CN111556928B - 流动优化叶片泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于输送液体(尤其是粘稠的油)叶片泵，包括：转子(2)，其具有其中容纳可滑动叶片(3)的滑动槽(23)并且可相对于转子半径(r)缩进；泵壳体(1)，其具有容纳转子(2)的泵室(10)；及入口(5)和出口(6)，所述入口(5)和出口(6)至少朝向转子(2)的端侧开放而进入泵室(10)；其中围绕转子(2)的圆周，朝向滑动槽(23)突出的径向抬升部(21)形成达到可缩进叶片(3)的任一侧的转子半径(r)，并且在径向抬升部(21)、径向凹部(20)相对于转子半径(r)发生凹陷。在径向抬升部(21)内，在入口(5)和出口(6)向其开放的转子(2)的至少一个端侧，形成有凹部(4)，该凹部(4)提供用于减小叶片室中的压力峰值的旋转伺服控制几何形状。

Description

流动优化叶片泵

技术领域

本发明涉及一种流动优化叶片泵，其具有减小的叶片室中的压力脉动。

背景技术

与离心泵相反，旋转式容积泵(如叶片泵)原则上发生压力脉动，其是在泵轴的一次旋转期间从进料和排料循环的顺序中产生。该脉动与泵的初始压力与在正在从入口被输送进入叶片室和从叶片室中被输送到出口的流动的负载变化期间和流动特性有关，并且也与同时闭合的叶片的内部压力有关。一般来说，在液压系统的密闭空间或回路中的脉动压力导致一些问题，诸如密封点的耐久性下降或者产生带可感知共振的噪声。

现有技术公开了具有旨在减小脉动的不同特定几何形状的叶片泵。例如，DE112015 000504 T5中描述了一种使用于车辆动力转向机构的叶片泵。泵室占据具有两个径向抬升部的内轮廓。入口和出口布置在相对于转子和可滑动安装的阻挡叶片的端侧位置。用作控制板的侧板在与旋转方向相反方向上朝向转子2转动的端侧上具有缺口，这允许相对于出口的较早的、逐渐增大的开口截面。

因此，所述文件描述了被并入泵固定控制板上的静态伺服控制几何形状的实施例。这种泵几何形状改变导致在在各工作行程中进料与排料之间叶片室的开放转变，会以不利的方式影响泵的容积效率。

现有技术中所提到的措施旨在避免泵出口中的波动，并且用于优化地提供尽可能恒定的来自叶片泵的输送压力，正如例如对于线性(即非旋转)液压执行器的精确激活而言是理想的。

发明内容

本发明的目的是提供一种泵几何形状的替代优化，这也使在叶片泵的叶片室内部的脉动减少。

该目的是由具有权利要求1的特征的叶片泵而达成。

该用于输送液体(尤其是粘稠油)的叶片泵包括：转子，其具有将可滑动叶片容纳于其中并且叶片可相对于转子半径而缩进的滑动槽；泵壳体，其具有包围转子的泵室，该泵室的内轮廓包括与转子半径偏心并且/或者具有至少在转子的旋转方向上相对于转子半径的径向抬升部的中空圆柱体；使得分别占据在两个相邻叶片之间的泵室旋转部分容积的叶片经历基于泵室径向内轮廓的容积增大和容积减小；及在容积增大的旋转角范围内的入口、和在容积减小的旋转角范围内的出口，入口和出口至少朝向转子的端侧开放进入泵室；

其中在转子的外周上，朝向滑动槽突出的多个径向抬升部在可缩进叶片任一侧形成转子半径，并且在径向抬升部之间，径向凹部相对于转子半径凹进。

该叶片泵具体地其特征在于：在入口和出口朝向其开放的转子的至少一个端侧，径向抬升部内形成有凹部。

根据本发明，首次在了叶片泵中应用了动态伺服控制几何形状，该几何形状是通过在叶片泵转子处修改旋转控制板而实现，如在如下文中的说明。

在转子径向抬升部的端侧上的凹部，在出口开口与入口开口之间的旋转角范围内(其中旋转叶片以密闭的方式移动经过泵室)，形成时间延长的、最初通到出口开口随后通到入口开口的叶片室的空间的较大联通截面。因此，完全密闭的容积排量(即具体地密闭的容积变化)被缩短或被省略，由此有效地减少在旋转叶片室中短期高压峰值的产生。

