РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЛОПАСТНОЙ НАСОС
ADJUSTABLE VANE PUMP

Изобретение относится к регулируемому лопастному насосу с вращающимся ротором.
Регулируемый лопастной насос подобного рода, также называемый шиберным насосом или гидравлическим насосом с переменным рабочим объемом, известен, например, из публикации DE 19917506 A1 и используется для снабжения системы усиленного рулевого управления автомобиля рабочей жидкостью под давлением. Ротор такого лопастного насоса обычно приводится в действие непосредственно от двигателя автомобиля. Для того чтобы при малом количестве оборотов двигателя обеспечить достаточный объем подачи без затрат движущей силы при высоком числе оборотов, предусмотрено статорное кольцо, которое обхватывает ротор по окружности и в зависимости от количества оборотов занимает более или менее эксцентрическое положение, благодаря чему объем подачи на каждый оборот при увеличении количества оборотов сокращается.
Каждый раз, когда полость, ограниченная двумя соседними подвижными лопастями или шиберами на роторе в кольцеобразной камере между ротором и статорным кольцом, передвигается из зоны всасывания в зону нагнетания, возникает импульс давления. Такие импульсы давления могут быть причиной гидравлической пульсации на стороне нагнетания насоса и, вследствие этого, возникновения шумов и вибраций.
К известным общим мерам по уменьшению импульсов давления относится, например, использование нечетного количества лопастей и распределительных клапанов в распределительном отверстии.
Другим известным способом уменьшения импульсов давления является использование V-образных насечек, расположенных по части круга на впускных и выпускных отверстиях, которые под определенными углами ротора образуют перепускные каналы между соседними полостями при их переходе из зоны всасывания в зону нагнетания. За счет этого изменение давления становится менее резким, а пульсации и шум на нагнетательной стороне насоса становятся меньше.
Подобный перепуск нагнетательной жидкости, однако, приводит к уменьшению напора и объема подачи насоса.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является регулируемый лопастной насос, раскрытый в публикации JP 2007270698 А. Такой регулируемый лопастной насос содержит ротор, установленный с возможностью вращения между двумя параллельными боковыми пластинами кожуха насоса и содержащий множество подвижных лопастей, проходящих в радиальном направлении. Ротор окружен статорным кольцом, которое выполнено с возможностью регулирования между положениями, в которых оно по существу эксцентрично по отношению к ротору. Лопасти разделяют кольцевую камеру между ротором и статорным кольцом на множество полостей, которые попеременно проходят через зону всасывания и зону нагнетания во время вращения ротора. В переходной области между зоной всасывания и зоной нагнетания в по меньшей мере одной из боковых пластин кожуха насоса, а также прилегающей к ней боковой стенке статорного кольца выполнены углубления, которые в заданном диапазоне положений статорного кольца и только в этом диапазоне положений совместно формируют перепускной канал, который соединяет зону всасывания с зоной нагнетания. Положение статорного кольца по существу зависит от частоты вращения ротора, благодаря чему перепускной канал возникает только в пределах определенного диапазона частот вращения. Отверстия перепускного канала в зоне всасывания и зоне нагнетания проходят внутри боковой пластины кожуха насоса.
Задачей изобретения является создание регулируемого лопастного насоса со средствами для уменьшения пульсации и шума, которые будут как можно меньше понижать мощность насоса и будут простыми в производстве.
Указанная задача решается в соответствии с изобретением с помощью создания усовершенствованного регулируемого лопастного насоса.
В основе изобретения лежит положение о том, что регулируемый лопастной насос преимущественно порождает пульсации и шумы в определенном диапазоне частоты вращения, и используется то обстоятельство, что положение статорного кольца зависит от частоты вращения насоса.
Изобретение делает возможным очень простым способом уменьшить пульсации и шум за счет перепуска нагнетаемого потока из зоны всасывания в зону нагнетания только в определенном диапазоне частот вращения. При более низкой или более высокой частоте вращения, при которой сокращение пульсаций и шума само по себе не является необходимым, перепуск не действует, благодаря чему при данных частотах вращения мощность насоса не понижается.
Другими словами, перепускной канал не уменьшает пики давления постоянно, как известно из уровня техники, а только в определенном диапазоне положений статорного кольца, в котором углубления в по меньшей мере одной боковой пластине кожуха насоса, а также в граничащей с ней боковой стенке статорного кольца взаимодействуют с образованием перепускного канала. При более низких или более высоких частотах вращения перепускной канал прерывается, поскольку указанные углубления в соответствующем положении статорного кольца не образуют перепускной канал между зоной всасывания и зоной нагнетания.
