師磊，張琨

陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西西安 710117

0 引言

油泵是變速器中重要的零部件，對(duì)于液力自動(dòng)變速器，油泵通常安裝在液力變矩器之后，通過螺栓固定在變速器前端面上，由飛輪通過液力變矩器上的油泵驅(qū)動(dòng)軸套來工作，為液力變矩器、執(zhí)行元件、電子控制系統(tǒng)和閥體提供液壓油，并為變速器內(nèi)部零部件提供潤滑[1]。對(duì)于機(jī)械式手動(dòng)變速器，油泵通常安裝在離合器殼體前端面，由中間軸驅(qū)動(dòng)來工作，為變速器內(nèi)部齒輪、同步器、軸承等部件提供強(qiáng)制潤滑，從而提升變速器的性能和使用壽命。基于油泵在變速器中的關(guān)鍵作用，設(shè)計(jì)和選擇一個(gè)合適的油泵對(duì)于變速器的性能以及整車性能、噪聲和燃油經(jīng)濟(jì)性都會(huì)有很大的改善。

1 重型變速器油泵的介紹

目前國內(nèi)外重型變速器油泵主要采用內(nèi)嚙合齒輪泵，具體有漸開線齒輪泵和擺線齒輪泵兩種，其中擺線齒輪泵由于結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、噪聲小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、高速性能良好等特點(diǎn)[2]，隨著粉末冶金新工藝、新技術(shù)的不斷發(fā)展，在重型變速器上應(yīng)用較為廣泛，目前重型機(jī)械式手動(dòng)變速器大多采用擺線齒輪泵。

目前機(jī)械式手動(dòng)變速器普遍采用定量泵，為了實(shí)現(xiàn)變速器良好的潤滑，通常油泵需要滿足在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速情況下達(dá)到一定流量，由于油泵的流量是油泵排量與轉(zhuǎn)速的乘積[3]，即

Q=V×n

(1)

式中：Q為流量；V為排量；n為轉(zhuǎn)速。

在設(shè)計(jì)過程中，綜合變速器各部分的需求，得出整車各種工況下的流量需求，即可求出各工況下的理論排量，求取最大值，就是油泵的理論排量。

2 油泵逆向設(shè)計(jì)

2.1 競品分析

在設(shè)計(jì)變速器油泵時(shí)，需要考慮多個(gè)方面，如油泵的理論排量、轉(zhuǎn)子型線的類型等[4]。為方便設(shè)計(jì)合適排量的油泵，競品研究分析是設(shè)計(jì)的重要組成部分，在深入分析多個(gè)競品變速器油泵過程中，可以總結(jié)出一定經(jīng)驗(yàn)，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中確定油泵排量提供方便。本文以ZF 16S2530 TO機(jī)械式手動(dòng)變速器為例，通過逆向分析法得到其油泵排量。

2.2 三維掃描

本文通過光柵式三維掃描儀完成零件掃描，掃描儀為德國Breuckman生產(chǎn)的產(chǎn)品，其型號(hào)為STEREO SCAN。圖1為光柵式三維掃描儀工作示意，其基本原理是將光柵連續(xù)投射到物體表面，攝像頭同步采集圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行計(jì)算，并利用相位穩(wěn)步極線實(shí)現(xiàn)兩幅圖像上的三維空間坐標(biāo)(X、Y、Z)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面輪廓的測量。當(dāng)遇到既需要掃描面數(shù)據(jù)，也需要個(gè)別特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)測量時(shí)，可配合使用光學(xué)觸筆(3D Probe)，點(diǎn)測量數(shù)據(jù)可以與工業(yè)級(jí)三維掃描儀數(shù)據(jù)自動(dòng)結(jié)合。該設(shè)備可以對(duì)工件的孔位、邊界線、特征線等進(jìn)行快速靈活地測量，經(jīng)處理后得到三維數(shù)據(jù)模型，可廣泛應(yīng)用于磨具設(shè)計(jì)、逆向工程、實(shí)物測量、質(zhì)量檢測和控制等領(lǐng)域。通過三維掃描儀得到ZF 16S2530TO變速器油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的點(diǎn)云模型如圖2所示。

圖1 光柵式三維掃描儀工作示意

圖2 內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的點(diǎn)云模型

2.3 逆向建模

零件的逆向建模通過Geomagic Design X軟件完成，此軟件可以快速地將3D掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)體或曲面，還可以通過設(shè)計(jì)師自主意愿更改或添加某些元素，這些功能可以完全補(bǔ)足光柵掃描儀的缺陷，還可根據(jù)設(shè)計(jì)師的意愿對(duì)零件進(jìn)行改型。通過Design X軟件逆向建模得到該油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子及外轉(zhuǎn)子的三維模型，如圖3和圖4所示。并且可根據(jù)該模型測得油泵關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)一步分析計(jì)算即可得到該油泵的排量。