即使基于位于入口与出口之间的叶片室的尺寸来选择入口与出口之间的距离从而使叶片室的密闭容积排量或容积变化的有效距离最小化，在经过转子中的端侧的叶片室的容积闭合和容积开放的任选地同时发生的时间点，仍然存在限制叶片室内的压力增加的小截面。

同时，基于介质的指定粘度和凹部的尺寸，在凹部的小截面处获得充分的密封效果，从而防止在穿越叶片室期间入口与出口之间的液压短路并且抑制容积效率的下降。

根据本发明的叶片泵的有利改进方案是从属权利要求的主题。

根据本发明的一个方面，凹部在径向方向上包括至少两个相邻的径向部分，这两个径向部分在相对于转子端侧表面的凹部深度上相互不同。因此，能够在凹部中形成不同的功能或流动有效区域，尤其是在叶片室与入口和出口开口的密封距离方面。

根据本发明的一个方面，在转子径向方向上更向内定位的凹部的径向部包括较大的深度，并且在转子径向方向上更向外定位的凹部的相邻径向部包括较小的深度。如将在后面进行的说明，有较大深度的部分可以具有限压均衡通道的功能，并且有较小深度的部分可以具有确定压力均衡的下阈值的流动阻力功能。

根据本发明的一个方面，沿转子的圆周方向，凹部或凹部的径向部的轮廓可以是恒定的。因此，端侧凹部的流动有效功能的状况相对于转子的旋转角是中性的。

根据本发明的一个方面，凹部或凹部的径向部可以形成具有矩形、V形或U形轮廓的凹槽。在凹部的旋转对称构造中的这种轮廓有助于简化转子的制造，例如通过在旋转工件上机械加工出凹部。在利用烧结工艺而制造的情况下，所述截面轮廓凹部确保没有底切的模具可以与转子的未机械加工部件轮廓分离。然而，具体地，通过选择凹部的所述截面轮廓，可以以几何方式影响流动特性并因此适应于例如介质的粘度。

根据本发明的一个方面，进入泵室的入口的嘴部与出口的嘴部之间的距离大体上相当于两个叶片之间的距离。因此，使叶片室的密闭空间行进的距离最小化，并且使叶片室的有效工作距离最大化。结果，使密闭容积变化的持续时间最小化，因此空间闭合的时间点与容积开放大体上相互一致。在这种入口和出口的嘴部的布置中，在大体上同时发生的容积闭合和容积开放的期间，利用根据本发明的凹部的额外压力均衡效果可以抑制压力峰值。

根据本发明的一个方面，用于产生用于液压执行器或驱动器的恒压的液压泵可以包括根据本发明的叶片泵。如上面的说明，凹部实现叶片室中压力脉动的减小，该压力脉动减小自身是结合黏度高于水的介质(例如液压油)而发生，并且实现闭合回路(例如液压系统)中的消声。

根据本发明的一个方面，这种用于产生恒压的液压泵可以具有容积可变泵几何形状，其中利用执行器可设定在转子半径与偏心中空圆柱体或泵室的径向抬升部的内轮廓之间的距离。在各种类型的变量泵中，叶片室内部的脉动压力对使用寿命具有不利影响，因为压力脉动可以经由可调泵室壁被直接地传递至执行器以便进行泵的容积调整。因此，在泵运行期间脉动施加对抗驱动力的恒定振动载荷，使得可调泵几何形状的轴承和执行器自身经历振动。因为相应的运动学受到严格的密封方面的要求，并且利用振动本身与刚性几何形状相比更快速地闭合，所以容积可调叶片泵在特定的程度上得益于用于减小叶片室内压力脉动的创造性改进。

