一種新型擺線液壓馬達(dá)*

王 艦，王春濤， 張態(tài)成

(浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

一種新型擺線液壓馬達(dá)*

王 艦，王春濤， 張態(tài)成

(浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

介紹一種全新的擺線液壓馬達(dá)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和工作原理，并從理論上分析其性能特點(diǎn)。研究的擺線液壓馬達(dá)與現(xiàn)有的各類液壓馬達(dá)相比具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，系列數(shù)多，排量大，密封性和能量轉(zhuǎn)換率高等特點(diǎn)。

針輪擺線；液壓馬達(dá)；工作原理；結(jié)構(gòu)性能

0 引 言

液壓馬達(dá)習(xí)慣上是指輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將液壓泵提供的液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置[1]。擺線液壓馬達(dá)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、輸出扭矩大以及單位質(zhì)量功率比其他類型液壓馬達(dá)大等特點(diǎn)[2]，廣泛應(yīng)用于工程、農(nóng)業(yè)、船舶運(yùn)輸、礦山及漁業(yè)等各種機(jī)械設(shè)備中。現(xiàn)有擺線液壓馬達(dá)普遍采用外齒圈固定作為定子，擺線齒輪作為轉(zhuǎn)子與外齒圈嚙合作內(nèi)行星運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)輸出機(jī)構(gòu)通過連接輸出軸頭和擺線齒輪的鼓形花鍵聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)[3]，配流方式有軸配流、端面配流、滑閥配流等幾種形式[4]。

此研究設(shè)計(jì)的是一種全新的擺線液壓馬達(dá)，其能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)采用擺線齒輪固定，外齒圈嚙合其上作外行星運(yùn)動(dòng)，通過高效孔銷輸出機(jī)構(gòu)向外輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，采用端面配流機(jī)構(gòu)，該馬達(dá)與現(xiàn)有的擺線液壓馬達(dá)相比，整體結(jié)構(gòu)緊湊，縮短了軸向尺寸，排量和功率都有很大的提升?，F(xiàn)從其結(jié)構(gòu)、工作原理和性能進(jìn)行分析介紹。

1 新型擺線液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)

新型擺線液壓馬達(dá)主要由液機(jī)轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)、孔銷輸出機(jī)構(gòu)、端面配油機(jī)構(gòu)、機(jī)殼等部分組成，圖1所示為新型擺線液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)圖。

1.1 液機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

液機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的功能是將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，是液壓馬達(dá)的核心，對(duì)能量轉(zhuǎn)換起著決定性的作用。

圖1 新型擺線液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)圖1.輸出軸 2.密封 3.機(jī)殼 4.左端蓋 5.右端蓋 6.針齒輪 7.軸擺線齒輪 8.圓錐滾子軸承 9.檔環(huán) 10.銷軸組件 11.配油閥 12.固定孔銷盤 13.偏心環(huán) 14.配油擺線齒輪

液機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)主要是軸擺線齒輪和針輪相互嚙合組成的一齒差共軛副。將擺線齒輪Zg固定為太陽輪，使針輪Zb嚙合其上作外行星運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用K-H-V型行星輪系中g(shù)輪固定時(shí)的傳動(dòng)比公式作為其傳動(dòng)原理[5]。其傳動(dòng)公式為：

圖2所示為一齒差針輪擺線共軛副結(jié)構(gòu)，它具有良好的結(jié)構(gòu)特性，即：

(1) 組成結(jié)構(gòu)中各個(gè)幾何要素的對(duì)稱性。當(dāng)針輪的某一針齒與擺線齒輪的齒根相嚙合時(shí)，該針齒相對(duì)的兩針齒部分齒廓和擺線齒廓圍成的齒腔容積達(dá)到最大Vomax。以這兩針齒和上方一針齒嚙合線為界，將其它各針齒分隔成對(duì)稱分布的兩齒腔區(qū)，各齒腔容積大小一一對(duì)應(yīng)相等，自下而上由大變小。這一齒腔布局和變化特性，滿足了液壓能轉(zhuǎn)換的條件高低壓區(qū)分隔，液量對(duì)稱等量和液流量沿著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。

