内曲线行星齿轮泵的结构原理

摘 要: 齿轮泵是液压传动系统中常用的液压元件,具有结构简单、加工方便、成本低、对油 液污染不敏感等特点,其缺点是径向力不平衡、流量脉动大。为了克服齿轮泵径向力不平衡 、流量脉动大等缺点,在非圆行星传动理论及齿轮泵工作原理相结合的基础上,提出了内曲 线行星齿轮泵的结构原理,讨论了该泵的结构及工作原理,研究结果表明,内曲线行星齿轮 泵具有流量大、流量均匀性好、噪声低以等优点,可广泛应用于各种液压传动系统中。

关键词:内曲线行星齿轮泵;工作原理;结构特点

中图分类号:TH325文献标识码:A文章编号:1672-1098(2010)02-0017-04

Structure Principle of Internal-curve Planet Gear Pump

LUAN Zhen-hui

(School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology,Huainan Anhui 232001, China)

Abstract: Gear pump is widely used in hydraulic system because of its simple con struction, easy to manufacture, convenient to maintenance, and relatively low co st. The shortcomings of this type of pump are unbalanced hydraulic force, largepulsation of its fluid supply. In order to overcome the shortcomings of gear pum p, structure principles of internal-curve planet gear pump was proposed basedonthe theory of non-circular planet transmission and working principle of gearpu mp. Construction and working principles of the pump were discussed. The study in dicated that the internal-curve planet gear pump has big flow, good flow unifo rm ity and low noise. The internal-curve planet gear pump can be widely sued in h ydraulic system.

Key words:internal-curve planet gear pump; working princip le; structure property

齿轮泵结构简单,加工、使用维护方便,且具有自吸能力强,对油液污染不敏感等特性,因而应用广泛。其主要缺点是径向液压力不平衡,轴承磨损严重;流量和压力脉动大,噪声高。另外,其排量不可调节,使用范围受到限制。近年来齿轮泵在向高压化方向发展,而提高工作压力所带来的问题是:① 轴承寿命大大缩短;② 泵泄漏加剧,容积效率低。产 生这两个问题的根本原因在于齿轮(轴)上作用了不平衡的径向液压力,且工作压力越高,径向液压力越大。目前国内外学者针对以上两问题所进行的研究是:① 对径向间隙进行补偿 ;② 减小径向力,如优化齿轮参数,缩小排液口尺寸等;③ 提高轴承承载能力,如用滑动 轴承代替滚针轴承等。但这些方法都没有从根本上解决问题[1]。

研究了以上情况,并根据非圆行星齿轮传动理论及其结构特点,结合齿轮泵的工作原理,提出了内曲线行星齿轮泵的结构原理,并对其进行了初步分析。

1 非圆行星齿轮传动

非圆齿轮是指节曲线不为圆的齿轮,它可以实现两轴之间变传动比的传动。非圆齿轮传动可以实现定轴传动,如节曲线封闭的椭圆齿轮副传动、卵形齿轮副传动以及节曲线不封闭的非圆齿轮副传动(摆动),也可以实现周转轮系传动。非圆齿轮传动作周转轮系传动时,与普通的行星齿轮传动相似,只是太阳轮和内齿圈为非圆齿轮,行星轮仍为圆柱齿轮。

1.1 非圆齿轮副

(1) 椭圆齿轮副 椭圆齿轮副是应用最多的封闭曲线的非圆齿轮副。给定主动轮1的节曲线 是个椭圆,齿轮的回转中心O1在它的一个焦点上,则其方程为[2]

r1=b(1-k2)1-k cos φ1(1)

式中:b为椭圆的长轴半径,m;k为偏心率。

显然,r1的变化周期数为1,若要求从动轮r2的周期数也为1,则椭圆齿轮副的中心距应为2b。

r2=2b(1-k2)1+k cos φ2(2)

