叶片泵
阅读：700发布：2020-05-12
专利汇可以提供叶片泵专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 叶片 泵 包括： 定子 ，在定子中形成有进油弧形槽和排油弧形槽；偏心地容纳在定子中的 转子 ；在转子中沿径向形成的多个叶片槽；以及多个叶片，每个叶片分别适于在相应的叶片槽中往复地伸出和退回；在转子内或在位于转子一侧的侧板内形成有环形油道，所述环形油道一方面与排油弧形槽联通、另一方面与各个叶片槽的后端联通，用于向叶片的内端面施加排油侧压 力 ，以使得在泵低速启动时在叶片的内外端面之间产生压差。进油弧形槽的上游端设置在相对0° 角 位置 处的零间隙沿转子旋转方向旋转90°加上一滞后角的位置处。本 发明 的 叶片泵 性能优越，结构简单，制造成本低，性能可靠。，下面是叶片泵专利的具体信息内容。
1.一种叶片泵，包括：
定子，在定子中形成有进油弧形槽和排油弧形槽；
偏心地容纳在定子中的转子；
在转子中沿径向形成的多个叶片槽；以及
多个叶片，每个叶片分别适于在相应的叶片槽中沿径向往复地伸出和退回；
其中，沿着转子旋转方向，定子与转子之间的间隙从定子与转子相接触的0°角位置处的零间隙开始逐渐增大到最大间隙，再从最大间隙逐渐减小到所述零间隙；
其特征在于，在转子内或在位于转子一侧的侧板内形成有环形油道，所述环形油道一方面与排油弧形槽连通、另一方面与各个叶片槽的后端连通，用于向叶片的内端面施加排油侧压力，以使得在泵低速启动时在叶片的内外端面之间产生压差；
进油弧形槽的上游端设置在相对0°角位置处的零间隙沿转子旋转方向旋转90°加上一滞后角的位置处。
2.如权利要求1所述的叶片泵，其特征在于，转子的外周为圆形的；定子的内周为圆形或椭圆形的。
3.如权利要求1所述的叶片泵，其特征在于，所述最大间隙位于沿转子旋转方向180°角位置处。
4.如权利要求1所述的叶片泵，其特征在于，叶片的数量为四个，它们在转子的周向上均布。
5.如权利要求1所述的叶片泵，其特征在于，所述滞后角为0°～45°，优选为0°～
20°，更优选为5°～10°。
6.如权利要求1所述的叶片泵，其特征在于，在转子旋转方向上，进油弧形槽的上游端设置在90°角位置与叶片泵的回流孔之间。
7.如权利要求1至6中任一所述的叶片泵，其特征在于，所述叶片泵为向发动机系统输送燃料的燃料泵。
8.如权利要求1至6之一所述的叶片泵，其特征在于，环形油道与排油弧形槽之间通过附加的油道或导管而实现联通。
9.如权利要求1至6之一所述的叶片泵，其特征在于，进油弧形槽和排油弧形槽彼此镜像设置。
10.如权利要求1至6之一所述的叶片泵，其特征在于，叶片的内端面上形成有凹槽。
叶片泵
技术领域
背景技术
[0002] 叶片泵被广泛用在各种设备中，用于向设备提供所需的一定压力和流量的液压流体，例如燃油。传统的叶片泵包括定子和偏心地容纳在定子中的转子。在转子中沿径向形成多个叶片槽，叶片可在各自的叶片槽中往复地伸出和退回。随着转子被驱动旋转，各叶片的外端与定子的内周表面滑动接触。这样，由定子的内周表面、转子的外周表面和叶片之间围成的各个工作室内经历容积变化，并且从入口吸入定子中的燃油被从转子的外周表面伸出的叶片加压，然后通过出口排出。
[0003] 为了在工作中使叶片从叶片槽伸出，目前所采用的措施主要包括利用沿径向向外方向作用于叶片的弹簧力、离心力或高压液压力。然而，在采用弹簧力的情况下，不但使得泵的结构复杂，而且弹簧容易磨损、需要更换，因此会增加泵的制造和维护成本。在采用离心力的情况下，由于离心力的大小取决于转子的转速，因此在泵低速运转时难以实现叶片快速伸出。而在采用高压液压力的情况下，需要专门向叶片内端供应高压液体，这也会导致泵的成本增加，难以高效地实现叶片快速伸出。
