非圆行星齿轮液压马达的配流设计研究

    熊镇芹非圆行星齿轮液压马达的配流设计研究熊镇芹1高本河2吴序堂1（1西安交通大学机械工程学院，西安710049；2清华大学深圳研究生院，深圳流设计中的配油孔这一瓶颈问题的配油孔个数、配油孔的位置以及它的分布特性作了详细的分析研究，推导出了配油孔的面积计算公式，荻得了设计非圆行星齿轮液压马达的几个关键因素的处理方法，为液压马达的配流设计提供了强有力的理论依据。

　　将非圆行星齿轮机构与液压马达技术结合起来组成的低速大扭矩液压马达具有以下特点112：结构简单。重量轻、外形尺寸小；容积效率、机械效率、起动扭矩效率高；零件少，易于加工和装配，造价低；抗污染能力强，易于实现与其他设备配套。因而在工业应用中具有很强的竞争力。随着非圆齿轮数控加工技术的日渐成熟|341，这种非圆行星齿轮液压马达肯定会在很多方面得到更为广泛的应用。

　　液压马达结构简图非圆行星传动式液压马达由非圆外齿轮、非圆内齿轮及多个行星轮组成，见所示。

　　非圆行星齿轮液压马达根据工作方式可以分为两种。

　　一种是非圆内齿轮固定，非圆外齿轮在液压油的推动下旋转，记为I型；另一种是非圆外齿轮固定，非圆内齿轮在液压油的推动下旋转，记为O型。

　　在工作过程中，液压油由配油器经配油孔输入工作腔，工作腔内液压油的压力使非圆齿轮产生旋转，当非圆齿轮旋转时，又推动行星轮产生自转及公转。此时，非圆外齿轮、非圆内齿轮及行星轮组成的工作腔容积产生变化，供油时工作腔的容积逐渐增大，排油时则减小。当行星轮公转时，行星轮各自依次封闭或接通配油孔，造成工作腔进排油循环变化，使其输出轴不间断地旋转。

　　要使非圆行星齿轮液压马达获得最佳的性能，配流设计显得尤其重要。非圆行星齿轮液压马达的配流设计是影响液压马达机械效率、容积效率以及低速稳定性的关键环节。配流设计包括配流流道和配流窗口的设计计算。无论是配流流道还是配流窗口，在工作时都会对流过的液体产生阻力损失，它们的尺寸越小，所产生的阻力损失越大。在产生阻力损失的瓶颈环节。因为对于配流流道来说，在结构设计中总会有办法使其开的比较大一些，而配流孔则不同，它是受非圆行星齿轮机构类型所限制的。在非圆行星齿轮机构中，由于行星轮较小，而高低压容积腔的隔离又是靠行星轮的齿根圆来遮盖配流窗口完成的，所以配流孔的尺寸不能随意增加，否则将会出现高低压腔窜通，这是设计所不允许的。本文对非圆行星齿轮液压马达的配流设计中的配油孔这一瓶颈问题的几个关键因素做了比较详细的分析研究，为配流设计奠定了理论基础。

　　1配油孔的存在原理与基本参数分析1.1配油孔的存在原理如（a）所示，当非圆外齿轮处在实线所示位置时，由非圆外齿轮、非圆内齿轮及行星轮1和2包围而成的密闭腔的容积达到最小，当非圆外齿轮转到虚线位置时，密闭腔容积达到最大。在最小容积位置，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，实线位置的行星轮2的齿根圆的后端（和运动轮转向相反的方向）和虚线位置的行星轮1的齿根圆的前端就组成了进油孔。

　　同理，在最大容积位置处行星轮2的齿根圆的后端与下一个最小容积位置处行星轮1的齿根圆的前端所组成的部分就是排油孔，如（b）所示。

　　并非所有的非圆行星齿轮机构都能使进油孔和排油孔存在。如（c）所示，在最小容积位置处，行星轮2的齿根圆与最大容积位置处行星轮1的齿根圆是不能相交的，那么这种机构就不能用做液压马达。

