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本科畢業(yè)論文（設計） 題 目 車用電子旋片真空泵的設計與研究 學 院 專 業(yè) 車輛工程 年 級 學 號 姓 名 指 導 教 師 成 績 2014 年 5 月 5 日 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） i 目錄 摘要 ......................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................ 文獻綜述 .............................................................................................................................................. 1 ................................................................................................................................. 1 ........................................................................................................................ 1 .................................................................................... 2 1 引言 ...................................................................................................................................................... 6 ............................................................................................................... 6 片泵的工作循環(huán)過程 ..................................................................................................... 7 ............................................................................................................... 8 2 設計要求 ............................................................................................................................................ 8 能要求 ................................................................................................................................ 9 料選擇要求 ....................................................................................................................... 9 3 結構參數(shù)的選擇 ............................................................................................................................. 10 ...................................................................................................................... 10 n ................................................................................................................... 11 ............................................................................................................................ 11 b ................................................................................................................................ 11 a ................................................................................................................................ 11 v ....................................................................................................... 11 ...................................................................................................................... 13 ...................................................................................................................... 13 4 三維結構模型的建立 .................................................................................................................... 14 維建模技術概述 ............................................................................................................ 14 部件的建模過程 ............................................................................................................ 15 體總成的虛擬裝配 ....................................................................................................... 21 維工程圖的生成 ............................................................................................................ 24 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 旋片泵的動力學研究 .................................................................................................................... 25 ........................................................................................................ 26 片的運動加速度研究 ................................................................................................... 28 ........................................................................................................ 29 6 結論 .................................................................................................................................................... 32 參考文獻 ............................................................................................................................................... 32 致謝 ........................................................................................................................................................ 