魏毅波 朱文峰

摘 要：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)全程可變排量機(jī)油泵是一種通過(guò)比例電磁閥對(duì)油泵排量進(jìn)行可控調(diào)節(jié)的機(jī)油泵。文章著重介紹了葉片式全程可變排量機(jī)油泵的工作原理和特性，針對(duì)其特性制定相應(yīng)試驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)其試驗(yàn)臺(tái)架方案進(jìn)行研究分析。

關(guān)鍵詞：全程可變排量;比例電磁閥;試驗(yàn)臺(tái)架

中圖分類號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）10-172-03

Research on Performance Characteristic and Test Stand?of Full?VariableDisplacement Engine Oil Pump

Wei Yibo，?Zhu Wenfeng

（?Faculty of Mechanical and Energy Engineering， Tongji university，?Shanghai?200092?）

Abstract：?Full?variable displacement engine oil pump is a kind of oil pump which can be controlled by proportional solenoid valve. This paper mainly introduces the working principle and characteristics of the full?variable displacement oil pump. develop test items，research and analysis the test stand?scheme.

Keywords： Full?variable displacement;?Proportional solenoid valve;?Test stand

CLC NO.：?U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）10-172-03

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵作為傳動(dòng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的核心部件，在發(fā)動(dòng)機(jī)上起到潤(rùn)滑、冷卻以及為部分控制元件提供動(dòng)力的作用，長(zhǎng)期以來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵采用定排量的工作方式，其能耗大工作效率較低。可變排量油泵作為一種可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)壓力實(shí)際需要調(diào)節(jié)泵供油量和供油壓力的機(jī)油泵，最早應(yīng)用于工程機(jī)械、自動(dòng)變速箱潤(rùn)滑和液壓驅(qū)動(dòng)等方面^[1]，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展和提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的需要，可變排量技術(shù)逐漸應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵領(lǐng)域，該技術(shù)的應(yīng)用有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)油泵的技術(shù)發(fā)展研究

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)油泵的分類

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵根據(jù)其結(jié)構(gòu)可以分為齒輪泵、葉片泵和轉(zhuǎn)子泵。根據(jù)其工作特性可以分為定排量油泵、單級(jí)變排量機(jī)油泵、兩級(jí)變排量機(jī)油泵以及全程可變排量機(jī)油泵。本文主要研究對(duì)象為葉片式全程可變排量機(jī)油泵。

1.2 變排量油泵技術(shù)的發(fā)展

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵最早采用固定排量方式，為了保證在低速時(shí)的供油，機(jī)油泵需要設(shè)計(jì)較大的排量，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，機(jī)油泵的排量線性增加，遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)本身的需求，這時(shí)候就需要在泵上設(shè)置溢流閥卸掉一部分流量，這部分能量白白浪費(fèi)掉^[2]。為了減少機(jī)油泵的能耗，就需要想辦法將發(fā)動(dòng)機(jī)的需求與機(jī)油泵的輸出進(jìn)行匹配，從而就產(chǎn)生了變排量油泵的概念。

最初的變排量油泵通過(guò)在油泵上增加反饋油路和機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單級(jí)和二級(jí)壓力調(diào)節(jié)，單級(jí)變排量油泵的節(jié)油效果不明顯，二級(jí)變排量油泵相對(duì)于定排量油泵來(lái)說(shuō)可以節(jié)省1.5%-2%的油耗。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，全程可變排量機(jī)油泵技術(shù)逐步開(kāi)始應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，其可以節(jié)省3%的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗^[3]。

2 全程可變排量機(jī)油泵的工作特性分析

2.1 全程可變排量機(jī)油泵的工作原理

以葉片式油泵為例，其排量的計(jì)算公式如下：

式中：q為機(jī)油泵排量，mL/r;e為定子與轉(zhuǎn)子的偏心距，mm;w為葉片寬度，mm;t為葉片厚度，mm;N為葉片數(shù)量;R為定子半徑，mm。

對(duì)于一款確定的機(jī)油泵來(lái)說(shuō)，w，t，N，R為固定數(shù)值，如果改變偏心距e，就可以改變油泵排量的大小。全程可變排量機(jī)油泵屬于主動(dòng)排量調(diào)節(jié)方式油泵，其工作原理如圖1所示，ECM根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工況確定發(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)壓力或者潤(rùn)滑油量需求，通過(guò)PWM（Pulse Width Modulate）信號(hào)調(diào)節(jié)電磁閥的開(kāi)度大小，從而可以調(diào)節(jié)給到偏心環(huán)的壓力P，隨著來(lái)自比例電磁閥的反饋壓力P的變化，偏心環(huán)所受的壓力發(fā)生變化，產(chǎn)生移動(dòng)壓縮或者放松彈簧從而達(dá)到反饋壓力和彈簧力的平衡，從而起到改變油泵偏心距和油泵排量的作用。