　　1.2配油孔的个数如所示，对于外齿轮周期数为ni，内齿轮周期数为3（3>1）的非圆行星轮系。若内齿轮为运动轮，则在运动轮转动时，密闭腔I在从起始位置转过一周的过程中共达到最大和最小面积各《3次。根据配油孔的存在性分析，在密闭腔面积最大位置处的行星轮2的齿根圆和相邻的最小位置处的行星轮1的齿根圆所组成的部分就是配油孔。

　　因此，对于外齿轮为运动轮的非圆行星轮系，共有23个配油孔。

　　同理，当内齿轮为运动轮时，密闭腔I在从起始位置转过一周的过程中共达到最大和最小面积各《1次，因此，对于内齿轮为运动轮的非圆行星轮系，共有21个配油孔。

　　1.3配油孔的位置为非圆行星轮系的起始位置。分析由非圆外齿轮、非圆内齿轮及行星轮1和2包围而成的密闭腔I.若非圆外齿轮为运动轮，则在运动轮转过角n时，非圆外齿轮的最大向径和非圆内齿轮的最小向径重合，密闭腔I达到最小面积；当运动轮继续转动到转角为i+（n+ n）时，非圆外齿轮的最小向径和非圆内齿轮的最大向径重合，型腔I达到最大面积。实际上，由配油孔的存在性分析可知，配油孔是由密闭腔达到最大和最小面积时行星轮的齿根圆相交的部分组成。密闭腔达到最大面积是非圆外齿轮的最小向径和非圆内齿轮的最大向径重合的地方，而密闭腔达到最小面积是非圆外齿轮的最大向径和非圆内齿轮的最小向径重合的地方，因此，由几何知识可知，当非圆外齿轮的周期数为⑴、非圆内齿轮的周期数为n3时，密闭腔从最大面积位置到相邻的最小面积位置时，运动轮需要转过的角度为（n因此，对于密闭腔I，若运动轮为非圆外齿轮，则当运动轮的转角，13数时，密闭腔I的面积达到最大值。

　　若运动轮为非圆内齿轮，则当运动轮的转角，31：当j为奇数时，密闭腔I的面积达到最大值，当j为偶数时，密闭腔I的面积达到最小值。

　　因此，配油孔的位置就是当i和j取相邻的值时，组成密闭腔I的行星轮1、2的齿根圆的位置就是配油孔的位置。如a、2b和所示。

　　2配油孔的分布特性分析前一位置的行星轮2的齿根圆的后侧和后一位置的行星轮1的齿根圆的前侧，组成了配油孔，如（a）、（b）和即对由行星轮1、2组成的密闭腔来说，行星轮1总是使配油孔接通，而行星轮2则总是使配油孔关闭（只针对相应的密闭腔）。

　　对运动轮为非圆外齿轮的行星轮系，由各行星轮的安装特性可知，行星轮2是在运动轮转过角2：后，行星轮1所处的位置，而配油孔却是在运动轮转过角（n+i）行星轮1所处的位置。因为n1<N、+ n，所以前一有最大（或最小）面积处的行星轮2的公转角比后一有最小（或最大）面积处的行星轮1的公转角大。由配油孔的存在性分析可知，配油孔总是由前一位置行星轮2的齿根圆的后端和后一位置行星轮1的齿根圆的前端组成，因此，对运动轮为非圆外齿轮的行星轮系，其配油孔是由相邻的面积最大、最小处的行星轮齿根圆的交集，如所示。　　对运动轮为非圆内齿轮的行星轮系，同样，由行星轮的安装特性可知，行星轮2是在运动轮转过角2后，行星轮1所处的位置，而配油孔却是在运动轮转过角（n+n）后行星轮1所处的位置，~~~+n，所以，前一有最大（或最小）面积处的行星轮2的公转角要比后一有最小（或最大）面积处的行星轮1的公转角小。由配油孔的存在性分析可知，配油孔总是由前一最大（或最小）面积处的行星轮2的齿根圆的后端与下一最小（或最大）面积处的行星轮1的齿根圆的前端组成。因此，对运动轮为非圆内齿轮的行星轮系集，如所示。