Таким образом, согласно настоящему изобретению создан регулируемый лопастной насос с ротором, установленным с возможностью вращения между двумя параллельными боковыми пластинами кожуха насоса и содержащим множество подвижных лопастей, проходящих в радиальном направлении, причем ротор окружен статорным кольцом, которое выполнено с возможностью регулирования между положениями, в которых оно по существу эксцентрично по отношению к ротору, причем лопасти разделяют кольцевую камеру между ротором и статорным кольцом на множество полостей, которые попеременно проходят через зону всасывания и зону нагнетания во время вращения ротора, при этом в переходной области между зоной всасывания и зоной нагнетания в по меньшей мере одной из боковых пластин кожуха насоса, а также прилегающей к ней боковой стенке статорного кольца выполнены углубления, которые в заданном диапазоне положений статорного кольца и только в этом диапазоне положений совместно формируют перепускной канал, который соединяет зону всасывания с зоной нагнетания, причем положение статорного кольца по существу зависит от частоты вращения ротора, благодаря чему перепускной канал возникает только в пределах определенного диапазона частот вращения, при этом отверстия перепускного канала в зоне всасывания и зоне нагнетания проходят внутри боковой пластины кожуха насоса. По меньшей мере одна боковая пластина кожуха насоса имеет два желобообразных углубления, которые проходят внутри переходной области между зоной всасывания и зоной нагнетания на по существу постоянном расстоянии друг от друга вокруг центральной точки боковой пластины, и каждое из которых проходит на определенное расстояние вне переходной области в направлении центральной точки боковой пластины, при этом соседняя боковая стенка статорного кольца имеет внутри переходной области тарелкообразное углубление, причем два желобообразных углубления в боковой пластине кожуха насоса и тарелкообразное углубление в статорном кольце совместно формируют перепускной канал в заданном диапазоне положений статорного кольца.
Предпочтительно, отверстия перепускного канала в зоне всасывания и зоне нагнетания проходят внутри боковой стенки статорного кольца.
Предпочтительно, по меньшей мере одна боковая пластина кожуха насоса имеет одно желобообразное углубление, которое проходит внутри переходной области между зоной всасывания и зоной нагнетания вокруг центральной точки боковой пластины; прилегающая боковая стенка статорного кольца имеет два желобообразных углубления, которые проходят в переходной области на одинаковом расстоянии от центральной точки статорного кольца и на одинаковом расстоянии друг от друга вокруг центральной точки статорного кольца и проходят вне переходной области в направлении центральной точки статорного кольца, причем желобообразное углубление в боковой пластине кожуха насоса и два желобообразных углубления в статорном кольце совместно формируют перепускной канал в заданном диапазоне положений статорного кольца.
Предпочтительно, угловой диапазон на боковой пластине кожуха насоса или на боковой стенке статорного кольца, в пределах которого углубления в по меньшей мере одной боковой пластине кожуха насоса и углубления в прилегающей боковой стенке статорного кольца совместно формируют перепускной канал, по отношению к центральной точке боковой пластины или статорного кольца лежит под приблизительно прямым углом к цапфе, прикрепленной к кожуху насоса и вокруг которой статорное кольцо регулируется между по существу эксцентрическими положениями.
Предпочтительно, регулируемый лопастной насос представляет собой насос для подачи под давлением рабочей жидкости для транспортного средства.
Далее, настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - вид сверху статорного кольца регулируемого лопастного насоса согласно первому варианту выполнения;
Фиг. 2 - вид сверху участка боковой пластины кожуха регулируемого лопастного насоса согласно первому варианту выполнения;
Фиг. 3 - вид сверху статорного кольца регулируемого лопастного насоса согласно второму варианту выполнения; и
Фиг. 4 - вид сверху участка боковой пластины кожуха регулируемого лопастного насоса согласно второму варианту выполнения.
На Фиг. 1 показано статорное кольцо 1 регулируемого лопастного насоса типа, описанного, например, в вышеупомянутой публикации DE 19917506 A1. Насос оснащен ротором, установленным с возможностью вращения между двумя параллельными боковыми пластинами кожуха насоса, который имеет несколько проходящих в радиальном направлении подвижных лопастей и окружен статорным кольцом 1. Статорное кольцо 1 может регулироваться между положениями, в которых оно становится более или менее эксцентричным по отношению к ротору, причем лопасти разделяют кольцеобразную камеру между ротором и статорным кольцом на множество полостей (ячеек), которые попеременно проходят через зону всасывания и зону нагнетания во время вращения ротора.