2.2?全程可變排量機(jī)油泵的工作特性

全程可變排量機(jī)油泵通過(guò)PWM信號(hào)控制比例電磁閥的開(kāi)度實(shí)現(xiàn)油泵泵油壓力的精確控制，使其工作特性可以和發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際需求接近重合，從而節(jié)省了功率消耗，其工作特性曲線如圖2所示。由于其工作負(fù)荷的降低，其噪音水平也大大降低，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)整體噪音水平的控制，也增加了使用壽命。和傳統(tǒng)的機(jī)械式油泵比較，全程可變排量機(jī)油泵增加了一套比例電磁閥控制系統(tǒng)，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行匹配和標(biāo)定，同時(shí)其制造成本和技術(shù)難度相較于傳統(tǒng)機(jī)械式油泵有了較大提高。

3 全程可變排量油泵試驗(yàn)臺(tái)架研究

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容及臺(tái)架主要參數(shù)確定

全程可變排量機(jī)油泵主要測(cè)試項(xiàng)目有：吸油特性、轉(zhuǎn)速特性、壓力特性、高低溫工作特性、全工況特性、電磁閥工作特性、調(diào)節(jié)壓力特性、壓力調(diào)節(jié)遲滯特性、壓力脈動(dòng)特性等項(xiàng)目。

臺(tái)架主要參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速范圍：0-8000rpm，扭矩范圍0- 10Nm，壓力0-3bar，流量：0-100L/min，溫度范圍-40℃-130℃。

3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理圖如圖2所示，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用變頻電機(jī)系統(tǒng)和高速傳動(dòng)軸，配合扭矩傳感器和扭矩限制保護(hù)器的結(jié)構(gòu)形式。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)最高轉(zhuǎn)速8000rpm，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的PID閉環(huán)控制，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工況。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，在驅(qū)動(dòng)軸上串聯(lián)高精度的扭矩傳感器，并在扭矩傳感器前串聯(lián)機(jī)械的扭矩限制保護(hù)器，以保護(hù)扭矩傳感器的安全工作。

3.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了能最大限度的模擬機(jī)油泵在發(fā)動(dòng)機(jī)上的工作狀態(tài)，液壓油路系統(tǒng)主要由油箱、循環(huán)管路、控制閥、加熱循環(huán)系統(tǒng)及流量壓力等傳感器組成。

全程可變排量機(jī)油泵在發(fā)動(dòng)機(jī)上通過(guò)電磁閥控制發(fā)動(dòng)機(jī)主油道上的反饋壓力進(jìn)行機(jī)油泵排量的控制，臺(tái)架通過(guò)液壓油路系統(tǒng)模擬出潤(rùn)滑系統(tǒng)的機(jī)濾流阻和發(fā)動(dòng)機(jī)主油道流阻兩個(gè)主要的系統(tǒng)流阻，同時(shí)又為了能滿足油泵在不同排量時(shí)的固定壓力調(diào)節(jié)，液壓油路的壓力控制就需要開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制兩種方式，因此液壓油路中采用直動(dòng)式比例伺服調(diào)節(jié)閥進(jìn)行液壓調(diào)節(jié)。

3.4 電磁閥PWM控制方式研究

全程可變排量機(jī)油泵是通過(guò)一個(gè)比例電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主油道反饋壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)油泵排量的全程可控調(diào)節(jié)。比例電磁閥的控制可以通過(guò)改變加載在電磁閥上的電流實(shí)現(xiàn)，但常規(guī)持續(xù)加載電流會(huì)造成電磁閥發(fā)熱大功耗大，通過(guò)PWM的控制方式控制電路產(chǎn)生一定頻率的PWM信號(hào)，在不改變頻率的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)輸出占空比，通過(guò)放大器加載到電磁閥線圈上，從而模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的控制方式實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中電磁閥的比例調(diào)節(jié)。

3.5 控制系統(tǒng)研究

控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用基于NI PXI系統(tǒng)進(jìn)行搭建，通過(guò)PXI的控制板卡對(duì)臺(tái)架的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓控制閥、PWM模塊、溫度控制、安全報(bào)警監(jiān)控等進(jìn)行控制，對(duì)轉(zhuǎn)速、扭矩、壓力、流量、溫度等傳感器的參數(shù)進(jìn)行采集處理，軟件基于NI?labview進(jìn)行開(kāi)發(fā)，控制架構(gòu)如圖3所示。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)全程可變排量機(jī)油泵的工作原理及工作特性分析，結(jié)合其特性確定了該類型機(jī)油泵的試驗(yàn)項(xiàng)目，并設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)架的框架，針對(duì)各關(guān)鍵系統(tǒng)分別進(jìn)行分析研究，為全程可變排機(jī)油泵的研發(fā)和驗(yàn)證提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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