劉光輝，李殿起，魏 爽,陳平亮，尚志強(qiáng)

(沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110023)

?

基于液壓力矩對非圓齒輪馬達(dá)配流規(guī)律的研究

劉光輝，李殿起，魏 爽,陳平亮，尚志強(qiáng)

(沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110023)

在研究非圓齒輪液壓馬達(dá)各容腔液壓力矩的存在狀態(tài)及作用規(guī)律的基礎(chǔ)上,采用分析各容腔力矩存在狀態(tài)的方法，結(jié)合配油盤的設(shè)計(jì)理論，對馬達(dá)的配流規(guī)律進(jìn)行研究，得到馬達(dá)的具體配流規(guī)律。使得對配流盤的分析及配流規(guī)律的研究有理有據(jù)且結(jié)果更加直觀，為非圓齒輪液壓馬達(dá)的研究提供理論支持。

非圓齒輪液壓馬達(dá)；力矩；配流規(guī)律

0 前言

目前，非圓齒輪液壓馬達(dá)是非圓齒輪應(yīng)用較為成功的一項(xiàng)成果，非圓齒輪液壓馬達(dá)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、低速大扭矩、調(diào)速性能良好、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使其在各種工況下，尤其是惡劣環(huán)境中得到廣泛的應(yīng)用。非圓齒輪液壓馬達(dá)是由非圓齒輪輪系(內(nèi)齒圈、太陽輪、行星輪)、配流盤、輸出軸、軸承等零件組成(如圖1所示)。太陽輪、內(nèi)齒圈及兩個(gè)相鄰的行星輪組成密閉的工作容腔。工作油液經(jīng)進(jìn)油口進(jìn)入密封容腔，作用在行星輪上產(chǎn)生液壓力矩，推動行星輪與太陽輪嚙合旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在旋轉(zhuǎn)過程中，密閉容腔進(jìn)排油腔循環(huán)變化，太陽輪不斷旋轉(zhuǎn)帶動輸出軸旋轉(zhuǎn)輸出力矩。目前，大部分的研究著重在對非圓齒輪輪系的研究上，而對非圓齒輪液壓馬達(dá)性能方面研究比較少，尤其是馬達(dá)液壓力矩和配流規(guī)律方面的研究更少。由于非圓齒輪液壓馬達(dá)的配流盤具有多個(gè)配流口和多個(gè)密閉的容腔，其通過行星輪的運(yùn)動控制著配流口的開閉，太陽輪和行星輪的旋轉(zhuǎn)使得配流口處于打開和關(guān)閉的交替狀態(tài)。直接通過太陽輪旋轉(zhuǎn)不同的角度來判斷配流口的工作狀態(tài)是較為困難的，很容易混淆各配流口，無法真實(shí)準(zhǔn)確地對馬達(dá)的配流規(guī)律進(jìn)行研究。本文通過對馬達(dá)各容腔液壓力矩的分析，結(jié)合馬達(dá)配流盤設(shè)計(jì)理論，對馬達(dá)的配流規(guī)律進(jìn)行研究。

1.進(jìn)油盤 2.進(jìn)油口 3.密封環(huán) 4.出油口 5.排油盤 6.太陽輪 7.行星輪 8.內(nèi)齒圈 9.輸出軸圖1 非圓齒輪馬達(dá)及其齒輪輪系Fig.1 Non-circular gear hydraulic motor and non-circular gear

1 馬達(dá)液壓力矩作用規(guī)律研究

以圖2中太陽輪的位置定義為初始位置，并對各個(gè)容腔進(jìn)行編號，如圖2所示。給定太陽輪特殊的旋轉(zhuǎn)角度，研究各容腔之間力矩相互作用的關(guān)系，更有利于對該類馬達(dá)的力矩進(jìn)行研究與分析。

根據(jù)配流盤的設(shè)計(jì)過程，當(dāng)太陽輪旋轉(zhuǎn)到圖2位置時(shí)，3號和8號容腔處于進(jìn)油口剛要打開，排油口剛剛閉合的位置，其腔內(nèi)力矩為0。給定太陽輪運(yùn)轉(zhuǎn)特殊角度，研究各腔力矩的變化規(guī)律，進(jìn)而對馬達(dá)力矩進(jìn)行分析。由于馬達(dá)的對稱性，相對的兩個(gè)容腔(圖2中1和6、2和7、3和8、4和9、5和10)的力矩狀態(tài)是相同的，所以只分析1-5容腔的力矩狀態(tài)即可。分析結(jié)果如表1所示。

