（机械电子工程专业论文）液压负载敏感变矩器研究.pdf

r e s e a r c ho n h y d r a u l i cl o a d s e n s i n gc o n t r o lc o n v e r t e r c h e nj u n y u a n b e ( j i a x i n gu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n gg u o l a i m a y , 2 0 1 1 i l ll li ll ll lli i i ii iu i y 18 8 5 6 4 0 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：筒俊远 日期j 少1 1 年b 月i ) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：2 一o t l 年 日期：, 2 ，o l7 年 b 月io 日 易月p 日 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t - i i 插图索引i i i 附表索引 第一章绪论1 1 1 齿轮泵研究概况及发展趋势1 1 2 液压马达研究概况及发展趋势一3 1 3 本文研究的意义、难点6 1 3 1 研究的意义6 1 3 2 主要技术难点6 1 4 本文研究内容7 1 4 1 液压负载敏感变矩器简介一7 1 4 2 论文研究的主要内容9 1 5 文章结构lo 第二章多齿轮泵的分析设计一”1 1 2 1 多齿轮泵的工作原理- 1 1 2 2 多齿轮泵几何排量1l 2 3 多齿轮泵的流量”1 2 2 3 1 一对异齿数齿轮泵的瞬时流量1 3 2 3 2 多齿轮泵的瞬时流量1 4 2 4 多齿轮泵的困油分析1 7 2 4 1 一对异齿数齿轮困油体积的计算”1 7 2 4 2 多齿轮泵的困油规律”l9 2 5 多齿轮泵困油的解决办法2 0 2 5 1 普通齿轮泵卸荷槽的开设“2 1 2 5 2 多齿轮泵卸荷槽的设计一2 3 2 6 齿轮泵间隙补偿2 5 2 7 本章小节2 6 第三章径向柱塞马达配流盘的设计”2 7 3 1 端面配流的分析2 7 3 1 1 端面配流的工作原理2 7 3 1 2 径向柱塞马达配流盘的受力分析2 8 3 2 配流副三角槽的分析3 1 第四章液压负载敏感变矩器的动力特性3 4 4 1 液压负载敏感变矩器行星齿轮传动3 4 4 1 1 行星齿轮传动结构3 4 液压负载敏感变矩器研究 4 1 2 齿轮变位系数的选择”3 6 4 2 液压负载敏感变矩器径向柱塞马达传动3 6 4 2 1 径向柱塞马达排量3 6 4 2 2 径向柱塞马达的扭矩一3 7 4 2 3 径向柱塞马达的恒压控制”3 9 4 2 4 径向柱塞马达转轴主要受力分析一3 9 4 3 本章小结- 4 1 第五章液压负载敏感变矩器行星齿轮传动部分仿真4 2 5 1 行星齿轮建模4 2 5 2 行星齿轮仿真4 3 5 2 1 仿真设置4 3 5 2 2 仿真过程4 5 5 3 仿真结果分析4 6 5 4 本章小节4 6 第六章液压负载敏感变矩器的样机设计4 7 6 1 样机参数选择和计算4 7 6 1 1 多齿轮泵齿轮参数选择“4 7 6 1 2 行星齿轮传动中内齿轮的参数选择”4 7 6 1 3 配流盘背部补偿面的尺寸设计”5 0 6 1 4 动力参数的计算5 2 6 2 样机结构5 3 6 2 1 多齿轮泵的结构一5 3 6 2 2 多齿轮泵其他参数的设计计算”5 4 6 2 3 多齿轮泵主要零件材料及精度要求5 5 6 2 4 径向柱塞马达结构”5 6 6 2 5 径向柱塞马达主要零件材料及精度要求一5 7 6 3 样机整体结构5 8 结论6 0 参考文献6 1 致谢6 4 附录攻读学位期间所发表的学术论文6 5 硕士学位论文 摘要 目前，节能问题已受到越来越多的关注。在工程机械中，负载与动力源的不匹配使 得发动机不能在高效率区域运转，造成能源的损耗。液力变矩器在现代机械传动中被广 泛采用，但是对于现代大型工程机械，其能耗非常大，高效率范围小，变矩范围有限， 需要配合机械传动装置工作。 针对如何提高传动机构的传动效率，减少传动机构的体积，本文设计了液压负载敏 感变矩器，在外部负载较低时利用纯机械传动，当外部负载达到设定值时利用液压马达 传动。机械传动与液压传动的动力输出轴为同一轴( 输入轴是独立的) ，机械传动部分 利用行星齿轮传动，马达传动部分利用改形设计的径向柱塞马达传动，它们之间可以根 据外部负载自动切换。 液压负载敏感变矩器的主要组成是多齿轮泵和端面配流径向柱塞马达。为了使液压 负载敏感变矩器结构紧凑，符合设计功能要求，本文对多齿轮泵的结构，齿数选择，流 量和困油进行了深入分析，得到当主动轮齿数为z 1 = 3 k + l 时，多齿轮泵有较好的流量 性能；研究了多齿轮泵同一时刻多个困油位置的困油变化情况，设计了双重卸荷槽的形 式解决多齿轮泵的困油现象。