浅谈液压转向泵损伤的原因及防治措施

时间:2013-07-30来源:易品网点击: 次

引言
　　汽车助力转向泵是汽车转向助力系统的动力源，也是转向系统的心脏部分，主要作用是将发动机输入的机械能转化为液压能向外输出，其性能对于动力转向系统的正常运行具有极其重要的作用，直接影响到汽车的转向和操纵稳定性。转向泵运行过程中发生损伤，产生的损伤直接影响转向系统使用性能及汽车行驶安全性，因此对转向泵损伤产生的原因进行研究，具有极其重要的意义。本文分析了转向泵设计和生产过程中易导致其产生损伤的因素，并提出相应的防治措施。

1转向泵结构及工作原理
　　本文主要针对使用广泛的双作用叶片式转向泵进行研究与分析。双作用叶片式转向泵结构主要由定子、转子、叶片、溢流阀、配油盘、泵体及后盖组成。定子与泵体固定在一起，内表面是由两段半径为R的大圆弧和两段半径为r的小圆弧及四段过渡曲线组成。配油盘的四个吸、排油窗口与定子的四段过渡曲线相对应。转子与定子中心重合，转子上有叶片槽，槽内装有叶片可自由滑动伸缩。其结构如图1所示。
　　转向泵转子在发动机的带动下以一定的转速旋转，叶片在离心力作用下伸出并顶在定子内表面上，当叶片由小半径向大半径移动时，两叶片间密封容腔容积逐渐增大，由于产生局部真空，使油液在大气压作用下，通过吸油窗口从油箱吸入泵内，而当从大半径向小半径移动时，叶片后缩，容积逐渐减小，油压上升，将油从压油窗口排出，泵连续转动，能够重复吸入低压油、输出高压油，可持续提供油液动力源。

2转向泵损伤的原因
　　转向泵的损伤包括：泵体机械回转部分摩擦损伤、泵内零件出现疲劳损坏、泵内零件冲击损坏。
　　2.1泵体机械回转部分摩擦损伤
　　叶片泵机械回转部分在结构设计、制造和安装等环节中，在均会产生一定误差造成偏心，各种零件，尤其是轴承、配流盘、定子、转子、叶片等表面粗糙度、形状公差等制造精度，引起叶片泵机械回转部分运动不稳定，产生碰撞摩擦，加速泵体零件的损坏。
　　配油盘是转向泵的另一重要部件，在装配时，配油盘与转子、定子留有微小间隙。在实际工作过程中，由于转子的轴向窜动产生两零件间相互摩擦势必造成配油盘内表面和孔径部分的磨损，配油盘的端面磨损会造成叶片泵内高压区与低压区相通使转向泵内泄增加，造成压力损失，容积效率降低；同时产生较多热量，使得油温升高，密封件老化失效缩短泵的使用寿命，磨损较严重时将导致液压系统不能工作。
　　2.2泵内零件出现疲劳损坏
　　在设计和生产过程中，泵体结构不合理设计，会导致叶片泵本体振动，并有可能激发转向系统其他元件发生振动，产生共振，加速泵体零件的疲劳损伤；转向泵工作过程中，零件材质强度和刚度的不协调，热处理不当，导致个别受力部件的强度不够，超过其疲劳强度而损坏；轴承精度等级和形状误差，尤其滚子精度达不到设计要求，会造成轴承在高速旋转过程中发生剧烈震动，导致轴承零件疲劳破坏。
　　2.3泵内零件冲击损坏
　　2.3.1气蚀
　　气蚀是引起液压泵损坏的一个重要原因。液压泵工作时，随外界状况和工作条件的变化，吸油高度、吸油速度和管路中的压力损失变化，其进油口压力产生变化，当压力低于空气分离压力时，溶解于液压油中的空气就被分离出来，以气泡的形式存在于液体中，在油中占据一定的空间，使油液变得不连续，这种现象称为气穴现象。气穴发生后，气泡随着液流进人高压区，并被急剧破坏或缩小，而原来所占据的空间形成了真空。四周液体质点以极大的速度冲向真空区域，产生局部液压冲击，将质点的动能忽然变成压力能和热能。当这种液体冲击发生在液体边壁上时，会加剧金属氧化腐蚀，使金属零件表面逐步形成麻点。严重时，会使表面脱落、出现小坑，这种现象称为气蚀。
　　2.3.2叶片与定子撞击
　　叶片泵工作时由于周期性的压力切换引起的定子与转子的径向振动；定子曲线的形状特性会对叶片的产生一个周期性变化的作用力而产生的振动；转子高速旋转过程中叶片与定子的摩擦以及两者之间由于存在叶片脱空而引起的碰撞冲击。定子内表面在叶片的冲击载荷作用，在定子内曲面上出现周期性的轴向凸起或凹陷条纹，形成“波浪形磨损”。
　　

