， 　， ， ， 　， 德生

(燕山大學 機械工程學院， 河北 秦皇島　066004)

引言

液壓傳動技術(shù)在工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應用已經(jīng)十分成熟，但近年來隨著人們對于節(jié)能、高效、環(huán)保等要求的日益增加，對液壓傳動提出了新的要求[1]。因此，眾多研究者從元件性能、壽命、液壓傳動介質(zhì)、能源利用率和可靠性等方面進行不斷探索[2-4]，如將原有元件用新型材料制造[5]、運用模擬仿真技術(shù)改善元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)[6,7]、采用純水作為液壓介質(zhì)[8]等。

齒輪泵作為最常用的三類液壓泵之一，作為液壓系統(tǒng)中重要的動力元件被廣泛應用，如機床、農(nóng)林、冶金、礦山、建筑、船舶、 飛機、 石化機械等領(lǐng)域[9,10]。但由于齒輪泵徑向力不平衡、流量和壓力脈動較大、噪聲較大、排量不可變等方面不足的存在，制約著齒輪泵的發(fā)展和應用。為此，眾多研究者從優(yōu)化齒輪參數(shù)及泵體結(jié)構(gòu)[11]、噪聲控制、變量方法和消除徑向力不平衡因素等方面進行不斷研究[12，13]。

本研究介紹了一種多輸出齒輪泵的原理和輸出特性，進而以該泵與雙定子液壓馬達為基礎(chǔ)，建立新型傳動方式[14]，并對該形式下馬達的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進行理論探討與分析。該傳動方式區(qū)別于傳統(tǒng)的液壓傳動，能在一個執(zhí)行機構(gòu)(液壓馬達)下，實現(xiàn)多種不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的輸出。

1　多輸出齒輪泵原理

多輸出齒輪泵由1個大齒輪、4個小齒輪、側(cè)板、兩側(cè)端蓋和泵體組成，其中大齒輪作為主動輪布置在中央，4個小齒輪作為從動輪，對稱均勻分布在主動輪的周圍，每2個相互嚙合的齒輪的左右兩側(cè)各分布一個吸、壓油口。該泵原理如圖1中所示，當主動輪順時針轉(zhuǎn)動時，4個從動輪逆時針轉(zhuǎn)動，形成4組吸、壓油口(Aa、Bb、Cc、Dd)，A、B、C、D是4個吸油口，a、b、c、d是4個壓油口。在主動輪轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動過程中，每組吸、壓油口同時完成吸壓油過程，輸出4種相同排量的油液，即4個壓油口排量相同，4個壓油口既可以獨立輸出又可以組合輸出。

A、B、C、D.吸油口　a、b、c、d.壓油口圖1　多輸出齒輪泵原理圖

為了方便構(gòu)建系統(tǒng)圖和便于表達，將該泵的職能符號暫定為如圖2表示。

如圖2所示，圓圈內(nèi)的4組黑色三角表示該馬達的4組吸壓油口，圖中a是多輸出泵的4個壓油口匯聚到一個出油口時的職能符號，此種輸出稱為整體輸出；b表示任意一個壓油口獨立輸出，其余壓油口空載，此種輸出稱為單輸出；c表示任意2個壓油口組合輸出，其余壓油口空載，稱為雙輸出；d表示任意3個壓油口組合輸出，剩余油口空載，稱為三輸出；e表示4個壓油口獨立同時輸出，稱為四輸出。除上述外，各個油口也可以獨立輸出，其職能符號此處未畫出?？梢?，該泵輸出的流量種類多樣，可稱之為多輸出泵。

圖2　不同種輸出方式下泵的職能符號

2　新型傳動方式

該多輸出齒輪泵可與雙定子多速馬達組合形成新型傳動系統(tǒng)，利用該泵四個壓油口可獨立輸出及組合輸出的特性與多速馬達配合，通過換向閥改變對馬達的供油方式，即可實現(xiàn)多速馬達的多種轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的輸出，更能實現(xiàn)多速馬達的差動連接。下面以雙作用連桿滾柱型雙定子多速液壓馬達為例，探討其與多輸出齒輪泵組成的傳動系統(tǒng)中馬達所能輸出的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩。

本研究只對復合齒輪泵和多速馬達構(gòu)成的傳動系統(tǒng)中馬達輸出的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩進行探討，故傳動系統(tǒng)中的控制閥類和回路簡化為方框，油箱及其他附件簡化不畫，只將動力元件和執(zhí)行機構(gòu)表示出來，得到如圖3所示的傳動簡圖。

圖3　多輸出齒輪泵與雙作用連桿滾柱型雙定子液壓馬達傳動簡圖

圖3中左側(cè)動力元件為前述多輸出復合齒輪泵，其中Aa、Bb、Cc、Dd為四組吸壓油口，共八個油口，右側(cè)執(zhí)行機構(gòu)為雙作用滾柱連桿型雙定子多速液壓馬達，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為外馬達進出油口，ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ為內(nèi)馬達進出油口，整個馬達共8個油口。泵中主動輪順時針轉(zhuǎn)動時， A、B、C、D 4個口吸油，a、b、c、d 4個口壓油，將油液輸入到系統(tǒng)中，再經(jīng)過各類控制閥控制輸入到多速馬達中驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)內(nèi)馬達單獨工作、外馬達單獨工作、內(nèi)外馬達同時工作及內(nèi)外馬達差動工作。