34 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 用電子旋 片式真空泵的設計 與研究 摘要 ： 本文對小型乘用車電子旋片真空泵的具體性能需求進行分析，并根據實際設計要求計算出旋片泵抽氣機構的尺寸大小。系統(tǒng)的進行旋片式真空泵的結構設計，并著重對進、排氣口角度進行設計， 采用在上下 端蓋上設置進、排氣口的方案。 以及對泵體 的噪音源進行分析，確定采用抗性消音器的原理設計外殼的消聲器 。利用三維設計軟件 裝配設計模塊對各個零部件進行虛擬裝配， 檢查 裝配后虛擬總成的合理性。 并根據三維到二維的高效轉化方法，轉化為工程圖紙。 最后 對旋片機構進行運動學和動力學研究分析，為其平衡及強度設計建立基礎。 關鍵詞 ： 制動系統(tǒng)；旋片式； 電子真空泵；結構設計 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） of a 00716, of an in In of is of of of of is is to of in a is a is on 南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 1 0 文獻綜述 究背景 制動性作 為是汽車 主要性能之 一 ,它涉及到駕駛員和乘客的生命以及財產安全，是汽車在高速行駛時能迅速完成剎車的重要保障。目前．絕大多數(shù)的轎車和裝載質量小于 3． 5系統(tǒng)可提高制動可靠性和減輕駕駛員的疲勞，有利于降低行車事故發(fā)生率，提高整車安全性，應用日益廣泛。真空泵主要作用是為真空助力制動系統(tǒng)中的制動伺服裝置提供動力。多裝在 2． 5期的汽油動力車助力制動系統(tǒng)的動力源主要來自于發(fā)動機的進氣歧管產生的真空。但是汽油發(fā)動機在低速時， 會出現(xiàn)進氣歧管真空度下降，導致剎車助力下降，影響剎車性能。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人們駕乘標準的不斷提高，越來越多的汽油動力車上也開始加裝了獨立式真空泵 [1]。 空泵的類型 真空泵即產生、改善和維持真空的裝置。 基本上分為氣體傳輸泵和氣體捕集泵兩種類型，氣體傳輸泵又分為變容真空泵和動量傳輸泵。具體分類見圖 0 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 2 圖 0空泵的分類 of 片式真空泵的起源與發(fā)展現(xiàn)狀 轉式葉片泵的發(fā)展概述 1909年蓋德 (W． 明旋片泵并取得德國專利， 1936年又發(fā)明氣鎮(zhèn)泵， 1941西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 3 年取得專利 [2]。 60 年代末，國際上對旋片泵進行了提高轉速和小型化的改進；直到 70 年代初，市場上出現(xiàn)了直聯(lián)式旋片泵。 80 年代初，設計人員又對旋片泵結構進行改進，增加了油路止回閥和氣道截止閥，來改善抽氣時的返油現(xiàn)象；另外在附件上，消霧器、入口過濾器、氣味過濾器、灰塵過濾器等的加入，給了用戶更多的選擇空間。90 年代初，又推出了能監(jiān)視油壓、油溫、油質等的電子顯示器，一些附件甚至開始可以與計算機聯(lián)接，便于對旋片泵運行工 況進行自動控制。一百多年來，通過研究人員不斷的改進推廣，旋片式真空泵得到了廣泛應用和不斷完善。 旋片式真空泵是一種利用轉子和可在轉子槽內滑動的旋片，組合形成旋轉運動以獲得真空的一種變容機械真空泵，具有結構簡單 、體積小、重量輕、抽氣量大、效率高等特點。 它可以作為其他真空泵的前級泵，也可以單獨使用。旋片式真空泵主要用于抽取容器中的干燥氣體，如果安裝有氣鎮(zhèn)裝置，還可以抽取含一定量油氣的可凝性氣體。目前，旋片泵已被廣泛應用于機械、電子、冶金、化工、輕工、石油及醫(yī)藥等領域 [3]。但旋片泵不適合用于抽取有爆炸性的、對金 屬有腐蝕性的、含有顆粒塵埃的氣體。當采用工作液來進行潤滑并填充泵腔死隙，分隔排氣閥和大氣時，即為通常所稱的油封旋片真空泵。無工作液時，即為干式旋片真空泵。 內外 發(fā)展 現(xiàn)狀比較 近年來，隨著我國電子科技、食品加工、醫(yī)療生產等方面的不斷進步，對旋片式真空泵的各項性能指標的要求也越來越高，急切需要更可靠、更高效的旋片泵產品來滿足國內生產的需求。 (1)國內外的旋片泵產品性價比參數(shù)相差巨大 。雖然近幾年來，國產旋片泵的性能指標比如：抽氣速率、極限真空、用油量、最高使用溫度等方面取得了一定的進步，但是在一些用 戶比較關心的方面，如密封、重量、比功率、使用壽命、外形、噪聲等方面，與國外的同類產品相比還存在著很大的差距 [4]。