另外，设计了一种采用端面配流的径向柱塞马达，对这种 径向柱塞马达的端面配流机构作了研究，设计了一种能够自动对其轴向间隙进行补偿的 配流盘，并且对三角槽的开设作了分析，优化三角槽的结构尺寸；对这种径向柱塞马达 的传动能力作了分析，得到它的扭矩计算公式；此外，对行星齿轮传动部分进行设计， 运用软件s o l i d w o r k sc o s m o s m o t i o n 对行星齿轮传动作了运动仿真，结果表明设计的 差动行星齿轮传动满足设计要求；最后以现有产品为参考，设计了液压负载敏感变矩器 的样机图纸。 关键词：液压负载敏感变矩器，多齿轮泵，困油，端面配流，行星齿轮传动 液压负载敏感变矩器研究 a b s t r a c t n o w a d a y s ，e n e r g ys a v i n g i sm o r ec o n c e r n e dt h a nb e f o r e i ns o m e e n g i n e e r i n g m a c h i n e r y ，t h e r ei sn o tm a t c hb e t w e e nl o a da n dp o w e r - s o u r c e ，s oe n g i n ec a n tw o r ki nt h e l l i 曲e f f i c i e n c yf i e l d ，w h a tm a k e sp o w e rw a s t e d t o r q u ec o n v e r t e ri sw i d e l yu s e di nm o d e m m a c h i n e ，b u ta st om o d e me n g i n e e r i n gm a c h i n e ，i th a v eh u g ee n e r g yc o n s u m p t i o n , t h e h i 曲。e f f i c i e n ts c o p ei ss m a l l ，e n e r g yc o n v e r ts c o p ei sl i m i t e d ，b e s i d e s ，p o w e rd r i v e ne q u i p m e n t i sn e e d e dt ow o r k t o g e t h e r a i m i n ga th o wt oi m p r o v em a c h i n e se f f i c e n t ，r e d u c et h ev o l u m eo ft h em a c h i n e an e w t y p eo fm a c h i n e h y d r a u l i cl o a d - s e n s i n gc o n t r o lc o n v e r t e ri sd e s i g n e dh e r e ，w h e nt h ew o r k l o a d i sl o w , i tt r a n s m i tj u s tb ym e c h a n i s m ，o t h e r w i s e ，i tt r a n s m i tb yr a d i a lp i s t o nm o t o r m e c h a n i s m t r a n s m i t i o na n dr a d i a lp i s t o nm o t o rt r a n s m i t i o nh a v et h es a m eo u t p u t s h a f t ( i n p t i ts h a f ti s s e p a r a t e d ) ，m e c h a n i s mt r a n s m i tp a r tu s e dp l a n e t a r yt r a n s f e r , m o t o rt r a n s m i tp a r tu s e dan e w t y p eo fr a d i a lp i s t o nm o t o r ，t h e yc a l ls w i t c ha u t o m a t i c a l l yf o l l o wt h ec h a n g eo fw o r k l o a d h y d r a u l i cl o a d s e n s i n gc o n t r o lc o n v e r t e rm a i n l yc o n s t i t u d eb ym u l t i g e a rp u m pa n d r a d i a lp i s t o nm o t o r i no r d e rt og e tat i g h ts t r u c t u r e ，l i g h t w e i g h t ，s m a l lv o l u m ea n dm e e t r e q u i r e m e n tf u n c t i o ne q u i p m e n t ，t h i sa r t i c l em a k ead e e pa n a l y s i so fo i l t r a p ，i n s t a n t a n e o u s f l o wa n dp u l s a t i o nf l o wr a t aa b o u tt h em u l t i g e a rp u m p i ti sp o i n t e do u tt h a tt h i ss o r to f g e a r p u m pc a l lp r o v i d eh i g h e rf l o wp u l s a t i o n 丘e q u e n c yw h e nt a k i n gt e e t hn u m b e r z ：3k 1 ；t h e r e a s u r c hf i n dt h a tm u l t i - g e a rp u m ph a v em o r et h a no n et r a p o i lv o l u m ei nt h es a m et i m e ，i n t h i ss a t u a t i o n , w ed e s i g n e dad o u b l eu n l o a d e dg r o o v et o s o l v et h i sp r o b l e m b e s i d e ，w e d e s i g n e dar a d i a lp i s t o np u m pw h i c hi n t r o d u c e dv a l v ep l a t ea n ds o l v e dt h ei m b a l a n c er a d i a l f o r c ep r o b l e m ，a n dm a k ei ta u t o m a t i c l yt oc o m p e n s a t ea x i s d i r e c t i o nc l e a r a n c e i na d d i t i o n , a s f o rt h ep r o b l e mo f p r e s s u r ep u l s a t i o n ，ak i n do ft r i a n g u l a rg r o o v es t r u c t u r ei su s e do nt h e v a l v ep l a t ea n di se m u l a t e db ym a t l a bs o f tt oi m p r o v ei t t h ea r t i c l ea l s ot a k ea n a l y s i so n o u t p u ts h a f tt o r q u ea n dg e ti t se x p r e s s i o n m o r e o v e r ，p l a n e t a r yt r a n s f e rw e r ea n a l y z e da n d e m u l a t e db ys o l i d w o r k ss o f t ，t h er e s u l t ss h o w st h ea n a l y s i si sr i g h t a tl a s tp r o t o t y p ed r a w i n g s w a sm a d e k e y w o r d s ：h y d r a u l i cl o a d s e n s i n gc o n t r o lc o n v e r t e r ，m u l t i g e a rp u m p ，o i l t r a p ， v a l v e p l a t ef l o wd i s t r i b u t i o n ，p l a n e t a r yt r a n s f e r 插图索引 图1 1 曲轴连杆液压马达5 图1 2 液压负载敏感变矩器结构图。8 图1 - 3 液压负载敏感变矩器的多齿轮泵8 图1 4 液压负载敏感变矩器的径向柱塞马达9 图2 1 多齿轮泵工作原理图1 1 图2 2 啮合点与齿轮中心的关系1 4 图2 3 齿轮泵上各点的位置关系17 图2 4 啮合点与齿轮中心的几何关系18 图2 5 三个位置的啮合关系1 9 图2 6 三个位置的困油体积变化曲线。2 0 图2 7 双圆形卸荷槽结构2 1 图2 8 双重卸荷槽结构2 3 图2 9 双重卸荷槽尺寸。2 3 图2 1 0 主动轮齿数为z l = 3 k + l 时啮合点角位移的关系2 4 图2 1 1 多齿轮泵卸荷槽结构。