液壓轉(zhuǎn)向泵損傷原因及防治措施

摘 要：汽車液壓轉(zhuǎn)向泵是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，直接影響汽車行駛過程中的安全性，文章分析了液壓轉(zhuǎn)向泵設(shè)計(jì)及加工過程中易導(dǎo)致轉(zhuǎn)向泵出現(xiàn)損傷和破壞的因素，并提出了相應(yīng)的防治措施。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向泵；損傷；防治措施

引言

汽車助力轉(zhuǎn)向泵是汽車轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的動(dòng)力源，也是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的心臟部分，主要作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能向外輸出，其性能對于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有極其重要的作用，直接影響到汽車的轉(zhuǎn)向和操縱穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)向泵運(yùn)行過程中發(fā)生損傷，產(chǎn)生的損傷直接影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用性能及汽車行駛安全性，因此對轉(zhuǎn)向泵損傷產(chǎn)生的原因進(jìn)行研究，具有極其重要的意義。本文分析了轉(zhuǎn)向泵設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中易導(dǎo)致其產(chǎn)生損傷的因素，并提出相應(yīng)的防治措施。

1 轉(zhuǎn)向泵結(jié)構(gòu)及工作原理

本文主要針對使用廣泛的雙作用葉片式轉(zhuǎn)向泵進(jìn)行研究與分析。雙作用葉片式轉(zhuǎn)向泵結(jié)構(gòu)主要由定子、轉(zhuǎn)子、葉片、溢流閥、配油盤、泵體及后蓋組成。定子與泵體固定在一起，內(nèi)表面是由兩段半徑為R的大圓弧和兩段半徑為r的小圓弧及四段過渡曲線組成。配油盤的四個(gè)吸、排油窗口與定子的四段過渡曲線相對應(yīng)。轉(zhuǎn)子與定子中心重合，轉(zhuǎn)子上有葉片槽，槽內(nèi)裝有葉片可自由滑動(dòng)伸縮。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)子在發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，葉片在離心力作用下伸出并頂在定子內(nèi)表面上，當(dāng)葉片由小半徑向大半徑移動(dòng)時(shí)，兩葉片間密封容腔容積逐漸增大，由于產(chǎn)生局部真空，使油液在大氣壓作用下，通過吸油窗口從油箱吸入泵內(nèi)，而當(dāng)從大半徑向小半徑移動(dòng)時(shí)，葉片后縮，容積逐漸減小，油壓上升，將油從壓油窗口排出，泵連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠重復(fù)吸入低壓油、輸出高壓油，可持續(xù)提供油液動(dòng)力源。

2 轉(zhuǎn)向泵損傷的原因

轉(zhuǎn)向泵的損傷包括：泵體機(jī)械回轉(zhuǎn)部分摩擦損傷、泵內(nèi)零件出現(xiàn)疲勞損壞、泵內(nèi)零件沖擊損壞。

2.1 泵體機(jī)械回轉(zhuǎn)部分摩擦損傷

葉片泵機(jī)械回轉(zhuǎn)部分在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和安裝等環(huán)節(jié)中，在均會(huì)產(chǎn)生一定誤差造成偏心，各種零件，尤其是軸承、配流盤、定子、轉(zhuǎn)子、葉片等表面粗糙度、形狀公差等制造精度，引起葉片泵機(jī)械回轉(zhuǎn)部分運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生碰撞摩擦，加速泵體零件的損壞。

配油盤是轉(zhuǎn)向泵的另一重要部件，在裝配時(shí)，配油盤與轉(zhuǎn)子、定子留有微小間隙。在實(shí)際工作過程中，由于轉(zhuǎn)子的軸向竄動(dòng)產(chǎn)生兩零件間相互摩擦勢必造成配油盤內(nèi)表面和孔徑部分的磨損，配油盤的端面磨損會(huì)造成葉片泵內(nèi)高壓區(qū)與低壓區(qū)相通使轉(zhuǎn)向泵內(nèi)泄增加，造成壓力損失，容積效率降低；同時(shí)產(chǎn)生較多熱量，使得油溫升高，密封件老化失效縮短泵的使用壽命，磨損較嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致液壓系統(tǒng)不能工作。

2.2 泵內(nèi)零件出現(xiàn)疲勞損壞

在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，泵體結(jié)構(gòu)不合理設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致葉片泵本體振動(dòng)，并有可能激發(fā)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其他元件發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生共振，加速泵體零件的疲勞損傷；轉(zhuǎn)向泵工作過程中，零件材質(zhì)強(qiáng)度和剛度的不協(xié)調(diào)，熱處理不當(dāng)，導(dǎo)致個(gè)別受力部件的強(qiáng)度不夠，超過其疲勞強(qiáng)度而損壞；軸承精度等級和形狀誤差，尤其滾子精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，會(huì)造成軸承在高速旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)生劇烈震動(dòng)，導(dǎo)致軸承零件疲勞破壞。

2.3 泵內(nèi)零件沖擊損壞

2.3.1 氣蝕

氣蝕是引起液壓泵損壞的一個(gè)重要原因。液壓泵工作時(shí)，隨外界狀況和工作條件的變化，吸油高度、吸油速度和管路中的壓力損失變化，其進(jìn)油口壓力產(chǎn)生變化，當(dāng)壓力低于空氣分離壓力時(shí)，溶解于液壓油中的空氣就被分離出來，以氣泡的形式存在于液體中，在油中占據(jù)一定的空間，使油液變得不連續(xù)，這種現(xiàn)象稱為氣穴現(xiàn)象。氣穴發(fā)生后，氣泡隨著液流進(jìn)人高壓區(qū)，并被急劇破壞或縮小，而原來所占據(jù)的空間形成了真空。四周液體質(zhì)點(diǎn)以極大的速度沖向真空區(qū)域，產(chǎn)生局部液壓沖擊，將質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能忽然變成壓力能和熱能。當(dāng)這種液體沖擊發(fā)生在液體邊壁上時(shí)，會(huì)加劇金屬氧化腐蝕，使金屬零件表面逐步形成麻點(diǎn)。嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使表面脫落、出現(xiàn)小坑，這種現(xiàn)象稱為氣蝕。