與國外產品相比，國產旋片泵存在的問題具體表現(xiàn)在以下幾個方面 [5 a) 抽氣效率過低 泵的抽氣效率是指實際抽速與理論抽速之比。按照 1997《旋片真空泵》標準規(guī)定， 2雙級泵的抽氣效率不應低于 45％， 1． 50％。該項指標表示了泵的抽氣能力，旋片泵不合格產品中有 40％是因為該項指標過低。 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 4 b) 存在噴油漏油現(xiàn)象 不噴油、不漏油是關系著環(huán)境保護的重要指標，對于制冷、半導 體、電子、食品包裝行業(yè)來說都是不允許有噴油漏油現(xiàn)象的。當前旋片泵不合格產品中有 20％是因為該問題的存在。 c) 噪聲過大 工作噪聲也是評價旋片式真空泵 的重要指標 ,特別是在對 合 ,比如汽車發(fā)動機艙。標準 6533規(guī)定 ,抽速為 2L/s 的旋片泵噪聲不得大于 72產旋片泵中有些產品噪聲高達 75不合格的產品中 ,有 20%是因為工作噪聲過大。 以上三個方面是目前國產旋片泵存在問題比較嚴重的地方。此外，在極限壓力、比功率、用油量、重量、最高使用溫度、外觀造型上都還有待提高。我 國的真空泵市場十分巨大 ,旋片式真空泵又占據了真空泵設備銷量的第一位。但這個銷售情況也僅限于油封式旋片泵 ,在干式旋片泵 市場 ,具有自主知識產權的干式旋片泵基本沒有。旋片式真空泵的結構雖然相對簡單 ,但其對工藝設計、加工及裝配精度的均有很高要求 ,特別是對于干式旋片泵 ,其核心部件對材料的要求很高 ,這也是導致我國干式旋片真空泵發(fā)展緩慢的主要原因 之一 。 目前 ,在汽車配套方面 ,旋片泵市場幾乎被德國壟斷。配套高級轎車的有德國大陸 (團生產的膜片泵 ,主要應用于奔馳、寶馬等品牌的車型 ;配套中、低級轎車的 有德國海拉 (產的旋片泵 ,主要應用于大眾、通用、奇瑞等品牌的 車型。 片式真空泵理論研究現(xiàn)狀 目前，真空泵的理論研究主要集中在泵的材料、結構、流體流動、傳熱、噴油、可靠性等方面的計算和簡化模型的分析和實驗，以及對整體或部分的計算機模擬仿真。其中，相對于其他的真空泵，如渦旋泵、羅茨泵、螺桿泵、水環(huán)泵等，旋片泵的理論研究更少。綜合各文獻，真空泵的理論研究主要集中在以下幾個方面： a) 結構研究：包括真空泵的整體和部件結構，如吸氣口和排氣口的確定，工作腔局部的位置和形狀，工作副的間隙大小，以及結 構的有限元分析等。 b) 傳熱研究：包括對傳熱模型的簡化分析計算和實驗以及計算機模擬分析。 c) 材料研究：主要是對材料的測試和分析，對其強度及耐磨性等相關信息進行比較。在滿足強度要求的情況下，求取最合適的摩擦副。 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 5 d) 真空泵性能研究：包括對真空泵的運動特性、功率損耗、振動噪聲等整體性能的分析比較和實驗。 e) 泵油的研究：油液對真空泵的工作過程和內部參數(shù)的影響，包括噴油對其的 影響和對噴油狀態(tài)的測試分析。 在真空泵的理論研究文獻中，以旋片式真空泵作為研究對象的很少，主要集中在渦旋泵、羅茨泵、螺桿泵、滑閥泵等方面。而且，在現(xiàn)有的 旋片泵研究中，對主題結構研究主要 集中在材料和局部結構上，對整體結構的改進的研究較少。 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 6 1 引言 電子式真空泵是指在汽車上由直流電機驅動，并由電子元件控制的旋片式真空泵， 近年來在小型汽油發(fā)動機汽車中廣泛使用。電子式旋片泵由工作腔、連接支架和驅動電機組成。電子式旋片泵的特點是：驅動力由直流電機提供，電力來自 12動機轉速較高，一般為 3000~5000r/作時間可根據汽車需要由電子元件控制；為了減輕泵體總量 ，一般采用自潤滑的工作方式，轉子與旋片多為自潤滑性能較好的非金屬材料。 電子式旋片泵由直流電機驅動，因此它的抽氣速率不會受發(fā)動機的運行工況的影響，而且真空度傳感器與控制單元的加入，可以使汽車智能的啟動或暫停旋片泵，大大減少旋片泵的實際運行時間。另外，在汽油發(fā)動機中增加電子式旋片泵，不需要發(fā)動機直接提供動力，對汽車動力性的影響較小。 片泵的工作原理 旋片泵在工作時，轉子帶動葉片旋轉，葉片借離心力 (有的還有彈簧力 )緊貼定子 內壁，把進排氣口分割開來，使葉片兩側氣腔的容積大小發(fā)生周期性變化，從而完 成吸氣、壓縮、排出氣體的過程 [7]。 其中起抽氣作用的是各個基元腔，它是由前后兩葉片、轉子和定子組成的容積腔。工作過程可分為三個步驟： a) 當?shù)谝粋€葉片掃過進氣口時，基元腔體積逐漸變大，開始吸氣過程； b) 當?shù)诙€葉片關閉進氣口時，基元腔體積達到最大并開始逐漸變小，開始壓縮過程； c) 當?shù)谝粋€葉片掃過排氣口時，基元腔體積繼續(xù)變小，開始排氣過程。 