【文章內(nèi)容簡介】 的情況下，基元始終與進氣口相連接，直到基元容積腔體積達最大時停止進氣；進氣口關(guān)閉后，氣體開始壓縮，且基元內(nèi)氣體壓力的升高；排氣口接通，當基元內(nèi)氣體壓力足夠高時，開始排氣。如圖 12(b)所示，由 1 到 2 是旋片泵的吸氣過程， 2 到 3 是氣體的壓縮過程， 3 到 4 是排氣過程。其中， 2 ? 、 2 ? 、 2 ? 是分別考慮到壓縮過程可能為絕熱、多方、等溫等情況。 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 (a) 基元容積與轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線 (b)工作腔內(nèi)氣體循環(huán)過程 圖 12 旋片泵基元的理論工作循環(huán) (a) a primitive volume and angle of the curve (b) working cycle of the gas chamber Figure 12 theoretical work cycle rotary vane pump primitives 本文 研究 設(shè)計 內(nèi) 容 a) 根據(jù) 小型 乘用車對電子真空泵的性能要求，推導(dǎo)旋片泵主要性能參數(shù)的設(shè)計方法，并確定旋片泵的結(jié)構(gòu)尺寸，然后 建立車用旋片泵的三維結(jié)構(gòu)模型。 b) 對零部件進行虛擬裝配，檢查其設(shè)計的合理性，并探究在三維設(shè)計軟件中從三維到二維的高效設(shè)計方法。 c) 對旋片機構(gòu)進行運動學(xué)和動力學(xué)進行 研究分析， 推導(dǎo)葉片的速度、加速度以及受力的計算公式，為其平衡及強度設(shè)計建立基礎(chǔ)。 2 設(shè)計要求 在車用旋片泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，可以簡單分為以下四個步驟。首先，根據(jù)汽車對該電子真空泵的性能要求，計算出旋片泵的主要結(jié)構(gòu)尺寸；其次，設(shè)計旋片泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 包括工作腔形狀及氣體管道的布置等；再次，設(shè)計旋片泵的外觀形狀及與汽車車架的連接方式；最后根據(jù)實際需求對零件總成進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保證功能強度的前提下，減輕旋片泵總成的質(zhì)量和體積。 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 性能要求 本課題設(shè)計 的旋片式電子真空泵，是向 小型乘用 汽車的助力制動系統(tǒng)提供真空源的汽車零部件， 根據(jù)《汽車真空泵性能要求及臺架實驗方法》， 其性能必需滿足以下幾個要求： （ 1）該電子真空泵的極限工作溫度至少為 ?40176。 C~+120176。 C，以保證汽車助力制動系統(tǒng)在極寒或極熱環(huán)境下均能正常工作； （ 2）該電子真空泵的極限工作電壓至少為 6V~16V，以保證汽車助力制動系統(tǒng)在電壓不穩(wěn)定時能正常工作； （ 3）旋片泵的極限真空度要達到當前大氣壓的 86%以上，以保證汽車助力制動系統(tǒng)的助力強度； （ 4）在當前大氣壓下，從容積為 的真空罐開始抽氣，必須保證真空罐內(nèi)部真空度達 50%時所需時間不超過 4 秒，真空度達 70%時所需時間不超過 10 秒，以保證汽車的助力制動系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 （ 5）電子真空泵的累積工作時間不低于 500 小時。 表 21車用電子真空泵的性能要求 Table 21 automotive electronic pump performance requirements 參數(shù)名稱 工作溫度范圍 工作電 壓范圍 測試真空腔容積 達到 50%真空度的時間要求 達到 70%真空度的時間要求 極限真空度要求 工作壽命要求 要求 40~ C 6V~16V 小于 4s 小于 10s ≥ 86% ≥ 500h 材料選擇要求 在旋片泵工作時，轉(zhuǎn)子與旋片是泵腔內(nèi)的主要運動部件，受到來自泵腔內(nèi)壁摩擦、氣體壓力、自身慣性力等載荷的作用，運行條件比較惡劣，因此在材料的選擇上必須重點關(guān)注。在干式旋片泵的 設(shè)計中，由于缺少泵油的潤滑，旋片與轉(zhuǎn)子的材料選擇不僅需要滿足強度要求、輕量化要求，還要滿足自潤滑性能的要求。另外，考慮提高旋片泵的使用壽命，旋片材料還要具有較高的耐磨性。 