[0004] 因此，需要对叶片泵进行改进，以使其能高效地实现叶片的快速伸出，尤其是在泵低速运转时。
发明内容
[0005] 本发明旨在提供一种改进的叶片泵，其在高速运转和低速运转时都能高效地实现叶片的快速伸出。
[0006] 根据本发明的一个实施方式，一种叶片泵包括：定子，在定子中形成有进油弧形槽和排油弧形槽；偏心地容纳在定子中的转子；在转子中沿径向形成的多个叶片槽；以及多个叶片，每个叶片分别适于在相应的叶片槽中沿径向往复地伸出和退回；其中，沿着转子旋转方向，定子与转子之间的间隙从定子与转子相接触的0°角位置处的零间隙开始逐渐增大到最大间隙，再从最大间隙逐渐减小到所述零间隙；其特征在于，在转子内或在位于转子一侧的侧板内形成有环形油道，所述环形油道一方面与排油弧形槽连通、另一方面与各个叶片槽的后端连通，用于向叶片的内端面施加排油侧压力，以使得在泵低速启动时在叶片的内外端面之间产生压差；进油弧形槽的上游端设置在相对0°角位置处的零间隙沿转子旋转方向旋转90°加上一滞后角的位置处。
[0007] 根据本发明的一个实施方式，转子的外周为圆形的；定子的内周为圆形或椭圆形的。
[0008] 根据本发明的一个实施方式，所述最大间隙位于沿转子旋转方向180°角位置处。
[0009] 根据本发明的一个实施方式，叶片的数量为四个，它们在转子的周向上均布。
[0010] 根据本发明的一个实施方式，所述滞后角θ为0°～45°，优选为0°～20°，更优选为5°～10°。
[0011] 根据本发明的一个实施方式，在转子旋转方向上，进油弧形槽的上游端设置在90°角位置与叶片泵的回流孔之间。
[0013] 根据本发明的一个实施方式，环形油道与排油弧形槽之间通过附加的油道或导管而实现联通。
[0014] 根据本发明的一个实施方式，进油弧形槽和排油弧形槽彼此镜像设置。
[0015] 根据本发明的一个实施方式，叶片的内端面上形成有凹槽。
[0016] 根据本发明，在转子内设置了环形油道，用于向叶片的内端面施加燃油压力，从而可在泵低速启动时利用叶片内外端面之间的燃油压差将叶片快速地径向向外推出，即使是在泵低速运转时。因此，本发明的叶片泵性能优越，结构简单，制造成本低，性能可靠，对泵的其它性能没有负面影响。附图说明
[0017] 图1是根据本发明一个实施方式的叶片泵的结构示意图；
[0018] 图2是叶片泵的定子和转子之间的燃油速度分布图；
[0019] 图3示出了叶片泵刚刚低速启动时尚未伸出的叶片的外端面和内端面所受的燃油压力；
[0020] 图4是用于解释根据本发明实施方式的叶片泵中燃油作用于正在伸出的叶片上的压力的示意图；
[0021] 图5是根据本发明实施方式的叶片泵中正在伸出的叶片的受力的示意图；
[0022] 图6、7是用于解释根据本发明实施方式的叶片泵中叶片伸出时定子和转子之间燃油速度的示意图；
[0023] 图8是根据本发明实施方式的叶片泵中定子转子之间间隙与叶片转角的关系的示意图；
[0024] 图9是图8中所示间隙及其变化速度的曲线图；
[0025] 图10是用于解释根据本发明实施方式的叶片泵的进油弧形槽的上游端位置设置的示意图。
具体实施方式
[0026] 下面参照附图描述本发明的叶片泵的优选实施方式。在图中所示的例子中，叶片泵是发动机系统中所用的用于供应燃油的燃油泵。显然，本发明的用途并不局限于此。
[0027] 如图1所示，根据本发明的一种叶片泵包括外壳10、固定在外壳中的定子1和偏心地容纳在定子中的转子2。在转子2中沿径向形成多个叶片槽，叶片3可在各自的叶片槽中往复地伸出和退回。在定子1中形成有进油口4，与进油口4相连通的进油弧形槽5，与进油弧形槽5镜像设置的排油弧形槽7，与排油弧形槽7相连通的排油口(图中未示出)。进油弧形槽5和排油弧形槽7与定子1和转子2之间的间隙连通。