　　配油孔的配油面积分析压油进出液压马达的通道，配油孔的面积大小直接影响到液压马达的配油性能。配油孔的面积越大，工作油的压力损失越小，配油性能也就越好，反之配油性能就差。马达的配油孔的数量及面积的大小与节曲线的周期数有关。当配油孔的个数和位置确定以后，配油孔的面积就确定了。设组成配油孔的两个行星轮的齿根圆坐标为（X1，y）（X2乃），半径为f如所示。

　　当非圆外齿轮为运动轮时，配油孔为图中的阴影部分，是由两弓形面积组成。

　　用1表示两行星轮齿根圆的中心距则弓形面积弓单个配油孔的面积因此非圆外齿轮为运动轮时配油孔的总面积当非圆内齿轮为运动轮时，配油孔是由两齿根圆的并集组成，即是由两齿根圆的面积之和减去图中的阴影部分，此时单个配油孔的面积因此配油孔的总面积为虽然非圆内齿轮和非圆外齿轮为运动轮时，配油孔在数量、大小和位置上均不相同，但由于不论哪个齿轮为运动轮，非圆行星轮系在最大和最小面积处各齿轮的相对位置是相同的，因此，在面积公寸，这样才能实现布料系统合量地将物料充填入料腔中，而Z的大小由其它PP限制。

　　1增加概念约束性根据3个准则形成的概念依存图每个图虽然表示了一定的含义，但都是单独地、毫无联系地，因此，需进行综合。

　　2.3概念依存图的综合表达：将子概念图中主概念与修正其的辅概念替换初始概念依存图中同名的主概念，以实现系统概念的综合。

　　~2中分别表达“图案”、“物料‘、”料腔“和’料斗”的主概念，根据综合为如2所示。由2可以得出，布料系统的总功能用自然语言表述成‘按照一定的速度，将粉状物料需顺畅地、正确地、合量地从料斗中充填入一定内腔尺寸且由模腔与底板组成的料腔中，并形成一定的图案“。由此布料系统功能表达就可知布料系统至少包含有四个子功能：送料功能、限位功能、充填功能和形成图案功能。

　　3结论机械产品的功能来源于产品任务书，而产品概念设计的目的是生成满足功能要求的结构肖解因此功能正确地抽象表达为概念设计后续阶段求解具有重要作用。本文首次提出用概念依存图理论表达产品任务书的要求根据相关准则，构造了概念依存总图，生成了布料系统功能的完整表达。

　　W张直明译工程设计学北京：机械工业出版社，1992（上接第511页）4结论液压马达的配油孔是液压油进出液压马达的通道，配油孔的面积大小直接影响到液压马达的配油性能。配油孔的面积越大，工作油的压力损失越小，配油性能也就越好，反之配油性能就差。马达的配油孔的数量及面积的大小与节曲线的周期数有关。

　　对于外齿轮为运动轮的非圆行星轮系共有23个配油孔；对于内齿轮为运动轮的非圆行星轮系，共有2i个配油孔。

　　配油孔总是由前一最大（或最小）面积处的行星轮2的齿根圆的后端与下一最小（或最大）面积处的行星轮1的齿根圆的前端组成。因此，对运动轮为非圆外齿轮的行星轮系，其配油孔是由相邻的面积最大、最小处的行星轮齿根圆的交集；而对运动轮为非圆内齿轮的行星轮系来说，其配油孔是由相邻的最大、最小面积处齿根圆的并集。

　　因为配油孔是由行星轮的齿根圆形成为了增大配油孔的尺寸，在参数合适的情况下尽可能把行星轮的齿数选大些。

　　如果单纯从配油孔这方面来讲，不考虑其他条件，非圆内齿轮为运动轮时的配油性能远比非圆外齿轮为运动轮时配油性能要好。