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 7 (a) (b) 圖 1片泵工作腔結構原理圖 片泵的工作循環(huán)過程 車用旋 片式真空泵的工作腔由多個基元容積腔組成，在轉子的每個運動周期內，各個基元都完成相同的工作循環(huán)過程。因此，只需研究其中一個基元容積腔的循環(huán)過程，就可以了解整個真空泵的工作情況。 基元的容積大小隨轉子的轉角變化而變化，設轉子旋轉一周的時間為 T，則每過一個周期 T，基元容積腔便完成一個完整的循環(huán)過程。假設基元容積最小時為零，并以此刻作為轉子轉角的 起點，便可繪制轉子旋轉過程中基元容積和轉角的關系曲線，如圖 1-2(a)所示。圖中 是每個基元所能吸入的最大氣體體積。 通過合理的設計，可以保證基元容積在不斷變大的情況下，基元始終與進氣口相連接，直到基元容積腔體積達最大時停止進氣；進氣口關閉后，氣體開始壓縮，且基元內氣體壓力的升高；排氣口接通，當基元內氣體壓力足夠高時，開始排氣。如圖 1-2(b)所示，由 1 到 2 是旋片泵的吸氣過程， 2 到 3 是氣體的壓縮過程， 3 到 4 是排氣過程。其中， 2 ? 、 2 ? 、 2 ? 是分別考慮到壓縮過程可能為絕熱、多方、等溫等情況。 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 8 (a) 基元容積與轉角的關系曲線 (b)工作腔內氣體循環(huán)過程 圖 1片泵基元的理論工作循環(huán) (a) a of (b) of -2 文 研究 設計 內 容 a) 根據 小型 乘用車對電子真空泵的性能要求，推導旋片泵主要性能參數(shù)的設計方法，并確定旋片泵的結構尺寸，然后 建立車用旋片泵的三維結構模型。 b) 對零部件進行虛擬裝配，檢查其設計的合理性，并探究在三維設計軟件中從三維到二維的高效設計方法。 c) 對旋片機構進行運動學和動力學進行 研究分析， 推導葉片的速度、加速度以及受力的計算公式，為其平衡及強度設計建立基礎。 2 設計要求 在車用旋片泵的結構設計過程中，可以簡單分為以下四個步驟。首先，根據汽車對該電子真空泵的性能要求，計算出旋片泵的主要結構尺寸；其次，設計旋片泵的內部結構， 包括工作腔形狀及氣體管道的布置等；再次，設計旋片泵的外觀形狀及與汽車車架的連接方式；最后根據實際需求對零件總成進行結構優(yōu)化，在保證功能強度的前提下，減輕旋片泵總成的質量和體積。 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 9 能要求 本課題設計 的旋片式電子真空泵，是向 小型乘用 汽車的助力制動系統(tǒng)提供真空源的汽車零部件， 根據《汽車真空泵性能要求及臺架實驗方法》， 其性能必需滿足以下幾個要求： （ 1）該電子真空泵的極限工作溫度至少為 ?40° C~+120° C，以保證汽車助力制動系統(tǒng)在極寒或極熱環(huán)境下均能正常工作； （ 2）該電子真空泵的極限工作電壓至少為 6V~16V，以保證汽車助力制動系統(tǒng)在電壓不穩(wěn)定時能正常工作； （ 3）旋片泵的極限真空度要達到當前大氣壓的 86%以上，以保證汽車助力制動系統(tǒng)的助力強度； （ 4）在當前大氣壓下，從容積為 真空罐開始抽氣，必須保證真空罐內部真空度達 50%時所需時間不超過 4 秒，真空度達 70%時所需時間不超過 10 秒，以保證汽車的助力制動系統(tǒng)的響應速度。 （ 5）電子真空泵的累積工作時間不低于 500 小時。 表 2-1 數(shù)名稱 工作溫度范圍 工作電 壓范圍 測試真空腔容積 達到 50%真空度的時間要求 達到 70%真空度的時間要求 極限真空度要求 工作壽命要求 要求 C 6V~16V 于 4s 小于 10s ≥ 86% ≥ 500h 料選擇要求 在旋片泵工作時，轉子與旋片是泵腔內的主要運動部件，受到來自泵腔內壁摩擦、氣體壓力、自身慣性力等載荷的作用，運行條件比較惡劣，因此在材料的選擇上必須重點關注。在干式旋片泵的 設計中，由于缺少泵油的潤滑，旋片與轉子的材料選擇不僅需要滿足強度要求、輕量化要求，還要滿足自潤滑性能的要求。另外，考慮提高旋片泵的使用壽命，旋片材料還要具有較高的耐磨性。 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 10 參考機械設計手冊， 干式旋片泵的旋片材料一般以非金屬材料為 主，如陶瓷、酚醛樹脂、石墨等。本課題中，旋片與轉子均采用聚甲醛材料， 具有強度高、質量輕、自潤滑和耐磨性好等優(yōu)點。 3 結構參數(shù)的選擇 結構參數(shù)的確定是產品結構設計的前提，根據車用旋片泵的性能要求，對每一個影響性能參數(shù)的結構參數(shù)進行計算分析，最終得出產品的結構尺寸。 何抽速 氣速率是指旋片式真空泵在單位時間內抽出氣體的體積，常用單位為升 /秒（ L/s）， 主要 包括名義抽速、幾何抽速和實際抽速。 a) 名義抽速 名義抽速是指泵在出廠時，標牌上鎖表明的抽氣速率。 b) 幾何抽速 幾何抽速是泵按照額定轉速運轉時，在單位時間內抽出氣體的體積。