[0028] 转子2套装在转轴11上，并且转轴11与转子2之间通过键12相互固持，以使得转轴11带动转子12旋转。转轴11可由发动机本身或是由外其它动力源提供旋转动力。
[0029] 随着转子2被驱动旋转，各叶片3的外端3a与定子1的内周表面1a相互刮擦。这样，由定子1的内周表面、转子2的外周表面和叶片3之间围成的各个工作室内经历容积变化。从进油口4吸入定子中的燃油被从转子2的外周表面伸出的叶片3加压，然后通过排油口排出。
[0030] 为了解释对于每个叶片而言泵的工作循环，首先对某一叶片旋转一周时的各个角位置进行定义。如图8所示，转子偏心定安置在定子中，并且定子的内周表面与转子的外周表面之间的间隙I从零间隙逐渐增大到最大间隙。这样，随着转子旋转(作为例子，在各个图中为顺时针方向旋转，显然沿逆时针方向旋转也是可行的)，以转子的旋转轴线为中心，某个叶片从零间隙时的0°角位置(图8中的右侧位置)开始，转动到90°角位置(图8中的下侧位置)，然后又转动到最大间隙时的180°角位置(图8中的左侧位置)，再转动到270°角位置(图8中的上侧位置)，最后到达零间隙时的360°角位置(与0°角位置重合，图8中的右侧位置)。
[0031] 结合图1、图10可以看出，在传统叶片泵中，相对于转子旋转方向而言，进油弧形槽5的上游端位于0°角位置与90°角位置之间，进油弧形槽5的下游端位于90°角位置与180°角位置之间；排油弧形槽7的上游端位于180°角位置与270°角位置之间，排油弧形槽7的下游端位于270°角位置与360°角位置之间。90°轴线穿过进油弧形槽5(通常穿过进油弧形槽5的上游部分)，270°轴线穿过排油弧形槽7(通常穿过排油弧形槽7的上游部分)。
[0032] 图10中示出了每个叶片而言泵的工作循环。在传统叶片泵中，转子旋转一周(360°)的每个工作循环依次包括下述工作阶段(对应于泵的各个工作区)：
[0033] 叶片打开阶段，对应于泵的叶片打开区S1-从0°角位置开始至进油弧形槽5的上游端；
[0034] 进油阶段，对应于泵的进油区S2-从进油弧形槽5的上游端开始至进油弧形槽5的下游端；
[0035] 传输阶段，对应于泵的传输区S3-从进油弧形槽5的下游端开始至排油弧形槽7的上游端；
[0036] 排油阶段，对应于泵的排油区S4-从排油弧形槽7的上游端开始至排油弧形槽7的下游端；
[0037] 结束阶段，对应于泵的结束区S5-从排油弧形槽7的下游端开始至360°角位置(即回到0°角位置)。
[0038] 根据本发明的重要方面，各个叶片槽的后端联通着一个环形油道6。该环形油道6可以形成在转子2内或形成在位于转子一侧的侧板内，并且与排油口或排油弧形槽连通。
本领域技术人员容易理解，环形油道6与排油口或排油弧形槽之间可以通过附加的油道或导管(图中未示出)而实现连通。这样，环形油道6中会充满燃油，并且其压力等于排油口或排油弧形槽中的燃油压力(以下称作排油侧压力)。本发明就是要利用环形油道6和进油弧形槽5之间的燃油压力差将叶片向外推出。需要指出，根据本发明，在泵低速运转时，即使在排油侧尚未建立压力时，也可在叶片的内外端面之间产生压差。
本领域技术人员容易理解，环形油道6与排油口或排油弧形槽之间可以通过附加的油道或导管(图中未示出)而实现连通。这样，环形油道6中会充满燃油，并且其压力等于排油口或排油弧形槽中的燃油压力(以下称作排油侧压力)。本发明就是要利用环形油道6和进油弧形槽5之间的燃油压力差将叶片向外推出。需要指出，根据本发明，在泵低速运转时，即使在排油侧尚未建立压力时，也可在叶片的内外端面之间产生压差。
[0039] 下面解释本发明的原理。