3转向泵损伤防治措施
　　3.1提高零件制造安装精度
　　提高加工精度，如对部件摩擦表面进行激光微精处理；在安装过程中，使用精密测试工具，提高装配精度，如联轴器必须校准安装同轴度，将回转件的不平衡影响降到最小；施加精准的连接预紧力，避免过紧或过松产生的干摩擦和机械碰撞。叶片泵及吸油管路必须严格密封，尽量减少管接头数量，防止吸空。
　　3.2选用新型高强度材料
　　选用新型质轻高强材料，生产具有良好耐磨性的零件，改进零件的摩擦性能，提高高磨损零件的使用寿命，如选用铝合金这种质轻的材料制作成具有轻型化以及良好耐磨性的新型配油盘等；在回转体表面涂了特殊材料，降低摩擦阻力，如在配油盘工作表面上设计了一层厚度为70至100微米的刚玉膜，根据系统工作过程中转子和叶片的不同材料，使膜的硬度作出相应的调整，使系统在不同工况下得到不同的摩擦副，大大改进了配油盘的摩擦性能。
　　3.3优化泵体结构设计
　　3.3.1以应力-强度干涉模型为基础，给出适应于转向泵部件可靠性设计的基本数学模型。从疲劳和磨损两方面入手，加强部件可靠性设计，应用零件疲劳强度的常规设计方法，分析液压泵摩擦副耐磨可靠性设计问题；通过实验室实验及数值模拟实验确定合理的配油盘工作面上各腰槽的分段角度以及阻尼槽的几何尺寸。
　　3.3.2对定子曲线的优化设计，通过大圆弧段预压缩抑制叶片泵的瞬时高压回流；比例减压，对定曲线的径向加速度加以限制，将输出的高压油通过减压阀按一定比例减压后再送回到叶片根部，控制叶片顶部与定子内表面的接触压力；定子内曲线的改进，定子曲线相应各点矢径的变化速度之和保持为常数，使输出流量的脉动就为零；叶片数与定子内表面适当匹配后，可使流量脉动减小，降低噪声，因而必须选择合理的叶片数。叶片顶部形状合理设计，可提高油膜承载能力，降低定子内表面的磨损，提高泵的自吸能力。
　　3.4降低转向泵振动
　　优化油泵的结构设计可以消除一些机械冲击和压力冲击，但很难消除由机和空间变化的不均匀造成的压力脉动，利用合适的强度和刚度安装基础，并采取隔振措施，改善安装条件来消除泵体振动，避免引起转向系统其它部件产生共振。

4结束语
　　4.1转向泵部件损伤产生机理有待进一步研究。造成叶片泵部件损伤的因素很多，各个部件损伤状况也不相同，有待于进一步深入研究。
　　4.2寻找降低转向泵降低新途径，使用先进的高强度材料，对泵体结构进行优化设计，优化定子曲线，提高安装精度等，减小转向泵的损伤产生。
　　4.3进一步建立机械振动与结构、强度、材料，以及流体噪声与结构等关系理论，降低泵体机械振动，减小部件振动损伤。
　　4.4对振动传播路径建立理论模型，建立泵体、管路及溢流阀等之间的数学关系式，避免转向系统各部件之间产生共振。

参考文献
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　　作者简介：蔡燕（1983-），女，辽宁大连，本科学历，研究方向：汽车液压转向系统。