非圆行星齿轮液压马达的结构分析与研究.pdf

2 0 1 0年 l 2月 第 3 8卷 第 2 3期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAUL I CS De c ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 3 ． 0 1 4 非圆行星齿轮液压马达的结构分析与研究 陈作庆 ，胡松年 ，翟春香 ，黄丽 ，邰文涛 ， 徐桂云 1 ．中国矿业大学机 电学院，江苏徐州 2 2 1 1 1 6 ；2 ．徐州燃烧控制研究院有限公司，江苏徐州 2 2 1 0 0 4 摘要介绍一种新型的非圆齿轮液压马达的结构和工作原理。建立非圆齿轮节曲线的数学模型 ，分析其成立条件。对 马达配流盘结构进行详细分析，得出配流孔位置和配流孔窗口形状，为以后的设计与制造提供理论依据。并提出该马达的 研究方 向。 关键词 液压马达；非圆行星齿轮；配流盘；节曲线 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 0 2 3 0 4 5 3 The St r uc t ur a l Ana l y s i s a nd Re s e ar c h o f t h e No n- c i r c ul a r Pl a n e t a r y Ge a r Hy dr a uli c M o t o r CHEN Z uo q i n g 。 ， HU S o n g n i a n ，ZHAI Ch un x i a n g ， HUANG Li ， TAI W e n t a o ， XU Gu i y u n 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l En g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y，X u z h o u J i a n g s u 2 2 1 l 1 6，C h i n a ； 2 ． X u z h o u C o m b u s ti o n C o n t r o l R e s e a r c h I n s t i t u t e L t d ． 。X u z h o u J i a n g s u 2 2 1 0 0 4，C h i n a Ab s t r a c t T h e s t r u c t u r e a ri d p r i n c i p l e o f a n e w t y p e o f n o n - c i r c u l a r g e a r h y d r a u l i c mo t o r s w e r e i n t r o d u c e d ． T h e n o n - c i r c u l a r g e a r p i t c h c u r v e s ma t h e ma t i c a l mo d e l w a s e s t a b l i s h e d ari d i t s e s t ab l i s h e d c o n d i t i o n s we r e an aly z e d ． Th e mo t o r v alv e p l a t e s t r u c t u r e W as a r i a 。 l y z e d ari d t h e p o s i t i o n ari d s ha p e o f t h e ass i g n men t po r e we r e o bt a i n e d． I t pr o v i d e s a t h e o r e t i c a l b asi s f o r t h e f u t ur e de s i gn ari d mari a - f a e t u r e ． Th e res e a r c h d i rec t i o n o f the mo t o r W as p r e s e n t e d ． Ke y wo r d sHy d r a u l i c mo t o r ； No n - c i r c u l ar p l an e t a r y g e a r ；Valv e p l a t e ； P i t c h c a r v e 非圆行星齿轮机构最早 由波兰人在 1 9 7 7年提 出⋯，并将其成功地应用于液压马达中，被称为 S O K 型液压马达 ，该马达是一种新型的低速大扭矩液压马 达。这种马达具有结构简单 、调速性能好 、同排量下 质量小、抗油液污染能力强 、效率高等优点，是一种 马达机构 的突破 ，为低速大扭矩液压马达开辟 了一个 新方向。在国内对该马达的研究较少，起步也较晚， 该液压马达的设计理论还不健全 ，严重阻碍 了该液压 马达在国内的应用和发展。