[0040] 图2中示出了定子1和转子2的一部分，其中转子2沿着图中箭头所示的移动方向相对于定子1移动。由于燃油具有粘性，因此随着转子移动，定子和转子之间的燃油趋向于沿相同方向移动，并且在从转子至定子的不同位置出现不同的燃油速度V。在与转子2相邻处，燃油速度最大；而在与定子1相邻处，燃油速度最小，即趋向于零。由于燃油中的压力与燃油移动速度相关，因此，存在图中所示的压力分布，即从与转子2相邻处的最小燃油压力P2逐渐增大到与定子1相邻处的最大燃油压力P1。
[0041] 图3中示出了叶片泵刚刚低速启动时的状态，在转子2沿箭头所示方向旋转时，叶片3尚未从叶片槽伸出。此时叶片3的内端面暴露于具有内侧燃油压力P内(等于排油侧压力)的环形油道6中。叶片3的外端面暴露于定子与转子之间的间隙部分中，该间隙部分具有外侧燃油压力P外。由于该间隙部分与进油弧形槽5相通，因此该外侧燃油压力等于进油弧形槽5中的燃油压力(以下称作进油侧压力)。此时，由于燃油尚未被叶片加压，因此排油侧压力与进油侧压力基本上相等，前面提到的各个压力大致上满足下面的关系：
[0042] P内＝P外＝P1＞P2 (1)
[0043] 在叶片泵刚刚启动、尚未排放加压燃油的状态下，叶片内端面承受内侧燃油压力P内，而与转子2的外圆周平齐的叶片外端面承受压力P2。由于转子的旋转运动，在叶片的内外端面之间产生压差(P内-P2)。可以利用这一压差将叶片从叶片槽推出。需要指出，在泵低速启动时，即使是排油侧压力尚未建立，P内＞P2仍然成立。
[0044] 图4和图5中示出了正在伸出的叶片3。如图4所示，处在部分伸出状态的叶片的外端面和内端面分别受到间隙部分和环形油道中的燃油的压力。图5中示出了此时叶片受到的各种力，其中包括由环形油道中的燃油引起的径向向外的推力F内，叶片随转子旋转而产生的径向向外的离心力Fc，由间隙部分中的燃油引起的径向向内的推力F外，以及叶片侧壁受到的径向向内的燃油阻滞力Ff。叶片泵刚刚启动与常态状态不同之处在于两者的转速不同，提供给叶片3的离心力不同。也就是说，在叶片泵刚刚低速启动时，转子转速很低，因此离心力Fc很小，可以忽略不计。同时，燃油阻滞力Ff同推力F内、F外相比也很小，因此也可忽略不计。在泵低速启动时，对叶片的向外伸出有实质影响的力只有推力F内、F外。
[0045] 如前所述，由于叶片的内外端面之间存在压差，因此径向向外的推力F内大于径向向内的推力F外，从而将叶片径向向外推出。
[0046] 一旦叶片已被径向向外推出一些，即叶片的外端面从转子外周表面突出而到达位于转子外周表面与定子内周表面之间的间隙部分中，如图7所示。此时，由于转子的转动作用，在叶片后侧，在定子与转子之间的间隙中产生真空区。换言之，在当前叶片与前述0°角位置(即定子与转子之间没有间隙的位置)之间的间隙中产生了真空区，因此在叶片的外端面处产生相对负压。随着叶片被转子带着向前移动，叶片前面的燃油将越过叶片外端面向叶片后面流动。图6中示出了这种情况下。在图6中，为了简化，将转子2、叶片3看作一个整体。针对0°角位置处定子与转子之间没有间隙的情况，在图6中的右侧部分以定子1上的朝向转子2延伸并且与转子形成密封的突伸部分1A简化表示。叶片外端面附近的燃油流动以小箭头表示。从图6中的压力分布图可以看出，一方面，从叶片外端面至定子内周表面，燃油压力逐渐增大；另一方面，在叶片3的外端面处，从外端面的前边缘31至后边缘32，燃油压力逐渐减小。即，定子内周表面处的燃油压力P1＞外端面的前边缘处的燃油压力P2＞外端面的后边缘处的燃油压力P3。此外，内侧燃油压力P内大于或等于外侧燃油压力P外。即，前面提到的各个压力大致上满足下面的关系：
[0047] P内≥P外＝P1＞P2＞P3 (2)
[0048] 因此，P内＞(P2与P3的平均值)
