片数量增多，此时角度分配不能满足恰好i次的循环次数，且存在很多相近却不相同的夹角数值，因此在正弦分布的基础上，对角度变化进行了调整，选取角度变化范围 
8.4° -  11.1°中从大到小或从小到大的4至8个角度，分别为
Figure 772554DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 812186DEST_PATH_IMAGE014
…
Figure 929177DEST_PATH_IMAGE015
…
Figure 345246DEST_PATH_IMAGE016
，分别对应的数量为N1，N2…Ni…Nn，其中，
Figure 944123DEST_PATH_IMAGE006
，并保证相邻大小的节距角差值满足公式 
（此处相邻指的是大小相邻的角度数值，而不是指圆周上位置相邻的角度数值，因此圆周上分布各个节距角时不须服从该公式），每个角度均取一位小数。以总和满足360°对夹角取值和个数进行筛选，即
Figure 502591DEST_PATH_IMAGE018
  度取其中一组结果如表2所示，将表1与表2的数据进行比对，按照表2的角度数值与每个数值的数量，按从小到大或从大到小的顺序依次将表1与某角度接近的数值调整为该角度。
表1 完全按照正弦分布规律的叶片分布（保留一位小数） 
Figure 875935DEST_PATH_IMAGE019
表2 叶片夹角数值与数量的确定
角度（°） 8.4 9.0 9.5 10.1 10.6 11.1
数量 8 5 6 6 6 6
将角度初步调整后，按下列公式式对静不平衡量进行校核，
  
上式中:    m表示每个叶片质量，
           
Figure 348953DEST_PATH_IMAGE020
 表示第i个叶片在X轴上的分量，
Figure 106824DEST_PATH_IMAGE021
表示第i个叶片在Y轴上的分量；
分别使X、Y方向的静不平衡量小于0.05m。若不满足，则从顶部或底部开始，依次调换相邻两个夹角的顺序，使静不平衡量减小（若调整后静不平衡力增大，则该部分不做调整），直到静不平衡量满足要求为止。
由所述方法得到的非等距叶片分布能够较好的在效率变化不大的前提下使噪声峰值降低。最终得到的方案不止一种，最满足工况的组合可通过CAE计算进一步获得，如表3所示。 
表3非等距分布流程（假定叶片数为37） 
Figure DEST_PATH_GDA0000472251870000081
本发明对几种叶片分布方式进行CAE分析，将计算得到的压力脉动、效率等相关参数进行比对，根据计算结果，如图7和图8所示的速度场中速度分布较为均匀，对讨论模型通过CAE方法计算油泵内油液流动的脉动规律，CAE分析总共计算370个时间步过程，每个时间步涡轮旋转2°，以设计的37-3编号的叶片排列模型为例，为对该模型对应出口压力及流量情况进行数据采集检测，取后180个时间步（即一周）计算的出口压力及流量进行分析，图9为出口压力随时间变化的情况，其纵坐标为每个时间步下监测的出口压力与 180个时间步出口压力平均值之差，如数学式五所示，横坐标为涡轮运作时间，图10为出口流量随时间变化情况，其纵坐标为每个时间步下监测的出口流量与180个时间步出口流量平均值之差，如数学式六所示，横坐标为涡轮运作时间。将图9得到的出口压力脉动结果进行快速傅里叶变化（FFT）分析后，图11和图12为压力脉动频谱分析图，图11的横坐标代表所讨论的频率范围，纵坐标代表各个频率值所对应的幅值，图12的横坐标代表所讨论的频率范围，纵坐标代表各个频率值作对应的dB值，根据图11及图12的结果就能得到该模型在哪个频率下的幅值及dB值的最大，并可得到该模型有流体产生的脉动主要存在的频率，同样，对各组叶片分布模型进行同样计算及分析，根据计算分析结果，认定，通过上述方式获得的涡轮叶片分布方式最适合与适用于汽车油泵的。 
数学式五 
Figure 904588DEST_PATH_IMAGE023
数学式六 
Figure 280206DEST_PATH_IMAGE024
   式中，为图9的第i个时间步的纵坐标值，为出口压力第i个时间步通过CAE监测到的出口压力值，
Figure 912940DEST_PATH_IMAGE027
为所监测的后180个时间步出口压力值的平均值；
Figure 588903DEST_PATH_IMAGE028
为图10的第i个时间步的纵坐标值，
Figure 688578DEST_PATH_IMAGE029
为出口压力第i个时间步通过CAE监测到的出口流量值，
Figure 891020DEST_PATH_IMAGE030
为所监测的后180个时间步出口流量值的平均值；
通过CAE反复N次的分析,对压力脉动,效率等相关参数的比对,认定，如图7和图8所示速度场里压力分布较为均匀； 如图9出口压力脉动图及图10出口流量脉动图所示，模型设置时间步长为2°，总共计算370步，以后180步（一周）的计算结果进行快速傅里叶变化分析，压力脉动经傅里叶变化后，如图11和图12压力脉动频谱分析所示，通过上述方式获得的涡轮方式是最适合与适用于汽车油泵的。
综上所述，由于采用了以上的技术特征，使得本发明相比于现有技术具有如下的优点和积极效果： 
第一，本发明分布方法围绕一种较优的分布规律进行角度微调，避免了进行大量的实验或模拟计算，即可较好地减小非等距叶片涡轮的压力脉动，并且较好地保证了涡轮的静平衡。
发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。以上公开的仅仅是本发明的较佳实施例，但并非用来限制其本身，任何熟习本领域的技术人员在不违背本发明精神内涵的情况下，所做的均等变化和更动，均应落在本发明的保护范围内。 
  

Claims (1)

1.一种汽车油泵，其特征在于，利用涡轮的旋转，向泵壳体内吸入汽油并且使所述汽油增压，向所述泵壳体外排出增压了的汽油，其中，在所述涡轮的外周缘形成有37个叶片槽，设俯视所述涡轮时连结所述涡轮的旋转中心和第i 个所述叶片槽的周向中心的线段与连结上述涡轮的旋转中心和第i＋1 个所述叶片槽的周向中心的线段所成的角度为节距角θi，相邻的节距角θi 不均等，并且在各节距角θi 中存在                                                
Figure 412248DEST_PATH_IMAGE001
个角度相等的其他的节距角，
满足 度、
Figure 275610DEST_PATH_IMAGE003
  
其中，
数学式一  
Figure 332559DEST_PATH_IMAGE004
 ；
数学式二  
Figure 600860DEST_PATH_IMAGE005
 ；
数学式三  
Figure 376050DEST_PATH_IMAGE006
  ；
数学式四     。
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