幾何抽速n，以及旋片數(shù)目 ： （ 3 式中 A—— 吸氣終了時吸氣腔的截面積； L—— 泵腔高 度。 c) 實際抽速 實際抽速是在實際應用中測得的泵的抽氣速率。實際抽速是入 口處壓力的函數(shù)，在實際抽氣過程中，隨著入口處壓力的下降而下降。當入口處壓力等于極限壓力時，實際抽速變?yōu)榱恪４藭r，泵抽取的空氣的體積等于泵內氣體通過間隙返回吸氣腔的氣體體積。在正常大氣壓下，泵在設計時要考慮使實際抽速等于名義抽速。 國內行業(yè)標準規(guī)定用幾何抽速來考核抽氣效率。 根據表 2旋片泵抽氣速率的要求，結合旋片泵性能參數(shù)的計算方法，可得當名義抽速 1(L/S)時，可以滿足抽速需求。根據標準 6533的幾何抽速 8]。 為了保證名義抽速， 則 應選較大的 。 ，這里取 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 11 動主軸轉速 n 對于同一抽速，轉速小則尺寸大，體積大，重量大，材料消耗較大，但溫升較低，旋片頭部最大線速度較小，對旋片材質和泵油要求較低，橡膠件不易老化?？紤]到汽車發(fā)動機艙空間有限，對泵體體積、重量要求嚴格，這里取較高轉速 n = 3800 r/ 片數(shù)目 Z 普通真空泵一般葉片數(shù)為 2。因為片數(shù)多，加工復雜，成本高。通過旋片泵幾何抽速的計算可知，當泵的轉速達到較高的數(shù)值時，再增加旋片可以在不加大轉子偏心距，又不增加最大線速度的情況下提 高抽速。車輛用真空泵為增加怠速時的抽速，取Z=5，這樣多個葉片可共同工作，也可使真空泵性能更加穩(wěn)定。 徑比 b B=d／ D， 速一定， 心距 運轉時旋片最大伸出長度與留在槽內的長度之比大，旋片受力大，容易磨損或發(fā)生故障，在實用中 b=0． 75~0． 90。連續(xù)工作入口壓力較低的可取小值，反之可取大值。在這里，初選 b = 。 徑比 a a=h/D， 泵溫、磨損有關，影響加工 工藝性外形尺寸和重量以及外形的美觀。 用化規(guī)格選擇不當，會使泵溫度較高，外形尺寸大，重量大，一般取 a=o． 5～ 1． 5，對于大泵取大值，小泵取小值。初選 a = 。 際容積利用系數(shù) 容積利用系數(shù)即旋片泵吸氣結束時，進氣腔容積占整個工作腔容積的比例，通?？偼ㄟ^合理的布置進氣口和進氣導流槽來獲得最大吸氣容積利用系數(shù)。由圖 3以很清楚的看到當相鄰兩葉片相對于 x 軸對稱時，吸氣腔的橫截面積最大。 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 12 圖 3 r 為轉子半徑、 R 為定子半徑、 z 為葉片數(shù)目，則直徑比 b =d/ D= 、 P 2= /z。 令 S 為工作腔橫截面積， 吸氣腔橫截面積， 積， （ 3 （ 3 （ 3 （ 3 （ 3 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 13 （ 3 當采用五片式旋片泵結構時，初步設計 容積利用系數(shù) 。 算泵腔尺寸 旋片泵腔的主要尺寸間存在如下關系 [9]： （ 3 （ 3 （ 3 （ 3 把前面選定的系數(shù)代入上式，再對計算出的數(shù)值圓整后，可得： D == ， h = = ，單位為 算 旋片尺寸 ① 轉子中葉片槽偏置距離 的選取 根據轉子尺寸大小，選取 = 。 ② 旋片厚度 B 的選取 對于高速直聯(lián) 干式真空泵，一般都應采用非金屬的旋片材料。這里選用聚甲醇材料， 厚度 B = 3(根據上面的分析計算，可以得出車用旋片式電子真空泵的主要結構參數(shù)，如表 3表 3he of 稱 泵腔直徑 子直徑 腔高度 子偏心距 片數(shù)目 葉片偏心距 片厚度 機轉速 r/小 48 40 22 4 5 11 3 3800 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 14 4 三維結構模型的建立 維建模技術概述 三維建模技術是結構設計的主要技術手段，是計算機視覺、計算機動畫、計算機虛擬現(xiàn)實等領域中建立三維實體模型的關鍵技術。任何形狀的產品都可以看作是由三維幾何構成的組合體，用來描述產品的形狀、尺寸大小、位置與結構關系等幾何信息的模型稱為幾何模型。而設計建立這個集合模型的技術即稱為三維建模技術。 在旋片泵的結構設計中，本課題采用 維建模軟件。 法國達索公司的產品開發(fā)的旗艦解決方案。 件可以幫助制造廠商設計他們未來的產品 ，并支持從項目前階段、具體的設計、分析、模擬、組裝到維護在內的全部工業(yè)設計流程 。 圖 4件主界面 南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 15 部件的建模過程 旋片式真空泵的結構各種各樣，本課題設計的旋片泵采用無潤滑油的工作形式，且安裝于汽車發(fā)動機艙，設計過程中重點考慮了結構的簡單化和輕量化。該旋片泵由近 30個零件組成，按照各個零部件的功能劃分，產品模型可以分為三大部分：抽氣機構、驅動機構、外殼及附件機構。 