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 參考機械設(shè)計手冊， 干式旋片泵的旋片材料一般以非金屬材料為 主，如陶瓷、酚醛樹脂、石墨等。本課題中，旋片與轉(zhuǎn)子均采用聚甲醛材料， 具有強度高、質(zhì)量輕、自潤滑和耐磨性好等優(yōu)點。 3 結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇 結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提，根據(jù)車用旋片泵的性能要求，對每一個影響性能參數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行計算分析，最終得出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸。 幾何抽速 Sth 抽氣速率是指旋片式真空泵在單位時間內(nèi)抽出氣體的體積，常用單位為升 /秒（ L/s）， 主要 包括名義抽速、幾何抽速和實際抽速。 a) 名義抽速 名義抽速是指泵在出廠時，標牌上鎖表明的抽氣速率。 b) 幾何抽速 幾何抽速是泵按照額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，在單位時間內(nèi)抽出氣體的體積。幾何抽速Sth是吸氣終了時吸氣腔容積 Vs 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n，以及旋片數(shù)目 z的乘積，即： （ 31） 式中 A—— 吸氣終了時吸氣腔的截面積； L—— 泵腔高 度。 c) 實際抽速 實際抽速是在實際應(yīng)用中測得的泵的抽氣速率。實際抽速是入 口處壓力的函數(shù)，在實際抽氣過程中，隨著入口處壓力的下降而下降。當入口處壓力等于極限壓力時，實際抽速變?yōu)榱?。此時，泵抽取的空氣的體積等于泵內(nèi)氣體通過間隙返回吸氣腔的氣體體積。在正常大氣壓下，泵在設(shè)計時要考慮使實際抽速等于名義抽速。 國內(nèi)行業(yè)標準規(guī)定用幾何抽速來考核抽氣效率。 根據(jù)表 21 對旋片泵抽氣速率的要求，結(jié)合旋片泵性能參數(shù)的計算方法，可得當名義抽速 Sm≥ 1(L/S)時，可以滿足抽速需求。根據(jù)標準 JB/T65331997，泵的幾何抽速 Sth應(yīng)為名義抽速的 ~倍 [8]。 為了保證名義抽速， 則 應(yīng)選較大的 Sth值。 ，這里取 Sth= 。 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)速 n 對于同一抽速，轉(zhuǎn)速小則尺寸大，體積大，重量大，材料消耗較大，但溫升較低，旋片頭部最大線速度較小，對旋片材質(zhì)和泵油要求較低，橡膠件不易老化?？紤]到汽車發(fā)動機艙空間有限，對泵體體積、重量要求嚴格，這里取較高轉(zhuǎn)速 n = 3800 r/ min 。 旋片數(shù)目 Z 普通真空泵一般葉片數(shù)為 2。因為片數(shù)多，加工復(fù)雜，成本高。通過旋片泵幾何抽速的計算可知，當泵的轉(zhuǎn)速達到較高的數(shù)值時，再增加旋片可以在不加大轉(zhuǎn)子偏心距，又不增加最大線速度的情況下提 高抽速。車輛用真空泵為增加怠速時的抽速，取Z=5，這樣多個葉片可共同工作，也可使真空泵性能更加穩(wěn)定。 直徑比 b B=d／ D， d 為轉(zhuǎn)子直徑， D是泵腔直徑，抽速一定， b小則泵的定子尺寸小，偏心距 e大，泵運轉(zhuǎn)時旋片最大伸出長度與留在槽內(nèi)的長度之比大，旋片受力大，容易磨損或發(fā)生故障，在實用中 b=0． 75~0． 90。連續(xù)工作入口壓力較低的可取小值，反之可取大值。在這里，初選 b = 。 長徑比 a a=h/D， h 是泵腔長度， D是泵腔直徑， a值的選取影響葉片頭部的最大線速度，與泵溫、磨損有關(guān)，影響加工 工藝性外形尺寸和重量以及外形的美觀。 a值還受進氣口結(jié)構(gòu)的限制。通用化規(guī)格選擇不當，會使泵溫度較高，外形尺寸大，重量大，一般取 a=o． 5～ 1． 5，對于大泵取大值，小泵取小值。初選 a = 。 實際容積利用系數(shù) Kv 容積利用系數(shù)即旋片泵吸氣結(jié)束時，進氣腔容積占整個工作腔容積的比例，通?？偼ㄟ^合理的布置進氣口和進氣導(dǎo)流槽來獲得最大吸氣容積利用系數(shù)。由圖 31，可以很清楚的看到當相鄰兩葉片相對于 x 軸對稱時，吸氣腔的橫截面積最大。 