根据本发明的一个方面，可以将这种液压泵用作车辆液压助力转向系统中的驱动源。

附图说明

在下文中将通过例示性实施例并参照附图对本发明进行说明，在附图中：

图1示出了根据本发明第一实施例的容积可调叶片泵的开放平面视图；

图2示出了根据本发明第一实施例的具有凹部的转子的透视图；

图3示出了根据本发明第二实施例的具有端侧凹部的转子的透视图；

图4示出了在出口与入口之间的叶片室的容积密闭期间泵室中归一化压力进程的模拟的虚拟视图；

图5示出了导致根据图6的压力进程的归一化流量进程的模拟的虚拟视图；

图6示出了基于根据本发明的叶片泵及常规叶片泵的转子的旋转角的归一化初始泵压的曲线图。

具体实施方式

在下文中将参照图1至图3来描述根据本发明的叶片泵的结构。

图1示出了从其中已将泵盖移除的容积可调叶片泵的开放泵壳体1的视图。为了能够独立于泵的旋转速度来设定输送的容积流量，该泵具有利用两个壳体部之间的位移进行调整的可变泵几何形状。

外壳部1a构成泵壳体1的主要部分，并且容纳入口5、出口6及具有在其中的回位弹簧70的执行器7。此外，转子2以可旋转的方式被安装于外壳部1a中，因此转子2和外壳部1a相对于可变泵几何形状的调整运动而限定固定部件。包括泵室10的提升环1b和与其同轴布置的导向环13一起以可位移的方式作为内壳部被容纳于外壳部1a中，因此形成与可变泵几何形状的调整运动有关的可移动部件。

提升环1b以中空圆柱体的形式形成泵室10的室壁。圆柱形泵室10的内轮廓12相对于转子2偏心地延伸，其中偏心度的大小或者泵室10的中心点及转子2的中心点的距离是基于提升环1b相对于外壳体部1a的线性位移而设定。该调整运动是通过驱动执行器7而执行，该执行器7(未进一步说明)产生沿调整路径驱动力并这样使回位弹簧70预紧以便进行可逆驱动运动。

导向环13被布置在相对于转子2的轴向端的两侧上并且相对于泵室10的内轮廓12同心地被布置。导向环13固定地连接到提升环1b，因此在调整路径的任意位置它始终具有与泵室10相对于转子2相同的偏心率。在未图示的转子2的相反轴向侧也同样布置有导向环13。。

转子2具有滑动槽23，其中径向取向的阻挡叶片3以可位移安装的方式被容纳。阻挡叶片3的径向延伸与导向环13与泵室10的内轮廓12之间的距离相对应，因此阻挡叶片3的内端在导向环13上滑动，并且阻挡叶片3的外端在泵室10的内轮廓12中滑动同时利用旋转的转子2在圆形路径上引导阻挡叶片3经过泵室10。此外，因为导向环13和内轮廓12相对于转子2不同心地延伸，所以阻挡叶片3也在径向方向上滑入并滑出滑动槽23。阻挡叶片3相对于转子半径r可完全地缩进滑动槽23中。

如果提升环1b与导向环13一起相对于转子2被位移到最大偏心度由此内轮廓12几乎与转子2的转子半径r接触，则获得由泵输送的最大流量。在这种位置，在泵室10中转子旋转180°期间，实现在阻挡叶片3之间的叶片室的最大容积变化。与此相反，如果沿调整路径采取这样的位置，使得在此位置大体上不再有任何偏心度，即转子2的中心点与导向环13的中心点同心地布置并因此叶片室在泵室10内部的旋转不经历任何容积变化，则获得由泵输送的最小流量。