圖 4片泵的組織結構圖 抽氣機構的結構設計 ① 泵腔組件的設計 旋片泵的工作腔是由定子、上下端蓋組成的密閉空間，是旋片泵的核心部件，必須保證采用可靠的材料。對于干式旋片泵，由于沒有潤滑油的冷卻作用，選取的材料必須 是耐摩擦和耐高溫的，經過查閱機械設計手冊，這里選用碳素結構鋼 45。工作腔大小決定著旋片泵的抽氣速率，通過上一章的理論計算，已知當轉子直徑為 40度為 22子內壁直徑為 48，可以滿足 對抽速的設計 要求。 ② 轉子與旋片組件的設計 在干式旋片泵中，為減小真空泵的內泄漏，一般采用 3~6 個槽的轉子結構，本次設計采用五槽的轉子結構。由一般旋片泵的設計經驗可知，使葉片相對轉子徑向傾斜一定角度，可以減小葉片頂部作用力對葉片沿滑槽運動的阻礙，改善葉片在滑槽中的運動情況，避免葉片側面與滑槽間的嚴重磨損。 在油封式旋片泵中，一般采用強度高、變形小的鑄鐵作為轉子與葉片的材料；而在干式旋片泵中，一般采用非金屬材 料，如陶瓷、酚醛樹脂、石墨等，這里選用耐磨性好的聚甲醛 材料。轉子的高度為 22徑為 40片高 度為 22度為 3度為 18 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 16 圖 4腔組件模型示意圖 of 4子與旋片模型示意圖 of 南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 17 ③ 進氣口的開設 對于油潤滑的旋片泵，進排氣口一般開設在定子上，這樣便于整體的鑄造加工。而這里設計的旋片泵，是無油潤滑，且必須考慮結構的緊湊性。因此，本課題 設計的旋片泵進排氣口開設在上下端蓋。進排氣口角度的開設，直接影響了旋片泵的抽速及工作效率。對于進氣口角度的開設，要求當基元容積達到最大時，進氣口恰好關閉，這樣可以保證旋片泵的抽氣速率達到最快 [10]。在吸氣過程中，相鄰兩葉片的軸線與定子內壁交點 A、 B，關于 X 軸對稱時，它們組成的吸氣腔容積達到最大。對于五槽式旋片泵，兩葉片間的夾角為 72°，此時 x 軸的夾角為 36°。如圖 4示，為保證此時進氣口恰好關閉，通過幾何作圖，可以確定進氣口角度為 46°。 圖 4用幾何作圖原理確 定進氣口的角度 -5 to of 排氣口的開設 在干式旋片真空泵中，轉子偏心的安裝于定子內部，轉子外圈與定子內壁接觸，并存在相對運動。一般在初次安裝時，盡量讓轉子與定子內壁壓緊接觸，但由于磨損效應，轉子與定子總會出現(xiàn)間隙。這個間隙的出現(xiàn)會導致排氣腔內的氣體回流到吸氣西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 18 腔，降低了旋片泵的極限這空度與工作效率。因此，必須合理設計排氣口的角度，使回流的氣體體積達到最小。在排氣過程中 ，當相鄰兩葉片的軸線與定子內壁交點 A、B，關于 X 軸對稱時，它們組成的回流腔容積達最小。對于五槽式旋片泵，兩葉片間的夾角為 72°，此時 x 軸的夾角為 36°。為保證此時排氣口恰好關閉，通過幾何作圖，可以確定排氣口的角度，如圖 4示。 圖 4用幾何作圖原理確定排氣口的角度 to of 驅動機構的結構設計 ① 支架結 構的設計 直聯(lián)式旋片泵的支架具有連接泵體工作腔與直流電機、開設進排氣道，與汽車車架連接等作用。它作為一個連接部件，既要保證其強度，又要盡可能的減輕重量。經過對比分析， 鋁鋅 合金 其鑄造性能好，將起作為 支架的加工材料。 在結構設計的過程中，首先 根據泵腔組件的結構，確定支架上表面的氣道開孔位置；再次，根據選擇 的電機模型，設計支架下表面的結構形狀，并確保不與電機上端蓋的電子器件干涉；最后，根據旋片泵在發(fā)動機艙的固定方式，設計兩個安裝泵體總成用的支臂。 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 19 圖 4架組件的模型示意圖 of 電機與驅動組件的設計 在動力驅動組件的設計中，根據上一章的計算結果，選用德昌電機集團生產的直流電機，該電機在轉速 3800r/，可以輸出 合該旋片泵所需的動力需求。 該旋片泵采用電機直驅的動力傳遞方案，相比傳統(tǒng)的直聯(lián)式旋片泵，中間省略了聯(lián)軸器零件，使整體結構更緊湊，運行更平穩(wěn)。電機直驅方案是指在直流電機的輸出軸處壓入一個用于遞扭矩的撥動塊（起到類似鍵連接的作用），通過撥動塊驅動轉 子，實現(xiàn)旋片泵的正常運轉。 圖 4機與驅動組件的模型示意圖 of 外殼及附件機構的結構設計 ① 外殼消聲器組件的設計 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 20 對于直聯(lián)式旋片泵，運行過程中的噪聲主要來自三個方面：泵體、聯(lián)軸器和電機。本課題選用的直流電機功率較小，相對泵體而言，其運行過程中產生的噪聲可以忽略；該旋片泵采用電機直驅方式，取消了聯(lián)軸器結構，也不存在聯(lián)軸器產生噪聲問題；因此，泵體噪聲是在設計過程中唯一需要 重點考慮的噪聲源。 