主动减震系统宽转速低脉动摆线泵设计理论及实验研究

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主动减震液压悬架系统因具有提高人员乘坐舒适性、车辆操纵稳定性及能量回收等优势,在车辆悬架系统中应用前景广阔。作为其核心元件的摆线泵需兼备宽转速(0-6000 r/min)、低脉动的特点,然而,传统摆线泵转速恒定且转速低,应用于主动减震液压悬架系统宽转速运行工况时,存在压力脉动大、容积效率低、关键配对副磨损等突出问题。为此,本文针对主动减震液压悬架系统摆线泵动态运行工况,围绕宽转速、低脉动要求,开展了摆线泵结构参数设计与运动学特性分析,从摆线泵转子齿廓、配流副本征参数及摆线泵内置缓冲器方面研究摆线泵低脉动设计方法;基于宽转速运行工况,研究摆线泵关键配对副材料和结构对其摩擦磨损特性的影响;并开展了宽转速低脉动摆线泵样机性能试验。以期解决摆线泵宽转速运行工况时压力脉动大、容积效率低、关键配对副磨损的问题。本文提出的宽转速低脉动摆线泵设计方法,可为主动减震液压悬架系统核心元件的设计制造提供理论依据。论文主要工作如下:(1)基于工况特征的主动减震系统摆线泵动态特性分析。建立了主动减震液压悬架系统摆线泵控制液压缸的动力单元传递函数,分析了影响系统液压固有频率及阻尼比的关键因素;搭建了直流伺服电机、摆线泵、液压缸组成的系统仿真模型,并基于中型轿车悬架负载及典型路面激励,研究了主动减震液压系统闭环位置控制性能,定量分析了主动减震液压悬架系统摆线泵动态运行工况,获得了主动减震液压悬架系统摆线泵转速范围宽,且转速波动明显的动态运行工况特征。(2)宽转速低脉动摆线泵结构设计与运动学特性分析。面向主动减震液压悬架系统,设计了一种结构紧凑的宽转速低脉动摆线泵;分析了内、外转子齿廓对摆线泵输出压力脉动的影响;基于短幅外摆线成形机理,构建了内、外转子齿廓曲线数学模型,研究宽转速摆线泵内、外转子啮合运动特性,揭示了宽转速低脉动摆线泵的内、外转子啮合点相对滑移速度随转速的变化规律。(3)基于配流副本征参数的宽转速摆线泵低脉动设计研究。通过“扫过面积法”建立了主动减震液压悬架系统用摆线泵排量计算数学模型,精确求解其瞬时流量及理论流量脉动;研究了配流副本征参数对宽转速摆线泵压力脉动及容积效率的影响。研究结果表明:随着转速的增加,摆线泵压力脉动逐渐增大;配流副齿形圆卸荷槽对摆线泵压力脉动影响显著,当转速在4000 r/min时,齿形圆卸荷槽使压力脉动下降7.57%;高转速工况,全齿形圆卸荷槽摆线泵容积效率高。(4)摆线泵内置缓冲器的压力脉动抑制方法研究。根据主动减震液压悬架系统特点,提出了一种内置于主动减震系统摆线泵的隔膜式脉动缓冲器;定量分析了隔膜式脉动缓冲器对主动减震液压悬架系统宽转速摆线泵输出压力脉动的抑制效果。研究表明:变转速、变负载工况下,脉动缓冲器抑制摆线泵输出压力脉动效果显著。转速1500 r/min时,压力脉动下降44.61%;转速5500 r/min时,压力脉动下降38.66%;不同负载工况,摆线泵压力脉动下降约40%。(5)宽转速摆线泵关键配对副摩擦磨损特性实验研究。针对宽转速摆线泵关键配对副运行工况,采用新型碳纤维增强型PEEK、9Cr18、铅青铜材料,并基于表面织构技术,研究了半球形表面织构对配流副间隙油膜承载性能的影响规律。实验结果表明,半球形表面织构对PEEK及铅青铜摩擦系数和磨损率影响显著。此外,基于动压支承理论研究了动压导轨斜度对摩擦副间隙油膜流场特征的影响,发现导轨倾斜角度与动压导轨轴向平均压力为正相关关系,但半球形表面织构的减磨优势减弱。(6)宽转速低脉动摆线泵样机研制与性能试验。研制了宽转速低脉动摆线泵样机,搭建了主动减震液压悬架系统摆线泵测试系统,开展了宽转速摆线泵压力脉动特性及流量特性试验。试验结果表明:转速1500 r/min时,摆线泵容积效率为95.14%,脉动缓冲器使压力脉动下降37.78%,随着转速的增加,容积效率略有下降,脉动缓冲器抑制压力脉动效果减弱;碳纤维增强型PEEK材质的内转子及9Cr18材质的外转子与铅青铜材质的配流盘配对形式能够满足宽转速低脉动摆线泵需求。
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