(2) 一齒差針輪擺線齒輪共軛副結(jié)構(gòu)具有較高的容積效率和機(jī)械效率。一齒差針輪擺線齒輪共軛副理論上稱為全齒無間隙嚙合傳動(dòng)，各個(gè)齒腔獨(dú)立密封，容積效率高；針輪與擺線齒輪共軛副為平面力系傳動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)阻力小，大大提高了機(jī)械效率。

(3) 按總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，將擺線齒輪設(shè)計(jì)成左右軸頸式，便于它與機(jī)殼固定，又利于其它相關(guān)構(gòu)件聯(lián)接和定位。

圖2 一齒差針輪擺線齒輪共軛副

1.2 孔銷輸出機(jī)構(gòu)

孔銷輸出機(jī)構(gòu)主要由左端蓋、右端蓋、銷軸組件等部分組成，如圖3所示，它的功能是密封液機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的針輪擺線共軛副兩端面，并將液機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)得到的針輪體的角速度ωb和轉(zhuǎn)矩Mb傳輸?shù)捷敵鲚S，同時(shí)將角速度傳遞給配油機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)端面配油閥運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)液機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同步配油。

圖3 孔銷輸出機(jī)構(gòu)1.左端蓋 2.銷軸組件 3.右端蓋

孔銷輸出機(jī)構(gòu)左右端蓋有和針輪體等徑分布的Zb個(gè)相同大小的銷孔，銷孔直徑Dw=dp+2A(dp為銷軸直徑，A為偏心距)，通過由六角頭鉸制孔用螺栓、固定銷套和活動(dòng)銷套組成的銷軸組件和針輪體裝配在一起。右端蓋筒孔內(nèi)裝一對(duì)圓錐滾子軸承定位，左端蓋筒孔內(nèi)裝端面配油閥，動(dòng)配合定位。

1.3 端面配油機(jī)構(gòu)

端面配油機(jī)構(gòu)的功能，是驅(qū)動(dòng)端面配油閥，將高壓油從閥的一側(cè)，引入針輪擺線共軛副中高壓齒腔區(qū)，隨后將已盡能量的低壓油，從低壓齒腔區(qū)擠入端面配油閥的另一側(cè)，排出回油箱，使液壓馬達(dá)連續(xù)作機(jī)械功。

端面配油閥的結(jié)構(gòu)采用內(nèi)外裝配，內(nèi)外套上各設(shè)對(duì)稱隔離開的高低壓油路，配油閥的右端面上各油口與左端蓋孔底面上所設(shè)的zb個(gè)月牙形通油孔相對(duì)應(yīng)。高壓油從機(jī)殼上進(jìn)油口，經(jīng)左端蓋徑向進(jìn)油口，通過配油閥外套開口進(jìn)入配油閥高壓油區(qū)c，使高壓油由徑向轉(zhuǎn)軸向流動(dòng)，經(jīng)過左端蓋軸向配油孔c′，進(jìn)入液機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的高壓齒腔區(qū)d，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，液機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的低壓齒腔區(qū)e的低壓油經(jīng)左端蓋軸向配油孔e′進(jìn)入配油閥低壓區(qū)f，通過配油閥外套徑向開口，經(jīng)左端蓋徑向排油口進(jìn)入馬達(dá)機(jī)殼上的排油口排回油箱。如圖2、4、5所示。

圖4 左端蓋左視圖 圖 5 閥的右端面通油口

2 新型擺線液壓馬達(dá)工作原理

當(dāng)高壓油輸入液機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)中，在高壓油壓力作用下，針輪體朝齒腔擴(kuò)大方向旋轉(zhuǎn)，它以角速度ωb驅(qū)動(dòng)孔銷輸出機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，孔銷輸出機(jī)構(gòu)以等角速度ωb=ωb′驅(qū)動(dòng)端面配油機(jī)構(gòu)，端面配油機(jī)構(gòu)帶動(dòng)同軸上端面配油閥，獲得角速度ωH′=ωb′zb′，與液機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)中針輪體公轉(zhuǎn)的角速度ωH=ωbzb相等，實(shí)現(xiàn)等速進(jìn)排油?？卒N輸出機(jī)構(gòu)將液機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和端面配油機(jī)構(gòu)包絡(luò)在內(nèi)，形成一條閉式液機(jī)能連續(xù)循環(huán)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)?？卒N輸出機(jī)構(gòu)的左端蓋設(shè)一漸開線花鍵法蘭，聯(lián)接左端蓋和花鍵軸頭，由花鍵軸頭向外輸出ωb和Mb，驅(qū)動(dòng)負(fù)載做功。