泵體噪聲又可分為機械噪聲和氣壓噪聲。機械噪聲包括轉子與泵腔內壁的摩擦噪聲、運轉過程中旋片對定子內壁的沖擊噪聲、機械不平衡引起的振動噪聲和共振噪聲；氣壓噪聲主要包括進排氣時氣體的沖擊噪聲、有害空間引起的氣流噪聲。這些噪聲都會隨著氣體排到空氣，影響乘車人員的舒適性。因此很有必要在旋片泵的排氣口出設計一消聲器，減小噪聲的對外擴散。 抗性消聲器是指利用管道的突然擴張、收縮或旁接共振腔，使沿管道傳播的噪聲在截面突變處有一部分向聲源反射回去，而不通過消聲器 ,這種消聲器對中低頻噪聲消聲效果好高頻較差 [11]。 這里設計的消聲器便是利用了抗性消聲器的工作原理，該消聲器由外殼、橡膠圈、上端蓋和定子組合而成，如圖 4示。噪聲通過泵腔排氣口時，噪聲的通道截面突然擴張，通過橡膠圈口時又突然收縮、擴張，然后通過外殼與定子組成的通道時截面再次收縮，這一過程取到了抗性消聲的作用，如圖 4示。 圖 4殼消聲器組件的結構示意圖 of 南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 21 圖 4聲的傳播路線及消聲器原理圖 密封組件的設計 旋片式真空泵作為一臺真空抽氣機械，其密封性直接影響了整機的性能。旋片泵總成除了進氣口與排氣口與外部零件相連，其余部位均要實現(xiàn)密封，保證內部氣體不對外泄漏，外部水汽也不進入泵體。在泵腔內部，通過轉子、葉片與泵腔的滑動接觸在實現(xiàn)密封，少量的泄漏無法避免；在泵腔外部，選用橡膠圈，基本可以保證連接件間的密封無泄漏。密封圈的形狀必須根據連接部件接口處的形狀來設計，因為橡膠的可變形性 ，密封圈大小可以比接口處間隙稍大。 ③ 其它組件的設計 除了以上介紹的零部件，一臺旋片泵總成還需要用于減小振動的橡膠襯套和用于固定的螺栓等零部件，這里就不再詳細介紹。 體總成的虛擬裝配 虛擬裝配是三維結構設計中的一個重要環(huán)節(jié)，在虛擬技術領域和仿真領域中都得到廣泛的應用。它是一種零件模型按照約束關系進行重新定位的過程，可以根據產品設計的形狀特性、精度特性，真實地模擬產品的裝配過程。通過虛擬裝配，可以檢查各零部件間是否存在干涉，有效的分析產品結構設計的合理性。 本課題的采用由里到外、逐級引用的方式，建 立旋片式真空泵的虛擬裝配模型。其裝配方式如下： （ 1）按照功能把旋片泵分成 3 個一級部件，每個部件又可以分成 3 到 7 個二級部件； （ 2）逐次對上下級的從屬關系進行描述，利用幾何特征位置記錄下零件間的裝西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 22 配關系； （ 3）在 ，新建一級部件的存檔，把各個零件插入進去，再根據裝配特征進行約束； （ 4）新建用于存 放總裝模型 的存檔，插入各個一個部件，再次對其進行裝配約束； （ 5）最后把附件都裝配上去，虛擬裝配就完成了。裝配后的零部件可以通過參數(shù)化和無約束化兩種方式來修改，并把修改后的零件更新 到總裝 圖，保證了零部件與總裝配圖的數(shù)據一致性，具體裝配步驟如下。 抽氣機構的裝配是以定子為固定元件，其它零部件通過插入“相合”、“接觸”、“偏移”和“角度”命令裝配到定子上，組成一個具有抽氣功用的泵腔。 圖 4氣機構裝配示意圖 驅動機構的裝配 在實際裝配中，撥動塊內孔與電機主軸是過盈配合，必須通過壓機才能把它們裝配上；而電機與支架間是通過圓孔定位，再用三顆 栓進 行固定。在虛擬裝配中，與抽氣機構的裝配一樣，通過 約束命令，就可以準確無誤的把撥動塊安裝到驅動主軸上面。 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 23 圖 4動機構裝配示意圖 旋片泵總成的裝配 圖 4片式電子真空泵虛擬裝配模型 南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 24 圖 4片式電子真空泵裝配剖 切模型 of 維工程圖的生成 在機械產品的設計過程中，一般都要以二維工程圖來表達產品中零件的尺寸、材料和工藝特征，并以此來指導生產。在傳統(tǒng)的設計思路里，二維 圖有獨立的制圖工序，經常脫離了產品的三維設計；現(xiàn)在三維制圖軟件的普及，比如三維軟件 以通過三維實體圖形直接生成二維工程圖紙，并進行詳細標注 ， 從三維模型到二維工程圖的制圖流程如圖 4示： 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 25 圖 4維工程圖的生成流程圖 a D 旋片泵的動力學研究 旋片式真空泵在運行過程中，主要運動部件是轉子與旋片。其中，旋片作隨轉子旋轉和沿旋片槽來回滑動的復合運動，運動及受力情況比較復雜，也是旋片泵最脆弱的零件 [13]。因此，對旋片進行運動與受力分析，是旋片泵產品動力平衡設計、強度設計和可靠性分析的基礎。 西南大學工程技術學院畢業(yè)設計（論文） 26 片的運動速度研究 圖 5片運動的速度分析圖 of 據復合運動的特點，旋片的絕對運動速度為： （ 5 式中， 為牽連速度，即角速度ω與牽連向徑 之積，