2.3.2 葉片與定子撞擊

葉片泵工作時(shí)由于周期性的壓力切換引起的定子與轉(zhuǎn)子的徑向振動(dòng)；定子曲線的形狀特性會(huì)對葉片的產(chǎn)生一個(gè)周期性變化的作用力而產(chǎn)生的振動(dòng)；轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)過程中葉片與定子的摩擦以及兩者之間由于存在葉片脫空而引起的碰撞沖擊。定子內(nèi)表面在葉片的沖擊載荷作用，在定子內(nèi)曲面上出現(xiàn)周期性的軸向凸起或凹陷條紋，形成“波浪形磨損”。

3 轉(zhuǎn)向泵損傷防治措施

3.1 提高零件制造安裝精度

提高加工精度，如對部件摩擦表面進(jìn)行激光微精處理；在安裝過程中，使用精密測試工具，提高裝配精度，如聯(lián)軸器必須校準(zhǔn)安裝同軸度，將回轉(zhuǎn)件的不平衡影響降到最小；施加精準(zhǔn)的連接預(yù)緊力，避免過緊或過松產(chǎn)生的干摩擦和機(jī)械碰撞。葉片泵及吸油管路必須嚴(yán)格密封，盡量減少管接頭數(shù)量，防止吸空。

3.2 選用新型高強(qiáng)度材料

選用新型質(zhì)輕高強(qiáng)材料，生產(chǎn)具有良好耐磨性的零件，改進(jìn)零件的摩擦性能，提高高磨損零件的使用壽命，如選用鋁合金這種質(zhì)輕的材料制作成具有輕型化以及良好耐磨性的新型配油盤等；在回轉(zhuǎn)體表面涂了特殊材料，降低摩擦阻力，如在配油盤工作表面上設(shè)計(jì)了一層厚度為70至100微米的剛玉膜，根據(jù)系統(tǒng)工作過程中轉(zhuǎn)子和葉片的不同材料，使膜的硬度作出相應(yīng)的調(diào)整，使系統(tǒng)在不同工況下得到不同的摩擦副，大大改進(jìn)了配油盤的摩擦性能。

3.3 優(yōu)化泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 以應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型為基礎(chǔ)，給出適應(yīng)于轉(zhuǎn)向泵部件可靠性設(shè)計(jì)的基本數(shù)學(xué)模型。從疲勞和磨損兩方面入手，加強(qiáng)部件可靠性設(shè)計(jì)，應(yīng)用零件疲勞強(qiáng)度的常規(guī)設(shè)計(jì)方法，分析液壓泵摩擦副耐磨可靠性設(shè)計(jì)問題；通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)確定合理的配油盤工作面上各腰槽的分段角度以及阻尼槽的幾何尺寸。

3.3.2 對定子曲線的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過大圓弧段預(yù)壓縮抑制葉片泵的瞬時(shí)高壓回流；比例減壓，對定曲線的徑向加速度加以限制，將輸出的高壓油通過減壓閥按一定比例減壓后再送回到葉片根部，控制葉片頂部與定子內(nèi)表面的接觸壓力；定子內(nèi)曲線的改進(jìn)，定子曲線相應(yīng)各點(diǎn)矢徑的變化速度之和保持為常數(shù)，使輸出流量的脈動(dòng)就為零；葉片數(shù)與定子內(nèi)表面適當(dāng)匹配后，可使流量脈動(dòng)減小，降低噪聲，因而必須選擇合理的葉片數(shù)。葉片頂部形狀合理設(shè)計(jì)，可提高油膜承載能力，降低定子內(nèi)表面的磨損，提高泵的自吸能力。

3.4 降低轉(zhuǎn)向泵振動(dòng)

優(yōu)化油泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以消除一些機(jī)械沖擊和壓力沖擊，但很難消除由機(jī)和空間變化的不均勻造成的壓力脈動(dòng)，利用合適的強(qiáng)度和剛度安裝基礎(chǔ)，并采取隔振措施，改善安裝條件來消除泵體振動(dòng)，避免引起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其它部件產(chǎn)生共振。

4 結(jié)束語

4.1 轉(zhuǎn)向泵部件損傷產(chǎn)生機(jī)理有待進(jìn)一步研究。造成葉片泵部件損傷的因素很多，各個(gè)部件損傷狀況也不相同，有待于進(jìn)一步深入研究。

4.2 尋找降低轉(zhuǎn)向泵降低新途徑，使用先進(jìn)的高強(qiáng)度材料，對泵體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化定子曲線，提高安裝精度等，減小轉(zhuǎn)向泵的損傷產(chǎn)生。

4.3 進(jìn)一步建立機(jī)械振動(dòng)與結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、材料，以及流體噪聲與結(jié)構(gòu)等關(guān)系理論，降低泵體機(jī)械振動(dòng)，減小部件振動(dòng)損傷。

4.4 對振動(dòng)傳播路徑建立理論模型，建立泵體、管路及溢流閥等之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，避免轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件之間產(chǎn)生共振。

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作者簡介：蔡燕（1983-），女，遼寧大連，本科學(xué)歷，研究方向：汽車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。