在图1的上部区域，在各种情况下，在转子2的两个轴向端部，构成进入泵室10的出口6的嘴部的月牙形凹陷在泵室10的端侧室壁中延伸。大体上与其轴向地对称，在图1的下部区中，在各种情况下，构成进入泵室10的入口5的嘴部的月牙形凹陷同样地在转子2的两个轴向端部延伸。结合转子2的标示逆时针旋转方向，叶片室的容积在上旋转角范围内减小并且在下旋转角范围内增加，由此在转叶片室与出口6或入口5之间实现位移和进料程序。

在出口6的月牙形口的开口轮廓的端部与入口5的月牙形口的开口轮廓的端部之间有相对于旋转方向的距离c。在距离c的旋转距离内，前侧室壁与阻挡叶片3和转子2的端表面22滑动接触的。

此外，转子2在圆周上具有径向抬升部21，该抬升部21朝向滑动槽23成锥形并且在滑动槽23处限定转子2的转子半径r。在多个径向抬升部21之间，径向凹部20凹陷在转子半径r内并且形成余隙容积，该余隙容积有助于流动特性及有助于封闭叶片室中在转子半径r外的有效工作容积。

如果转子2旋转并且将阻挡叶片3之间的叶片室以旋转的方式引导经过泵室10，则叶片室的容积在入口5的月牙形口的旋转角范围内增大，因此只要在叶片室与入口5之间存在连通，正在输送的介质或液压油则被吸入泵室10中。在随后出口6的月牙形口的旋转角范围内，叶片室的容积减小，因此只要在叶片室与出口6之间存在连通则将液压油排出或推出。在位于出口6的嘴部与入口5的嘴部之间的距离c的旋转角中，叶片室的容积被封闭，因为在此期间没有与入口5或出口6的连通。

如果叶片室的前导阻挡叶片3经过了距离c并且此叶片室的在后阻挡叶片3朝向出口6的月牙形口的开口轮廓的端部移动，那么相应的径向抬升部21的周向斜面最初在泵室10的端侧室壁中到达在出口6的月牙形口的开口轮廓的端部的边缘。在此时间点，如果泵室的设定位置相对于转子半径r位于调整路径上的端位置，那么连接截面(经过其将减小容积的在后阻挡叶片3上游位置的叶片室的容积从泵室10中推到出口6)被大幅地减小或者已经大体上闭合。随后，阻挡叶片3超过出口6的月牙形口的开口轮廓的端部并且完全地闭合叶片室与出口6之间的连通。此后不久或大体上与此同时，前导阻挡叶片3在泵室10的端侧室壁入口5的月牙形口的开口轮廓的开始处超过边缘并且然后叶片室的密闭空间相对于入口5而开放。叶片室的容积的短期密闭确保在入口5和出口6的月牙形的嘴部之间的恒定阻隔，从而排除入口5与出口6之间的液压短路。

图2示出了根据本发明第一实施例的凹部4。该凹部4在转子2的端侧上在径向抬升部21的径向突出截面上方延伸，其开始于径向凹部20。凹部4被再分为径向外段40和径向内段41，它们就凹部4的不同深度而言相互不同。在凹部4的内部41和外部40两者的端侧表面相对于转子2的进一步径向地向内定位的端表面22发生凹陷。

如果阻挡叶片3朝向在出口6的月牙形口的开口轮廓的端部的边缘移动，其中阻挡叶片被插入或缩进到滑动槽23中并且径向抬升部21的上游周向斜面已经超过在开口轮廓端部的边缘，大体上没有开口截面供被输送介质或者液压油在进一步的积减小期间逸出，仍然停留在转子2的圆周。然而，由于凹部4的凹面朝向泵室10的室壁，在端侧上仍留有小的开口截面，由此液压油能够在以后的阶段，在前导阻挡叶片3超过出口6的月牙形口的开口轮廓的边缘并最终使叶片室与出口6之间的连通断开之前，逸出。因此，在即将发生叶片室的容积密闭前，在转子2端表面中的凹部4允许的延迟均衡流量，这限制或减小了叶片室中的压力增加。