[0049] 这样，在叶片的内外端面之间仍存在压差，可以利用这一压差将叶片从叶片槽推出。需要指出，部分伸出的叶片的外端面处的燃油流速高于与转子外周表面平齐时的叶片外端面处的燃油流速，因此目前的P2与P3要小于前面参描述的叶片尚未伸出时叶片外端面和转子外周表面处的P2。这说明，随着叶片伸出，其内外端面之间的压差会增大，这有助于叶片加速伸出。
[0050] 从上面的描述可以看出，根据本发明，一方面与排油口或排油弧形槽连通、另一方面与各个叶片槽的后端连通的环形油道6用于在泵低速启动时即使是在排油侧尚未建立压力的情况下也可在叶片的内外端面之间产生压差，利用该压差的作用，叶片被以加速的方式径向向外推出。
[0051] 接下来描述本发明进一步的实施方式。图8中示出了在一个工作循环中转子以及一个叶片的旋转角度β与转子定子之间间隙值I之间的关系，图9中分别示出了间隙值I与旋转角度β之间的关系，以及间隙变化速度I’与旋转角度β之间的关系。间隙变化速度I’可以是间隙值对时间的导数或对旋转角度的倒数。
[0052] 从图9中可以看出，在90°角位置处，间隙变化速度I’最大，这说明在此位置处，定子和转子之间间隙形成的容纳空间的体积的增速最大，并且此处产生的真空最强。因此，在这个位置，叶片能以最快的速度伸出。考虑到燃油阻滞力的影响和运动惯性力的作用，叶片的最佳作用位置滞后于90°角。也就是说，优选的方案是，在转子和叶片到达90°角位置后进一步转动了很小的滞后角后，叶片的外端面接触到定子的内周表面。因此，根据本发明，相对于转子旋转方向而言，进油弧形槽5的上游端设置在90°加上一滞后角θ的角位置处。但考虑到进油充油效率问题，该角度也不能无限制后推。该滞后角θ可在0°～45°，优选在0°～20°，更优选在5°～10°。可以理解，上述角度范围仅仅是实现本发明的较佳滞后角范围。基于本发明原理确定的其它相对于90°角位置错后的角度也落在本发明的范围内。
[0053] 从图10中可以看到，在传统叶片泵中，进油弧形槽5的上游端位于0°角位置与90°角位置之间；而根据本发明，进油弧形槽5的上游端位于90°角位置与180°角位置之间，但靠近90°角位置。在这种情况下，根据进油弧形槽5的上游端的位置，再考虑到其它因素，可以确定进油弧形槽5的下游端的位置以及排油弧形槽7的上游端和下游端的位置。
[0054] 因此，本发明的叶片打开区S1’(叶片打开阶段)的结束点即进油区S2’(进油阶段)同传统技术相比错后一个角度α。本发明的叶片泵的其它工作区可以与传统技术相同，或是根据上述错后角度而相应地改变。
[0055] 需要指出，本发明的叶片泵中的进油弧形槽5的上游端相对于传统技术而言沿着转子旋转方向偏移，但该上游端不能沿着转子旋转方向超过进油口4即叶片泵的回流孔(否则的话，前述真空区将消失，导致叶片的内外端面之间的压差减小甚至消失)。
[0056] 为了更有效地吸纳环形油道中的燃油压力，可在叶片的内端面上形成凹槽，如图5中所示。
[0057] 前面描述了本发明的优选实施方式。可以看出，根据本发明，利用环形油道向叶片的内端面施加排油侧压力，从而可在泵低速启动时利用叶片内外端面之间的燃油压差将叶片快速地径向向外推出，即使是在泵低速运转时。因此，根据本发明的叶片泵具有优越的性能。此外，本发明的叶片泵结构简单，制造成本低，性能可靠，并且本发明的这种改造对泵的其它性能没有负面影响。
[0058] 本领域技术人员可以理解，本领域技术人员可以在本发明的精神和范围内对前述细节作出各种修改。例如，图中所示的转子外周和定子内周都是圆形的。然而，可以理解，定子内周可以构造为椭圆形的，其中转子靠近椭圆形定子内周的长轴或短轴的一端安置。此外，图中显示的是叶片泵中设有四个叶片。然而，其它数量的叶片也是可行的。
[0059] 因此，本发明的保护范围并不局限于前面描述的具体实施方式重的各种细节。
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