作者对该种液压马达的非 圆齿轮机构进行数学建模 ，并对其 主要结构原理进行 分析 ，为该类型马达的设 计与工程应用提供依据 。 1 结构与工作原理 非圆行星轮液压马达如图 1 所示，其主要部件是 行星轮、非圆内齿轮、非圆外齿轮、配油盘、输出轴 等。高压油由配油盘进入工作腔内，行星轮在高压油 作用下分别做自转和绕非圆外齿轮的公转，同时与行 星轮啮合的非圆外 齿轮随着 转动 。这 时非 圆外 齿轮 、 非 圆内齿轮和行星轮组成 的密闭容积腔产生周期性变 化。密闭腔达到最小容积时，刚好排油孔关闭，进油 孔打开；密闭腔达到最大容积时，排油孔打开，进油 孔关闭。因此设置好合适的配油孔 ，使密闭腔进排油 循环变化，就可以使非圆外齿轮旋转并通过输出轴输 出力矩 。 l 一 配 流 盘2 一 行 星 轮3 一 非 圆 内 齿 轮4 一 非 圆 外 齿 轮 5 一输出轴6 一深沟球轴承7 一前端盖 图 1 非圆行星轮系液压马达结构 2 非圆外齿轮和非圆内齿轮的节曲线分析 非圆内、外齿轮的节曲线数学分析比较复杂，常 用的方法有中心距构造函数法、共轭啮合法和行星轨 迹法 。在 以上方法 中共轭轨迹法是 一种 比较好的方 法，该方法思路清晰，容易被设计人员接受，计算精 度也高，在此就用该方法对非圆内、外齿轮节曲线进 行建模。非圆齿轮系几何运动关系如图2 所示。外齿 轮的节曲线形状是3阶椭圆 ，其方程式为 收稿 日期 2 0 0 91 11 0 作者简介陈作庆 1 9 8 6 一 ，男，硕士研究生 ，主要研究方向为液压系统设计、机构创新设计。电话1 5 9 9 6 9 3 7 2 1 1 ， Em a i l x i a o w e ij i d i a n 2 0 0 8 1 6 3 ． c o rn。 4 6 机床与液压 第3 8卷 图 2非圆齿轮 系运动关系 咖 1 由文献 [ 3 ]证明可得 0、m、n 3点共线 的 t a n t i 。 2 l 】 ‘ 2 t a n t t 2 r 3 3 2 3 由图 2可知 t 肌 ． 一 4 t a n l 一 ■ 一 斗 ， 1十r 2 s l r g t r 3 r l r 2 s i n ／ l F 2 s i 2 5 对式 5 两边取微分可得 d r 3 d r l r 2 c o s ／ x 1 l r 2 c o s p ． 2 2 6 于是 d d r 3 t a n ／ x 2 d lr e t a n ／ z 2 c os ／ z ‘ r 3 r 3 t a n ／ r 3 f 1 对上式积分可得 JI‘ rlta n／ 2 ‘ 1 r ’ sr 2 s iin ／x , d／z 。 l d - 7 Y ． ． d a 于 l ，可知 c o s ／ x l c o s g 2 ，s i n ／ x 2 2 s i q 。 ，化简式 5 、 7 可得 r 3 r l 2 r 2 s i r g t l 8 。 。 式 中 -r I _ r 。 式 8 、 9 即为非圆内齿轮节曲线极坐标公 式，该公式为非圆齿轮齿形分布及齿轮模数设计提供 理论依据 。 3 非圆齿轮系节曲线应满足的条件 作为一个能够实现连续传动的非圆齿轮系，其节 曲线类似于圆齿轮节圆，但又不同于节圆，如果设计 不当，就有可能出现齿形排列不均匀、轮齿干涉等不 利因素 ，所以其节曲线必须满足以下条件 1 节曲线封 闭 要实现轮系的连续传动，非圆外齿轮和非圆内齿 轮的节曲线都要封闭。在该设计中非圆外齿轮的节曲 线是三阶椭圆 ，显然其节 曲线是封闭的。由此可见其 封 闭条件的判断主要是判断非圆 内齿轮的封闭 。 非圆外齿轮的节曲线公式为r r ， 由以上分析知，旋转一周时曲率半径变化 3个周期， 内齿圈旋转一周曲率半径变化 4 个周期。由图 2的节 曲线几何关系知 ，非圆外齿轮节 曲线滚过的弧长与非 圆内齿轮节曲线滚过的弧长相等 ，所以内齿轮节曲 线 封闭的条件为 ． l } ．-_ 1ff I d 。 1 0 2 叮 T r l ， 1 n 、 2 J 0 r lr ， s i n ／ z l ～ ‘ 、 2 轮齿在节曲线上平均分布 为 了方便加 工 ，齿 轮 的模 数 m要 按 圆齿 轮 的标 准模数选取 ，齿数为 z ，齿距 为 订 m，可见要 满足 轮 齿均布条件 ，节曲线总长度 必须是 1 r m 的 倍 ，即 L z ff r r t 1 1 式 中 L √ r d r d O 。 非圆外齿轮和内齿轮的曲率半径为周期变化，只 要每个变化周期的节曲线弧长满足轮齿的均匀分布条 件 ，则整个节曲线总长度就一定能满足轮齿均匀分布 条件。外齿轮曲率变化周期为 3 ，齿数为 z ，轮齿均 布应满足 的条件式为 孚 “ ‘ 1 2 对于内齿轮其曲率半径变化周期为4 ，齿数 ， ，同理可知应满足的条件 为 孚 j ‘ d O 3 1 3 3 齿形不干涉 要保证非圆齿轮系能灵活转动，还有一个重要条 件就是要保证各齿轮不发生干涉。