(2) 卵形齿轮副 卵形齿轮副是椭圆齿轮副的一种变形,它广泛应用于各种流量计中。保持 椭圆节曲线的向径尺寸不变而将其极角减小一半,就是卵形曲线。取卵形节曲线的几何中心作为其回转中心O1,则其方程为

r1=b(1-k2)1-k cos2 φ1(3)

由式(3)知, 齿轮1回转一周,r1的变化周期数为2。若要求r2也为2,则卵形齿轮副的中 心距也为2b。r2=b(1-k2)1+k cos2 φ2(4)

1.2 非圆齿轮轮系

(1) 定轴轮系 当两对非圆齿轮1、 2及3、 4组成定轴轮系时, 设它们的转角函数关系分别为: φ2= f1(φ1)及φ4=f2(φ3),因为齿轮2、3 固定在同一轴上,φ2=φ3,故

φ4=f2[f1(φ1)]=F(φ1)(5)

可以得到输入轴转角φ1与输出轴转角φ4的函数关系。可见这个定轴轮系相当于一对偏心率更大的椭圆齿轮的传动。设这个偏心率为k1,则

k1=2k1+k2(6)

(2) 周转轮系 当非圆齿轮1、2及3、4组成周转轮系,齿轮1固定不动,运动由系杆H输入,齿轮4 输出时,就构成一个非圆齿轮周转轮系,其输入轴转角φH与输出轴转角φ4的关系为

φ4=F(φH)-φH(7)

式中:F(φH)为齿轮1、2、3、4作为定轴轮系时的传动比函数,即式(5)的函数关系。只需把其中的φ1用φH代替即可。因此,非圆周转轮系的传动比i4H为

i4H=dφ4dφH=F(φH)-1(8)

由式(8)可知,当输入轴以等角速度向一个方向旋转时,输出轴的转速及方向均可以改变,因此有可能设计出输出轴连续单向转动的、间歇转动的以及往复摆动的机构。

(3) 行星轮系 一个非圆齿轮行星轮系(见图1),其太阳轮1是一个外形接近于三角形的非圆 齿轮,周轮2是一个接近于四方形的非圆内齿轮,七个行星轮3是普通的圆柱齿轮。内齿轮固定不动,太阳轮转动,行星轮就在它们之间一边自转一边公转。在传动过程中,行星轮与太阳轮的中心距是变化的,七个行星轮之间所夹的中心角也是变化的。所以,这种轮系也称为中心距变化的行星轮系。该轮系除了可以作为齿轮传递机构外,还可以设计成液压泵。

1. 太阳轮;2. 行星轮;3. 内齿轮

图1 非圆行星轮系2 内曲线行星齿轮泵

2.1 结构原理

在非圆行星齿轮轮系中,利用内齿轮、外齿轮及相邻两个行星轮之间所包含的容腔的体积变化,可以完成吸排液工作,从而实现液压泵的功能(见图2)。为一内曲线行星齿轮泵,其主要由非圆中心轮1、行星轮13、内曲线齿圈6、左配流盘5、右配流盘7及前后端盖等组成。内曲线行星齿轮泵为五片式结构,即由前端盖4、左配流盘5、内曲线齿圈6、右配流盘7及后端盖11组成,通过螺栓联接在一起,其中内曲线齿圈6中安装有行星轮13和中心轮1。左配流盘安装在前端盖与内曲线齿圈之间,右配流盘安装在内曲线齿圈与后端盖之间。在前端盖和后端盖中装有轴承,用于支撑中心轮,在前端盖中还安装有唇形密封圈,以阻止油液外泄。在左右配流盘与内曲线齿圈及中心轮的接触面分别装有O形密封圈,以防止油液泄漏。

1. 中心轮;2. 平键;3. 密封圈;4. 前盖;5. 左配流盘;

6. 内曲线齿圈;7. 右配流盘;8. 螺栓;9. 螺母;10. 垫圈;11. 后盖;12. 轴承;13. 行星轮;14. O型密封圈

图2 内曲线行星齿轮泵结构原理

中心轮为齿轮轴,齿轮为非圆齿轮,其外齿的节曲线呈正多边形,多边形的各边为直线边,中心轮的两端由轴承支撑,伸出轴承外的一段通过平键与原动机联接,中心轮的轮齿为渐开线齿廓。