在凹部4中，具有较大深度的内部41承担从径向凹部20的余隙容积中提供液压油的通道功能。具有较小深度的外部40通过在径向排出方向上减小流动截面的尺寸而产生规定的流动阻力。因此，基于外部40的深度和凹部4的几何形状能够选择流动阻力，以防止潜在的泄漏流，由于为尽可能短的距离c及入口5与出口6之间的压力差会导致发生短时间经过叶片室的泄漏流。

图3示出了根据本发明第二实施例的凹部4。第二实施例与第一实施例的不同之处在于凹部4的内部42。不同于第一实施例的凹部4的内部41的矩形或U形轮廓的，第二实施例的凹部4的内部42具有V形轮廓。因此，第二实施例的凹部4在内部42与外部40之间形成较平坦的梯度，因此形成较大的流动阻力。根据第一实施例或第二实施例的凹部4的梯度和深度可以以合适的方式进行选择，例如基于待输送的指定介质或液压油的粘度。

图4示出了参考不同指定区域的、作为泵运行虚拟模拟的结果的、泵室10中叶片室的压力进程。

在图4中的左图，模拟了没有凹部4的泵几何形状。相对于在其上面描绘的开口轮廓、入口5和出口6的月牙形的嘴部，叶片室的图示容积与转子2的相同旋转角位置相对应，如图1和图2中所示。从该模拟中可见，有压力峰值经过在底部左侧位置的叶片室，行进达入口5的嘴部与出口6的嘴部的距离，同时叶片室的空间闭合。如果叶片室进一步在逆时针方向上移动，那么它进入入口5的旋转角范围，其中负压在叶片室中占优势地位直到容积的增大结束于在与压力峰值区域相反的位置。随后，由于容积减少，在即将发生在所描述的压力峰值中的容积密闭之前，压力增加在叶片室中开始。

在图4的右图，模拟示出了根据本发明的泵几何形状，其在转子2的径向抬升部21的端侧具有凹部4。如可以在泵室10的透视图的腔室中所见，叶片室的容积填满端侧上阻挡叶片3两侧的凹部4的自由空间。在随着时间推移转子旋转的进程期间，所填补的自由空间，连同开入口5和出口6的月牙形口的开口轮廓，代表了用于均衡流量的开口截面的延伸部。如在该图示中所示，对右侧所示的带凹部4的泵几何形状的虚拟模拟，结果是压力峰值大幅降低至大体上与先前已经过的位移阶段相当的水平，并且其中存在通到出口6的嘴部的完全开口。

图5示出了在即将容积密闭前来自叶片室的压力均衡流量的分布，其中旋转角位置再次与图1和图4的相对应。图示的矢量箭头的尺寸和长度与每单位面积流动截面的流率或容积流量相对应。

在与没有凹部4的泵几何形状有关的左图中，出现在出口6的嘴部的开口轮廓的边缘处的在视图中心的矢量箭头远大于在视图上部区的矢量箭头，该矢量箭头代表在随后的叶片室清除阶段的流量。此高流量是由小开口截面所导致，该小开口截面存留在径向抬升部21与出口6的嘴部的开口轮廓的重叠处。

与此相反，带凹部4的泵几何形状的右图说明了在径向抬升部21已经部分地经过出口6的嘴部的开口轮廓之后在叶片室与出口6之间的较大剩余开口截面。指向上方的矢量箭头表明在临界范围中的流率仍然大于在随后叶片室位移阶段中的流率。然而，在对左图与右图进行比较时，可以讲利用凹部4实现了流率增加的降低。

图6示出了基于转子2的旋转角的泵的输出侧输送压力的曲线图。虚线表示没有凹部4的泵几何形状的压力进程，实线表示根据本发明的具有凹部4的泵几何形状的压力进程。已用图4和图5说明的压力进程和所得到的流率分布传播至泵的出口6，因此产生泵输出侧输送压力中的波动。与被归一化为平均值的相比并且如图6中所示的为1.00[-]的输送压力相比，在常规转子2的情况下每次经过叶片室都发生具有0.23[-]的差值的压力脉动，而利用带凹部4的的本发明泵几何形状将压力脉动减小至具有0.19[-]的差值的压力脉动。