圖2 容腔編號Fig.2 The cavity number

太陽輪旋轉(zhuǎn)角度容腔1容腔2容腔3容腔4容腔500(排油)1(有)0+(臨界)0(排油)1(有)π/120(排油)0-(臨界)1(有)0(排油)1(有)π/60+(臨界)0(排油)1(有)0(排油)1(有)π/41(有)0(排油)1(有)0(排油)0-(臨界)π/31(有)0(排油)1(有)0+(臨界)0(排油)5π/121(有)0(排油)0-(臨界)1(有)0(排油)π/21(有)0+(臨界)0(排油)1(有)0(排油)7π/120-(臨界)1(有)0(排油)1(有)0(排油)2π/30(排油)1(有)0(排油)1(有)0+(臨界)3π/40(排油)1(有)0(排油)0-(臨界)1(有)5π/60(排油)1(有)0+(臨界)0(排油)1(有)

注：0+(臨界)表示此位置力矩為0且處于容腔面積最小的位置。此后容腔的面積將逐漸增大;0-(臨界)表示此位置力矩為0且處于容腔面積最大的位置。此后容腔的面積將逐漸減小;0(排油)表示該位置容腔與排油口接通，力矩為0;1(有)表示該位置與進(jìn)油口接通，有力矩產(chǎn)生。

對表1進(jìn)行分析：

(1)對單腔來說，力矩循環(huán)以太陽輪旋轉(zhuǎn)(5π)/6為周期。從0+(臨界)位置到0-(臨界)位置有力矩產(chǎn)生，在此期間，太陽輪旋轉(zhuǎn)5π/12。從0-(臨界)位置到0+(臨界)位置由于與排油口接通，故力矩都為0。

(2)當(dāng)太陽輪旋轉(zhuǎn)到表格中的固定角度時(shí)，除去臨界狀態(tài)的容腔，其他容腔處于0(排油)到1(有)或1(有)到0(排油)交替循環(huán)狀態(tài)。而固定角度之間，0+(臨界)與 0-(臨界)也是處于交替循環(huán)狀態(tài)。

2 液壓力矩對馬達(dá)配流規(guī)律的研究

設(shè)計(jì)配流盤時(shí)采用的是容腔面積最大與最小的方法，其中最大面積與最小面積的位置是太陽輪旋轉(zhuǎn)到某些特定的角度時(shí)的位置。在這些特定的角度位置，配流盤是處于開始進(jìn)油或者開始排油的臨界狀態(tài)，無法對其配流規(guī)律做出研究。因此，太陽輪旋轉(zhuǎn)角度都是處于打開區(qū)間的范圍內(nèi)，不考慮端點(diǎn)值。各個(gè)容腔的力矩在端點(diǎn)值時(shí)都為0，所以力矩為0的臨界狀態(tài)也不考慮。力矩存在時(shí)也不考慮該狀態(tài)時(shí)力矩?cái)?shù)值的大小。進(jìn)油口和排油口也只考慮接通或不接通的狀態(tài)，而不考慮配流口由于行星輪的作用而所接通的面積大小。由于配流口的數(shù)目較多，所以只考慮起作用的配流口的數(shù)目，而先不考慮具體起作用的配流口。

在以上假設(shè)條件下，對太陽輪旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)油口和排油口的工作狀態(tài)進(jìn)行研究，達(dá)到對馬達(dá)配流機(jī)構(gòu)的配流規(guī)律進(jìn)行研究的目的。該種研究方法是對馬達(dá)配流口瞬時(shí)配流規(guī)律的研究，只是不包括若干特殊點(diǎn)位置即處于進(jìn)油或排油的臨界狀態(tài)的位置。通過分析得到如表2所示的太陽輪旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期內(nèi)6個(gè)進(jìn)油口與6個(gè)排油口之間的作用規(guī)律。

表2 非圓齒輪液壓馬達(dá)配流規(guī)律

從表2可以得到：

(1)非圓齒輪液壓馬達(dá)在進(jìn)油時(shí)只存在4個(gè)進(jìn)油口同時(shí)進(jìn)油或6個(gè)進(jìn)油口同時(shí)進(jìn)油的兩種情況；排油時(shí)也只存在6個(gè)排油口同時(shí)排油或4個(gè)排油口同時(shí)排油的兩種情況。

(2)6進(jìn)4排和4進(jìn)6排的兩種狀態(tài)交替存在，且太陽輪每旋轉(zhuǎn)π/12完成一次交替。

液壓馬達(dá)在旋轉(zhuǎn)的過程中配流盤始終是固定的，6個(gè)進(jìn)油口和6個(gè)排油口就分別存在著固定的位置關(guān)系。由于進(jìn)油口和排油口具有對稱性，所以在對具體的配油口作用規(guī)律進(jìn)行研究時(shí)，只針對馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí)工作狀態(tài)進(jìn)行研究。如圖3和圖4所示，對進(jìn)油口和排油口單獨(dú)編號且油口按照裝配時(shí)的固定位置進(jìn)行編號。