根據(jù)泵供油方式的多樣性，馬達每種工作方式都有多種泵-馬達連接形式，選擇其中具有代表性的進行介紹。如圖4a所示為多輸出齒輪泵驅(qū)動內(nèi)馬達單獨工作的連接方式之一，泵為單輸出供油形式；圖4b所示為泵驅(qū)動外馬達單獨工作的連接方式之一，泵為雙輸出供油形式；圖4c所示為泵驅(qū)動內(nèi)外馬達同時工作的連接方式之一，泵為整合輸出供油形式；圖4d所示為泵驅(qū)動內(nèi)外馬達差動工作的連接方式之一，泵為雙輸出供油形式。對于馬達的不同工作方式，多輸出齒輪泵均能實現(xiàn)單輸出、整合輸出及其余出油組合方式的輸出，共能實現(xiàn)4種不同流量的輸出。

圖4　多輸出齒輪泵與雙定子馬達連接方式

3　新傳動方式下馬達轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩探討

由于多輸出齒輪泵與多速馬達能夠形成多種連接及工作方式，因此，對該泵與馬達傳動系統(tǒng)中馬達的輸出轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩及其相應規(guī)律的探討與總結(jié)必不可少。齒輪泵4個壓油口輸出流量相同，泵出油口的任意組合使泵可輸出4種成比例流量，將單個油口輸出流量記為Q，則輸出流量共有Q、2Q、3Q和4Q，由雙定子液壓馬達的結(jié)構(gòu)特點可知，其2個內(nèi)馬達排量相等，2個外馬達排量相等，內(nèi)、外馬達的排量成比例，比例系數(shù)為K。2個內(nèi)馬達排量均為Vn，2個外馬達排量均為Vw，且Vw=KVn，單個內(nèi)馬達的轉(zhuǎn)速nn=Q/Vn，外馬達的轉(zhuǎn)速nw=Q/Vw，相應的內(nèi)馬達轉(zhuǎn)矩Mn=ΔpVn/2π，外馬達轉(zhuǎn)矩Mw=ΔpVw/2π，馬達進出口壓差為Δp。下面分析供油流量為Q時的馬達輸出轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩，如表1所示。

表1　供油流量Q時馬達不同工況下的輸出轉(zhuǎn)速

表2　差動工作下馬達的輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩

表2中所列只是泵輸出流量為Q時馬達差動連接輸出的轉(zhuǎn)速，Q改變時同理可得到相應轉(zhuǎn)速，該齒輪泵與雙作用雙定子馬達構(gòu)成的差動傳動系統(tǒng)共能實現(xiàn)4組，即16種轉(zhuǎn)速的輸出，且每組的轉(zhuǎn)速成比例，但其中存在相同轉(zhuǎn)速，即輸出流量為2Q時的2nn/2(K-1)與輸出流量為Q時的nn/(K-1)相同，輸出流量為4Q時的4nn/2(K-1)與輸出流量為2Q時的2nn/(K-1)相同，因此共可實現(xiàn)14種轉(zhuǎn)速輸出。由于馬達輸出轉(zhuǎn)矩與其自身排量有關(guān)，因此輸出轉(zhuǎn)矩共4種。

根據(jù)上述四輸出齒輪泵對雙作用多速馬達傳動中馬達的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩規(guī)律，可以推導得輸出數(shù)為m的泵對n作用雙定子多速馬達傳動的馬達轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩規(guī)律：普通連接方式下可以實現(xiàn)m(2n+n2)種轉(zhuǎn)速和2n+n2種轉(zhuǎn)矩，差動連接方式下可以實現(xiàn)mn2種轉(zhuǎn)速和n2種轉(zhuǎn)矩。需要說明的是，在前面的討論中均不涉及K的特殊取值情況。在各自連接方式下實現(xiàn)的傳動中，由于系數(shù)K的不同取值存在轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩相同的情況，所以需要針對具體傳動加以分析得到準確的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩種類。上述規(guī)律只針對馬達在一個轉(zhuǎn)向工作，當馬達反向工作時同理可得其輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的種類。

4　結(jié)論

本研究介紹了多輸出齒輪泵的結(jié)構(gòu)及其工作原理，從理論上重點探討以該泵和雙作用雙定子多速液壓馬達組成傳動系統(tǒng)中馬達轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出種類，并加以擴展，初步得到了m輸出的該類泵對n作用雙定子多速馬達的傳動規(guī)律?？梢?，與傳統(tǒng)單泵單馬達傳動系統(tǒng)相比，該傳動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更多種類的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出，同時豐富了多泵多速馬達傳動系統(tǒng)，為進一步研究多泵多速馬達傳動系統(tǒng)的傳動方式及其規(guī)律奠定了理論基礎(chǔ)。由于連接方式的多樣化，系統(tǒng)中傳統(tǒng)換向過程變得繁瑣，因此該文也為后續(xù)改善換向過程乃至研究新型換向閥做出鋪墊。

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