除了图示和描述的实施例外，用于本发明的叶片泵同样地可以具有不同的泵壳体1。例如，泵壳体1可以用不同的运动学来调节容积，其中采用在泵室10的内轮廓与转子2之间的枢转运动而不是从其他类型变量泵中已知的线性位移。此外，泵室10可以具有代替偏心空圆柱体的內轮廓的内轮廓12。例如，泵室10的内轮廓12可以具有至少一个凸轮形状的、相对于转子半径r的抬升部。

Claims (10)

1.一种用于输送液体的叶片泵，包括：

转子(2)，其具有其中容纳可滑动叶片(3)的滑动槽(23)，并且所述可滑动叶片(3)能相对于转子半径(r)回缩；

泵壳体(1)，其具有包围所述转子(2)的泵室(10)，其内轮廓(12)包括中空圆柱体，该中空圆柱体与所述转子半径(r)偏心或者具有至少在所述转子(2)的旋转方向上相对于转子半径(r)的径向抬升部；从而使得

分别占据位于在两个相邻叶片(3)之间的所述泵室(10)的旋转局部容积的叶片室(30)经历作为所述泵室(10)的径向内轮廓(12)的函数的容积增大和容积减小；和

在所述容积增加的旋转角范围内的入口(5)、和在所述容积减小的旋转角范围内的出口(6)，所述入口(5)和所述出口(6)至少朝向所述转子(2)的端侧开放进入所述泵室(10)；其中

在所述转子(2)的圆周上，朝向所述滑动槽(23)突出的径向抬升部(21)形成转子半径(r)于所述可滑动叶片(3)的任一侧，并且在所述径向抬升部(21)之间，径向凹部(20)相对于转子半径(r)发生凹陷；

其特征在于：

在所述入口(5)和所述出口(6)向其开放的所述转子(2)的至少一个端侧，在所述径向抬升部(21)内形成有凹部(4)。

2.根据权利要求1所述的叶片泵，其中

所述凹部(4)包括在所述转子(2)的径向方向上的至少两个相邻的径向部分(41、42)，所述径向部分(41、42)在相对于所述转子(2)的所述端侧的表面的所述凹部的深度(d)方面相互不同。

3.根据权利要求1或2所述的叶片泵，其中

所述凹部(4)在所述转子(2)的径向上更靠里定位的径向部分(41)包括较大的深度(d1)，并且所述凹部(4)在转子(2)的径向上更靠外定位的相邻径向部分(42)包括较小的深度(d2)。

4.根据权 利要求1或2所述的叶片泵，其中

沿所述转子(2)的圆周方向，所述凹部(4)或所述凹部(4)的径向部分(41、42)的轮廓是恒定的。

5.根据权利要求1或2所述的叶片泵，其中所述凹部(4)或所述凹部(4)的径向部分(41、42)形成具有矩形、V形或U形轮廓的凹槽。

6.根据权利要求1或2所述的叶片泵，其中在进入所述泵室(10)的所述入口(5)的嘴部与所述出口(6)的嘴部之间的距离(c)大体上相当于两个叶片(3)之间的距离。

7.根据权利要求1所述的叶片泵，其中所述液体是粘稠油。

8.一种用于为液压执行器或驱动器产生恒压的液压泵，其包括根据权利要求1至7中任一项所述的叶片泵。

9.根据权利要求8所述的液压泵，进一步包括：

容积可变泵几何形状，其中能利用执行器(7)设定在所述转子半径(r)与偏心中空圆柱体的所述内轮廓(12)或所述泵室(10)的径向抬升部之间的距离。

10.权利要求8或9所述的液压泵在车辆液压助力转向系统中作为驱动源的用途。

Images