传动时的齿形位置 关系由图3所示，可见其不发生干涉的条件是只要两 非圆齿轮的回转曲率半径差始终大于两非圆齿顶高即 可 ，即 r 3 一r I ≥2 1 4 第 2 3期 陈作庆 等非圆行星齿轮液压马达的结构分析与研究 4 7 4配流盘结构分析 液压马达是液压力转换为旋转 机械能的装置 ，在构成 液压马达 的 条件 中 除 了有 密 闭 可 变 的容 积 腔 外，还要有能使液压油产生周期变 化的配流机构，配流机构的设计优 劣直接影响了马达的机械效率、容 积效率以及低速稳 定性 。配油机 构设计 主要包括配 流窗 口设计 ，即 配流窗 口的位置 、数量 、形状 以及 大小。 图 3 齿形位 置关 系 4 ． 1 配流孔位 置分析 非 圆外齿轮为三角形 ，记每个角的位置按顺 时针 依次为 I 、I I 、I I I ，旋转方 向为顺时针 。如 图 4 fl , 所 示，区域 A为非圆外齿轮、非圆内齿轮以及行星轮 1 、2 所包 围的密 闭容积 腔 ，在 此处 位置 非圆外齿 轮 的最大曲率半径和非圆内齿轮的最小曲率半径重合， 容积腔 A最小。当非圆外齿轮旋转到如图 4 b 的位 置时，非圆外齿轮的最小曲率半径和非圆内齿轮的最 大曲率半径重合，这时容积腔 A达到最大，完成 了 容积腔从小到大的一个变化周期，同时要伴随着压力 油 的输出和输入 ，此位置配流盘上必有两个油孔 ，一 个进油一个 出油 。 A 2 a 答 积腔A最小 b 容 积腔A最 大 图4 马达容积腔变化过程 非圆内齿轮 的曲率半径从最小到最大总共要变化 4次 ，有 4个变化周期 ，也就对 应 了容积 腔从 最小 到 最大变化 的 4 个 周期 ，配流盘在这 4个变化周期 中要 布置8个配流窗口才可以使容积腔连续变化4次。假 设 图 4 a 为旋转起 始位置 ，根 据各齿 轮的几何 关系 知从图 a 中I 位置到图 b 中 I 位置非圆外齿轮旋转 的角 度为 “IT 詈， 这时完成容积腔的 一个周期变化， 叶 J 依次类推可知非 圆外齿轮旋转的角位置为 f } }l i i 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， ⋯ 、 J， 当i 为奇数时容积腔 A最小，i 为偶数时容积腔 A最 大，在容积腔变化时必要一进油孔和一出油孔，可见 配流盘上进出油孑 L 交替分布。 4 ． 2配流窗口形状分析 配流窗 口的形状 是 液压 马达配流 机构设 计 的另 一个 重要因素，配流窗 口设计不 合理是影响液压马达困油的 重要原 因之 一。该液 压 马达 的配 流孔 设 计 如 图 5所 示 ， 总共 8个 配流 孔 ，每 个孔 的 形状成瓜子状 。 图5 配流孔布置图 如图 6 a 所示 ，A区域 密 闭腔 的容 积达 到最小 ，当非 圆外齿 轮 转过 l 5 。 时 ， 到图6 b 位置，B区域密闭腔容积达到最大。在最 小容积位置处，行星轮2的齿根圆应该处在刚好能使 进油孔打开的位置，而在最大容积位置，行星轮 1 的 齿根圆应该处在刚好能使进油孔关闭的位置，因此， 图 a 位置 的行星 轮 2的齿根 圆的后 端 和运动 轮转 向相反 的方 向和图 b 位置 的行星轮 1的齿根 圆的 前端就组成了进油孑 L 。此进油孔正好为两相向放置的 相 同圆弧构成 ，该油孔外形如瓜子常 叫瓜子孔。 a 位 置一 b 位置 二 图6 配流孔形成原理 5结论 通过对以上分析可知该马达与传统低速高扭矩马 达相 比零部件相对较少 ，低速稳 定性好 ，对抗 油液污 染性好。该马达结构简单但是设计制造较复杂，在这 一 领域的研究较少，这也是其一直没能在国内推广使 用的最大原因之一。该马达的研究要从计算机辅助设计 人手 ，不仅要研究齿轮设计加工问题 ，还要更细致地研 究马达的性能如脉动率、 容积效率、泄漏、困油等。 参考文献 【 1 】张振林 ， 张春丽， 殷玉慧． 非圆行星齿轮机构节曲线的设 计[ J ] ． 机械设计， 2 0 0 2 ， 1 9 6 4 1 4 3 ． 【 2 】陈图． 非 圆行星齿轮机构节曲线研究 [ J ] ． 机电设备， 1 9 9 7 1 3 0 3 5 ． 【 3 】 吴序堂， 王贵海． 非圆齿轮及非匀速 比传动[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 6 1 0 51 0 6 ． 【 4 】 李福生， 尹种芳， 张遵连， 等． 非圆齿轮与特种齿轮传动 设计[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 1 1 1 01 3 0 ． 【 5 】熊镇芹， 高本河， 吴序堂． 非圆行星齿轮液压马达的配流 设计研究 [ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 4 ， 2 3 5 5 0 9 511． 5 5 2．