3 新型擺線液壓馬達(dá)的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新型擺線液壓馬達(dá)與現(xiàn)有的各類常用液壓馬達(dá)進(jìn)行比較，在結(jié)構(gòu)和性能上具有良好的優(yōu)勢。

(1) 擺線液壓馬達(dá)系列數(shù)多、排量大。根據(jù)擺線液壓馬達(dá)的排量公式，一級(jí)行星傳動(dòng)齒數(shù)有數(shù)十種，設(shè)計(jì)搭配參數(shù)偏心距A和齒寬B各有十余種，可知新型擺線液壓馬達(dá)具有較大的系列數(shù)和排量值，能滿足大部分配套機(jī)械所需的功率要求。

(2) 新型擺線液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)緊湊。在液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，可設(shè)置徑向、軸向和環(huán)向密封結(jié)構(gòu)。徑向采用球鐵活塞環(huán)密封，容積效率高，軸向和環(huán)向采用塑料青銅鋼復(fù)合板密封條，內(nèi)襯O型橡膠圈，靠壓縮橡膠圈產(chǎn)生的回彈力給密封接觸面一定的壓力，密封條磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償，保證了密封可靠性，對(duì)提高液壓馬達(dá)的液壓力和轉(zhuǎn)速以及使用壽命意義重大。

(3) 能量轉(zhuǎn)換效率高。液機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)采用一齒差針輪擺線共軛副，為平面力系傳動(dòng)，僅受徑向阻力，共軛副又滾動(dòng)嚙合，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，阻力小，采用強(qiáng)氮化表面處理，高精磨削成型，效率較高，其運(yùn)動(dòng)輸出機(jī)構(gòu)為高效孔銷輸出機(jī)構(gòu)，傳輸效率高，液壓馬達(dá)的總效率得到提升。

(4) 作為能量轉(zhuǎn)換傳動(dòng)技術(shù)，液壓馬達(dá)單一的針輪擺線共軛傳動(dòng)副結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

4 結(jié) 語

這種新型擺線液壓馬達(dá)是以一齒差針輪擺線齒輪共軛副結(jié)構(gòu)為核心，在液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)布局上進(jìn)行了一系列的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，馬達(dá)整體結(jié)構(gòu)緊湊，從理論上分析，馬達(dá)的綜合性能相比傳統(tǒng)擺線液壓馬達(dá)有著巨大的優(yōu)勢。對(duì)于新型液壓馬達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)遇到的一些問題，還需在以后的研究和實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步解決。

[1] 張培紅. LabVIEW 在液壓馬達(dá)測試系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用, 2012(3): 179-180.

[2] 溫群明. 炸藥車的擺線式液壓馬達(dá)[J]. 銅業(yè)工程, 2007(1):47-49.

[3] 張玉蓮, 章 海. 一種新型的行星針輪擺線液壓馬達(dá)設(shè)計(jì)研究[J]. 液壓與氣動(dòng), 2006(9): 19-21.

[4] 韓 俊. 端面配流外定子浮動(dòng)型高壓擺線液壓馬達(dá)研制[D].杭州：浙江大學(xué), 2012: 8-10.

[5] 天津大學(xué). 機(jī)械原理[M]. 北京:人民教育出版社, 1979.

A New Type of Cycloidal Hydraulic Motor

WANG Jian, WANG Chun-tao, ZHANG Tai-cheng

(CollegeofShipandOceanEngineering,ZhejiangOceanUniversity,ZhoushanZhejiang316022,China)

The structure and working principle of a new type of cycloidal hydraulic motor were introduced, and its performance features were analyzed in theory. This cycloidal hydraulic motor has many features such as compact structure, small volume, more series number, big output volume, and high leakproofness and energy conversion rate compared with the existing various types of hydraulic motors.

pinwheel cycloid; hydraulic motor; working principle; structure performance

2014-02-24

浙江海洋學(xué)院科研啟動(dòng)費(fèi)(編號(hào)：Q1202)

王 艦(1985-)，男，山東泰安人，在讀碩士，研究方向：液壓元件設(shè)計(jì)。

王春濤(1965-)，男，浙江定海人，教授，研究方向：海洋機(jī)電裝備技術(shù)。

TH137.51

A

1007-4414(2014)02-0121-03