内曲线齿圈外形为圆柱形,内部为非圆内齿圈,其内齿的节曲线也呈正多边形,多边形的各边均由多段曲线光滑连接而成,内曲线齿圈内齿的节曲线边数比中心轮外齿的节曲线边数多1或2,内曲线齿圈的轮齿为渐开线齿廓。

行星轮为圆柱齿轮,其齿形为渐开线齿廓,行星轮的个数为中心轮外齿节曲线边数与内曲线齿圈内齿节曲线边数之和。

配流盘分为左右两个配流盘,均为圆盘形。左配流盘上设置有多个进油孔,进油孔的个数与内曲线齿圈的内齿节曲线边数相同,进油孔布置在与内曲线齿圈节曲线各边中心相对应的位置上。右配流盘上设置有多个出油孔,出油孔的个数与内曲线齿圈的内齿节曲线边数相同,出油孔布置在与内曲线齿圈节曲线各个顶点相对应的位置上。

前端盖为圆盘形状,其上设置有一个轴承孔和一个进油口,并通过环形槽把进油口分别与左配流盘上的进油孔相连通。

后端盖也为圆盘形状,其上设置有一个轴承孔和一个出油口,并通过环形槽把出油口分别与右配流盘上的出油孔相连通。

2.2 工作原理及特点

内曲线行星齿轮泵由于采用多个行星轮将由中心轮、内曲线齿圈及左右配流盘所密封的空间分隔成多个小的工作腔,当中心轮转动时,这些小工作腔的容积呈周期性变化,从而完成吸、排油工作。为了便于说明,如图1b所示,将10个行星轮13进行a、b、c、d、e、f、g、h、i、j编号,当中心轮1顺时针方向转动时,由中心轮1、内曲线齿圈6、行星轮a和行星轮b、左配流盘5及右配流盘7组成的密封工作腔的容积逐渐增大,油箱中的油液在大气压力作用下经前端盖4上的进油口及左配流盘5上的一个进油孔进入该工作腔,而由中心轮1、内曲线齿圈6、行星轮b和行星轮c、左配流盘5及右配流 盘7组成的密封工作腔的容积逐渐减小,油液被挤压,经右配流盘7上的一个出油孔及后端盖11上的出油口排出泵外,进入液压系统,依次类推。当中心轮转动一周时,完成一个工作循环。这种工作容积的变化,不是因为齿轮轮齿进入啮合或脱离啮合引起的,而是因为中心轮、内曲线齿圈和行星轮的相对运动引起的,因此,具有流量脉动小的特点。由于有多个齿轮同时啮合,避免了单对齿轮啮合时产生的冲击、振动和噪声,又由于结构的对称性,进一步平衡了泵的径向液压力,为泵的高压化创造了条件,同时,该泵有多个工作腔同时排液,所以排量大。

3 结论

(1) 由于中心轮与行星轮、行星轮与内曲线齿圈均为多齿同时啮合,故与普通齿轮泵相比,内曲线行星齿轮泵传动平稳、冲击小、噪声低。

(2) 内曲线行星齿轮泵中工作容积的改变不是因为齿轮啮合而引起的,而是由于太阳轮、行星轮、内曲线齿圈的相对运动引起的,因此,其流量的变化不因轮齿的啮合与退出而产生脉动,其流量品质好。

(3) 由于结构的对称性,太阳轮及内曲线齿圈的受力是平衡的,为泵的高压化创造了条件。

(4) 初步研究表明,内曲线行星齿轮泵具有排量大、流量均匀性好、噪声低、运转平稳等特点。

参考文献:

[1] 栾振辉.复合齿轮泵基本理论[M].徐州:中国矿业大学出版社,2001:5- 7,12.

[2] 吴序堂,王贵海.非圆齿轮传动及其应用[J].机械设计,1995(7):39-42.

(责任编辑:李 丽)

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