Статорное кольцо 1 в точке на своем внешнем контуре, который на Фиг. 1 лежит точно вертикально над его центральной точкой, имеет вырез 2, проходящий через его толщину и имеющий полукруглое сечение, и который насаживается на цапфу (не показана), зафиксированную в кожухе насоса и вокруг которой допускаются колебания статорного кольца 1 в определенных пределах, фиксирующих его более или менее эксцентричные положения.
На угловом расстоянии α, например, составляющем 92,5°, до выреза 2 в боковой стенке статорного кольца 1, видимой на Фиг. 1, имеется тарелкообразное углубление 3, которое на виде сверху имеет форму окна с закругленными углами, но может иметь и другую форму, например круглую или овальную. В стандартном статорном кольце 1 с диаметром, например, 27 мм, углубление 3 может иметь ширину около 1,5 мм, высоту около 2 мм, глубину около 1 мм и расстояние от 1 до 2 мм от наружного периметра статорного кольца 1.
На Фиг. 2 показана боковая пластина 4 кожуха лопастного насоса со статорным кольцом 1 с Фиг. 1. Боковая пластина 4 имеет несколько углублений 5 с частично круговым контуром, которые образуют напорные (питающие) каналы для рабочей жидкости, как и в известных лопастных насосах. Ближе к его наружному контуру в боковой пластине 4 имеется отверстие 6, через которое проходит цапфа (не показана), вокруг которой может поворачиваться показанное на Фиг. 1 статорное кольцо 1 в собранном лопастном насосе. Эта ситуация может быть проиллюстрирована, если представить статорное кольцо 1 с Фиг. 1 повернутым на 180° вокруг оси, лежащей горизонтально в плоскости чертежа, и затем расположенным более или менее по центру на боковой пластине 4 с Фиг. 2.
В пределах диапазона углов α±β относительно положения отверстия 6, включающего в себя переходную область между зоной всасывания и зоной нагнетания лопастного насоса, проходят две канавки или желобообразных углубления 7 и 8 в боковой пластине 4 кожуха насоса. Каждое из углублений 7 и 8 имеет участок, проходящий за пределами переходной области по направлению к центральной точке боковой пластины 4, и частично круговой участок, проходящий вокруг центральной точки боковой пластины 4, который проходит по существу внутри переходной области.
Проходящие в радиальном направлении участки углублений 7 и 8 проходят до точки на боковой пластине 4, которая лежит на радиусе, меньшем, чем радиус внутреннего контура статорного кольца 1. Частично круговые участки углублений 7 и 8 отделены друг от друга в радиальном направлении боковой пластины 4 на такое расстояние, которое меньше ширины тарелкообразного углубления 3 в статорном кольце 1.
В стандартной боковой пластине 4 с диаметром, например, 30 мм, углубления 7 и 8 имеют, например, ширину и глубину около 1 мм каждое.
Когда статорное кольцо 1 плотно прилегает к боковой пластине 4 с Фиг. 2 в ориентации, в которую оно повернуто из ориентации, показанной на Фиг. 1 (на 180° вокруг, лежащей горизонтальной оси в плоскости чертежа), и когда количество оборотов возрастает, оно поворачивается вокруг непоказанной цапфы, которая проходит через вырез 2 в статорном кольце 1 и через отверстие 6 в боковой пластине 4, тарелкообразное углубление 3 перемещается вдоль показанной на Фиг. 2 двойной стрелки над частично круговыми участками углублений 7 и 8.
Очевидно, что тарелкообразное углубление 3 в статорном кольце 1 образует только соединение потоков между желобообразными углублениями 7 и 8 в боковой пластине 4 кожуха насоса в центральном положении. Поскольку положение статорного кольца 1 существенно зависит от частоты вращения насоса, а при ненагруженном насосе - только от частоты вращение насоса, перепускной канал, соединяющий зону всасывания и зону нагнетания, формируется по существу только в определенном диапазоне частот вращения. Благодаря подходящему расположению и параметрам углублений 3, 7 и 8 данный диапазон частот вращения выбирают таким образом, чтобы насос производил как можно меньше пульсаций и, следовательно, шума.
На Фиг. 2 зона всасывания лежит над горизонтальной линией через центральную точку боковой пластины, а зона нагнетания лежит под ней. В соответствии с этим непоказанный ротор поворачивается против часовой стрелки относительно Фиг. 2. Если при этом статорное кольцо 1 при определенной частоте вращения находится в положении, при котором тарелкообразное углубление 3 образует соединение потоков между желобообразными углублениями 7 и 8, перепускной канал открывается, как объяснено выше.