圖3 內(nèi)轉(zhuǎn)子三維模型

圖4 外轉(zhuǎn)子三維模型

2.4 排量逆向分析計(jì)算

2.4.1 轉(zhuǎn)子測繪

擺線齒輪泵外轉(zhuǎn)子比內(nèi)轉(zhuǎn)子多一個(gè)齒，內(nèi)轉(zhuǎn)子有N個(gè)齒，外轉(zhuǎn)子就有N+1個(gè)齒[5]。內(nèi)、外轉(zhuǎn)子齒形及各部位名稱如圖5和圖6所示。其中外轉(zhuǎn)子曲線由N+1段限制圓圓弧和N+1段齒形圓圓弧交叉連接而成，創(chuàng)成圓是用作繪制齒形圓圓弧的。由于內(nèi)轉(zhuǎn)子為擺線，不易測參數(shù)，而外轉(zhuǎn)子為圓弧曲線，易測出齒形圓半徑a，又由于創(chuàng)成圓半徑R等于外轉(zhuǎn)子的齒頂圓半徑Re2與齒形圓半徑a之和,即R=Re2+a。當(dāng)確定了轉(zhuǎn)子原始參數(shù)Z1、Z2、e、R和a，即能確定轉(zhuǎn)子的形狀和大小，其他參數(shù)均可通過內(nèi)外轉(zhuǎn)子嚙合的幾個(gè)特殊位置用以上參數(shù)求出。其中Z1為內(nèi)轉(zhuǎn)子齒數(shù)，Z2為外轉(zhuǎn)子齒數(shù)，e為偏心距，R為創(chuàng)成圓直徑，a為齒形圓半徑。

圖5 內(nèi)轉(zhuǎn)子齒形及各部件名稱

圖6 外轉(zhuǎn)子齒形及各部件名稱

2.4.2 排量分析計(jì)算

由第2.4.1節(jié)可知，確定了油泵內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的原始參數(shù)Z1、Z2、e、R和a，即能求出油泵排量。在CAD中可以測得ZF 16S2530 TO油泵偏心距e=3.83 mm，齒形圓半徑a=11.04 mm，創(chuàng)成圓半徑R=33.90 mm，如圖7及圖8所示。

圖7 ZF 16S2530TO 油泵內(nèi)、外轉(zhuǎn)子偏心距

圖8 ZF 16S2530TO 油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子尺寸參數(shù)

此外由逆向三維模型可測得齒寬B=24 mm。內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的齒根圓半徑和齒頂圓半徑計(jì)算公式[6]為：

Ri1=R-a-e

(2)

Re1=Ri1+2e=R-a+e

(3)

Ri2=Re1+e=R-a+2e

(4)

Re2=R-a

(5)

式中：Ri1為內(nèi)轉(zhuǎn)子的齒根圓半徑；Re1為內(nèi)轉(zhuǎn)子的齒頂圓半徑；Ri2為外轉(zhuǎn)子的齒根圓半徑；Re2為外轉(zhuǎn)子的齒頂圓半徑；e為偏心距。

由式(2)至式(5)可求出ZF 16S2530 TO油泵內(nèi)、外轉(zhuǎn)子齒根圓及齒頂圓半徑，即：Ri1=19.03 mm；Re1=26.69 mm；Ri2=30.52 mm；Re2=22.86 mm。

油泵排量近似計(jì)算公式為：

(6)

式中:V為油泵排量；B為油泵內(nèi)、外轉(zhuǎn)子齒寬。

由式(6)可得出ZF 16S2530TO油泵排量為26 mL/r。

3 結(jié)束語

本文對(duì)重型變速器油泵進(jìn)行簡單介紹，以ZF 16S2530TO為例通過三維掃描、逆向建模及二維圖測繪得到油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子及外轉(zhuǎn)子相關(guān)參數(shù)，結(jié)合油泵內(nèi)、外轉(zhuǎn)子形成原理，計(jì)算競品變速器油泵排量。通過油泵排量逆向分析方法可以十分便捷地得到競品變速器油泵排量大小，在深入分析多個(gè)競品變速器油泵過程中，可以總結(jié)出一定經(jīng)驗(yàn)，為公司產(chǎn)品匹配合適排量的油泵提供方便。