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 31旋轉(zhuǎn)式真空泵幾何示意圖 Figure 31 Schematic rotary vacuum pump geometry 設(shè) r 為轉(zhuǎn)子半徑、 R 為定子半徑、 z 為葉片數(shù)目，則直徑比 b =d/ D= 、 P 2= /z。 令 S 為工作腔橫截面積， S0 為吸氣腔橫截面積， S1 為 O1O2B 面積， S2為扇形 BO1C 面積 ,S3 為扇形 AO2D 面積。則 （ 32） （ 33） （ 34） （ 35） （ 36） 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 （ 37） 當采用五片式旋片泵結(jié)構(gòu)時，初步設(shè)計 容積利用系數(shù) Kv= 。 計算泵腔尺寸 D為泵腔直徑， d為轉(zhuǎn)子直徑， h為泵腔長度， e 為偏心距。 旋片泵腔的主要尺寸間存在如下關(guān)系 [9]： （ 38） （ 39） （ 310） （ 311） 把前面選定的系數(shù)代入上式，再對計算出的數(shù)值圓整后，可得： D == ， h = = ，單位為 mm。 計算 旋片尺寸 ① 轉(zhuǎn)子中葉片槽偏置距離 的選取 根據(jù)轉(zhuǎn)子尺寸大小，選取 = 。 ② 旋片厚度 B 的選取 對于高速直聯(lián) 干式真空泵，一般都應(yīng)采用非金屬的旋片材料。這里選用聚甲醇材料， 厚度 B = 3(mm)。根據(jù)上面的分析計算，可以得出車用旋片式電子真空泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表 31所示 表 31旋片泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) Tab 31 The main structural parameters of rotary vane pumps 名稱 泵腔直徑 mm 轉(zhuǎn)子直徑 mm 泵腔高度 mm 轉(zhuǎn)子偏心距 mm 葉片數(shù)目 葉片偏心距 mm 葉片厚度 mm 電機轉(zhuǎn)速 r/min 大小 48 40 22 4 5 11 3 3800 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 4 三維結(jié)構(gòu)模型的建立 三維建模技術(shù)概述 三維建模技術(shù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要技術(shù)手段，是計算機視覺、計算機動畫、計算機虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域中建立三維實體模型的關(guān)鍵技術(shù)。任何形狀的產(chǎn)品都可以看作是由三維幾何構(gòu)成的組合體，用來描述產(chǎn)品的形狀、尺寸大小、位置與結(jié)構(gòu)關(guān)系等幾何信息的模型稱為幾何模型。而設(shè)計建立這個集合模型的技術(shù)即稱為三維建模技術(shù)。 在旋片泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，本課題采用 CATIA 三維建模軟件。 CATIA 是法國達索公司的產(chǎn)品開發(fā)的旗艦解決方案。 CATIA 軟件可以幫助制造廠商設(shè)計他們未來的產(chǎn)品 ，并支持從項目前階段、具體的設(shè)計、分析、模擬、組裝到維護在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計流程 。 圖 41 CATIA軟件主界面 Figure 41 CATIA software main interface 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 零部件的建模過程 旋片式真空泵的結(jié)構(gòu)各種各樣，本課題設(shè)計的旋片泵采用無潤滑油的工作形式，且安裝于汽車發(fā)動機艙，設(shè)計過程中重點考慮了結(jié)構(gòu)的簡單化和輕量化。該旋片泵由近 30 個零件組成，按照各個零部件的功能劃分，產(chǎn)品模型可以分為三大部分：抽氣機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、外殼及附件機構(gòu)。 圖 42 旋片泵的組織結(jié)構(gòu)圖 Figure 42 Organization Chart rotary vane pumps 抽氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ① 泵腔組件的設(shè)計 旋片泵的工作腔是由定子、上下端蓋組成的密閉空間，是旋片泵的核心部