Возможен вариант, когда другая боковая пластина кожуха лопастного насоса, лежащая напротив боковой пластины 4 со статорным кольцом 1 между ними, имеет два желобообразных углубления, соответствующих углублениям 7 и 8, которые взаимодействуют с соответствующим тарелкообразным углублением в другой боковой стенке статорного кольца 1 таким же образом, как описано выше для боковой пластины 4.
В варианте выполнения, приведенном на Фиг. 1 и 2, участки желобообразных углублений 7 и 8, проходящие в радиальном направлении, которые имеют отверстия входа перепускного канала в зоне всасывания и зоне нагнетания, проходят внутри боковой пластины 4 кожуха насоса.
Второй вариант реализации, в котором отверстия перепускного канала в зону всасывания и зону нагнетания вместо этого проходят внутри боковой стенки статорного кольца, показан на Фиг. 3 и 4.
Показанное на Фиг. 3 статорное кольцо 11 и показанная на Фиг. 4 боковая пластина 14 кожуха лопастного насоса имеют принципиально такую же конструкцию, как и статорное кольцо 1 с Фиг. 1 и боковая пластина 4 с Фиг. 2.
Таким образом, статорное кольцо 11 имеет на наружном периметре вырез 12 с полукруглым сечением, который расположен около цапфы (не показана), зафиксированной на кожухе насоса, а боковая пластина 14 имеет несколько частично круговых углублений 15, выполняющих функцию питающих каналов для рабочей жидкости, а также отверстие 16 для цапфы.
В отличие от первого варианта выполнения, статорное кольцо 11 имеет вместо тарелкообразного углубления 3 два желобообразных углубления 17 и 18, которые имеют форму и расположение, схожие с желобообразными углублениями 7 и 8 в боковой пластине 4 первого варианта выполнения, однако здесь они имеют U-образную форму, которая прерывается отверстием у основания. Другими словами, желобообразные углубления 17 и 18 располагаются в переходной области между зоной всасывания и зоной нагнетания на одинаковом расстоянии от центральной точки статорного кольца 11 и на расстоянии друг от друга вокруг центральной точки статорного кольца 11, и вне переходной области по направлению к центральной точке статорного кольца 11.
Кроме того, боковая пластина 14 второго варианта реализации имеет вместо двух желобообразных углублений 7 и 8 только одно желобообразное углубление 13, которое образует дугу вокруг центральной точки боковой пластины 14 и вместе с желобообразными углублениями 17 и 18 в статорном кольце 11 образует перепускной канал в заданном диапазоне положений статорного кольца 11.
Когда статорное кольцо 11 с Фиг. 3 при горизонтальном вращении плотно прилегает к боковой пластине 14 с Фиг. 4 и с увеличением частоты вращения начинает поворачиваться вокруг цапфы, желобообразные углубления 17 и 18 в статорном кольце 11 двигаются вдоль показанной на Фиг. 4 двойной стрелки над желобообразным углублением 13 в боковой пластине 14, и в определенном поворотном положении формируется перепускной канал.
Вышеописанные формы и расположения углублений в статорном кольце и по меньшей мере одной боковой пластине лопастного насоса, образующие перепускной канал, приведены только в качестве примера и могут быть модифицированы различными способами.
Например, вместо тарелкообразного углубления 3 в статорном кольце 1 первого варианта выполнения можно использовать дугообразное углубление с формой, похожей на углубление 17 в боковой пластине 14 второго варианта реализации, и в этом случае дугообразные и расположенные на малом расстоянии друг от друга участки углублений 7 и 8 в боковой пластине 4 первого варианта реализации могут быть короче или полностью отсутствовать.
Варианты реализации 1 и 2 могут быть скомбинированы таким образом, чтобы одно из двух отверстий входа перепускного канала в зону всасывания или нагнетания проходило внутри боковой пластины кожуха насоса, а второе из этих отверстий перепускного канала проходило внутри боковой стенки статорного кольца.
Кроме того, в случаях когда может существовать несколько различных диапазонов частот вращения, при которых возникают пульсации и шум, могут быть предусмотрены дополнительные углубления, которые образуют перепускные каналы во всех критических диапазонах частот вращения и таким образом уменьшают пульсации и шум в нескольких диапазонах частот вращения.
Наконец, как уже было упомянуто, обе боковых пластины кожуха лопастного насоса, а также обе боковые стенки статорного кольца могут иметь желобообразные углубления, которые совместно формируют перепускной канал.