圖3 進(jìn)油口排序Fig.3 The sorting of oil inlet

圖4 排油口排序Fig.4 The sorting of oil outlet

由于內(nèi)齒圈和太陽輪的對稱性，所以處在同一條過旋轉(zhuǎn)軸心直線上的配油口具有相同的配流作用。1和4，2和5 ，3和6分別具有完全一致的作用規(guī)律。因此只對1、2、3進(jìn)油口進(jìn)行具體配流規(guī)律的研究。進(jìn)油口和排油口都只存在4個(gè)或6個(gè)油口同時(shí)配流的狀態(tài)，結(jié)合表2的力矩狀態(tài)，得到具體的配流口作用規(guī)律，如表3所示。

表3 非圓齒輪液壓馬達(dá)具體配流規(guī)律

注：①表中空白地方表示1～3號配油口全部進(jìn)行工作;②表中僅對1～3號配流口進(jìn)行研究， 4～6號也分別對應(yīng)1～3號配流口一起工作。

從表3中可以得到：

3 結(jié)論

非圓齒輪液壓馬達(dá)具有體積小、脈動小、機(jī)構(gòu)簡單、低速大扭矩的特點(diǎn)，在煤礦機(jī)械、工程機(jī)械等多種領(lǐng)域得到應(yīng)用，具有較高的研究價(jià)值。但國內(nèi)對于該類馬達(dá)研究并不成熟，正處于起步階段，尤其是在該類馬達(dá)性能方面的研究。本文提出的分析各容腔力矩存在狀態(tài)的方法來研究配流規(guī)律，再結(jié)合配流盤設(shè)計(jì)思路，使得對馬達(dá)的配流規(guī)律有更加直觀的認(rèn)識，為以后更好的研究該類馬達(dá)具有一定的參考價(jià)值。

[1] 姚文席. 非圓齒輪設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2] 孫恒，陳作模.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，1996.

[3] 徐曉俊，黃勇，唐德威.非圓行星齒輪液壓馬達(dá)的參數(shù)化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),1997，16(2)：323-327.

[4] 吳序堂，熊鎮(zhèn)芹.非圓行5星齒輪液壓馬達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2004(5):50-52.

[5] 熊鎮(zhèn)芹，高本河，吳序堂.非圓行星齒輪液壓馬達(dá)的配流設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械科學(xué)技術(shù),2000，23(5)：509- 511.

[6] ChenJianneng,ZhaoXiong, Hu Yulong. Reverse design and test of non-circular gear &crank-rocker &gear trains weft insertion mechanism[J]. Journal of DonghuaUniversity(English Edition), 2011，28(3): 243-247.

[7] Bair B W. Computerized tooth profile generation of elliptical gears manufactured byshaper cutters[J]. Journal of Materials Processing Technology.2002，(122):139-147.

[9] 許鴻昊，張華，沈銀杰.非圓行星齒輪液壓馬達(dá)總效率的提高[J].液壓與氣動,2014(4)：80-84.

[10]梁增賀.非圓液壓馬達(dá)行星輪系研究及性能分析[D].青島：山東科技大學(xué)，2008.

[11]陳作慶，胡松年，翟春香，等.非圓齒輪液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)分析與研究[J].機(jī)床與液壓，2010，38(23)：45-47.

[12]孫亞東.配油孔定位研究[J].北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2007，22(3)：44-46.

[13]徐瑤.非圓行星齒輪液壓馬達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[14]劉志平，蘇建新. 基于多目標(biāo)優(yōu)化的修形非圓行星齒輪水馬達(dá)加工參數(shù)計(jì)算及仿真[J]. 機(jī)械傳動，2015(7):86-89.

Study on assignment rule of non-circular gear motor based on hydraulic torque

LIU Guang-hui，LI Dian-qi, WEI Shuang，CHEN Ping-liang，SHANG Zhi-qiang

(School of Mechanical Engineering, Shenyang 110023,China)

The state of existence and the rule of action of hydraulic torque of each chamber of the non-circular gear hydraulic motor are studied，the assignment law of motor is studied and the specific assignment rule of motor is known. The designing theory of the port plate is considered. This makes the analysis of port plate and the study of assignment rules reasoned and the results more intuitive, providing theoretical support for the research of non-circular gear hydraulic motor.

non-circular gear hydraulic motor; torque; assignment rule

2016-06-21；

2016-08-03

國家自然科學(xué)基(51105257,51310105025)；遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長計(jì)劃(LQJ2014012)；中國博士后科學(xué)基金(2015M571327)

劉光輝(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榉菆A齒輪液壓馬達(dá)性能。

TH132.424

A

1001-196X(2016)05-0031-05