二。2 4 图2 1 2 轴向间隙补偿原理2 5 图2 1 3 多齿轮泵轴向间隙补偿结构2 6 图3 1 径向柱塞马达结构一2 8 图3 2 配流盘正反面结构示意图2 9 图3 3 缸体与配流盘间的油压力示意图2 9 图3 4 三角槽过流状态图3 3 图4 1 行星齿轮传动机构3 4 图4 2 行星齿轮传动机构的简化3 5 图4 3 马达柱塞作用力的分解3 7 图4 4 恒压控制阀3 9 图5 1 行星齿轮部分零件图4 3 图5 2 行星齿轮装配图4 3 图5 3 主动轴旋转副的添加4 4 图5 5 设置好约束的效果图一4 4 图5 6 主动齿的角速度跳动4 5 图5 7 固定多齿轮泵与自由转动时内齿轮角速度对比。4 5 图5 8 空载与带负载泵体角速度对比4 6 图6 1 内齿轮轴的结构4 9 图6 2 配流盘尺寸及压力范围角标记。5 0 图6 3 卸荷槽结构尺寸。5 4 图6 4 从动齿轮精度要求5 5 图6 5 泵体精度要求一5 6 图6 6 前泵盖精度要求5 6 图6 7 转子精度要求5 7 图6 8 配流盘精度要求一5 7 图6 9 液压负载敏感变矩器装配图5 9 i i i 液压负载敏感变矩器研究 附表索引 表6 1 外齿轮具体参数一4 7 表6 2 内齿轮具体参数5 0 i v 硕士学位论文 第一章绪论 能源是当今科学技术发展的基础，能源的消耗率是经济效益的重要指标之一。由于 经济的迅速发展，能源的消耗相应地迅速增加。要解决能源危机，主要靠两个方面：一 是开发新能源；二是节约能源。据统计，世界各国工业技术领域所使用的总能量几乎有 1 2 - 1 3 损失在能源的转换过程中。所以，当今各个科学领域都在思考和探索如何节能 的问题。 液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。液压传动与控 制，由于其操作、调速简便，易于过载保护，反应迅速动作准确，单位功率重量轻以及 结构系统布置上的优点，得到了广泛的应用，但是由于液体流动的阻力损失和泄漏较大， 因此液压传动的效率较低，一般为7 5 - - - 8 0 左右，如何提高液压系统的效率，充分发挥 液压传动系统的优点，是人们所关注的【l 训。 在液压传动技术中，液压动力元件( 液压泵) 与执行元件( 如液压马达) 是整个系统的 核心。目前，液压元件的集成化是液压技术发展的趋势，它具有结构紧凑，安装方便， 配置灵活，外观整齐，维护保养容易、标准化、通用化和集成化程度高，能消除油管、 管接头等引起的泄漏、振动和噪声小等优点【4 】。 机械传动是通过齿轮、齿条、蜗杆、蜗轮等机械零件进行传动，它是发展最早而且 应用最普遍的一种传动形式【5 】。它具有传动准确可靠，操作简单，机构直观易掌握，负 荷变化对传动比影响小，受环境影响小，传动效率高等优点，但是当传递功率很大时， 结构就显得复杂而笨重。 如何充分利用机械传动与液压传动的优点，避开各自的缺点，是设计人员追求的目 标。本文探讨的液压负载敏感变距器正是朝这个方向做的一些尝试。液压负载敏感变矩 器由一个多齿轮泵和一个变量径向柱塞马达构成，多齿轮泵的三个从动齿轮轴伸出与内 齿轮啮合，内齿轮与输出轴制成一体，既是机械传动输出轴又是径向柱塞马达传动的输 出轴。理论分析表明：该传动装置具有传动效率高、传动平稳、噪声低、单位功率体积小 等优点，可在传递大功率的场合取代普通机械传动和液力传动。下面对液压负载敏感变 矩器的主要组成部分一多齿轮泵和马达作介绍。 1 1 齿轮泵研究概况及发展趋势 齿轮泵是液压传动系统中常用的液压元件，在结构上可分为外啮合式和内啮合式两 类。 外啮合齿轮泵的优点是结构简单、尺寸小、重量轻、制造维护方便、价格低廉、工 作可靠、自吸能力强( 容许的吸油真空度大) 、对油液的污染不敏感等。它的缺点是齿轮 承受不平衡的径向力，轴承磨损严重，工作压力的提高受到限制。此外，它的流量脉动 大，导致系统压力脉动大、噪声高。 内啮合齿轮泵的优点是结构紧凑、尺寸小、重量轻；由于齿轮同向旋转，相对滑动 速度小、磨损小、使用寿命长、流量脉动远比外啮合齿轮泵小，因而压力脉动和噪声都 液压负载敏感变矩器研究 较小，内啮合齿轮泵容许使用较高的转速，可获得较高的容积效率。内啮合齿轮泵的缺 点同样是存在径向力不平衡的问题，限制了其工作压力的进一步提高；另外，齿轮泵的 排量不可调节，在一定程度上限制了其使用范围。 目前，国内外关于齿轮泵的研究，主要集中在以下几个方面： 1 ) 齿轮参数及泵体结构的优化设计【嗍】； 2 ) 齿轮泵间隙优化及补偿技术【州l 】； 3 ) 困油冲击及卸荷措施( 包括困油冲击与齿轮啮合重叠系数关系及卸荷是否完全) 【1 2 】； 4 ) 降低齿轮泵流量脉动的方法( 包括合理选择齿轮的参数以及采用剖分式齿轮) 【1 3 】【1 4 】； 5 ) 齿轮泵的噪声控制技术【1 5 】； 6 ) 轮齿表面涂覆技术及其特剧1 6 j ； 7 ) 齿轮泵变量方法的研究【r 飞 8 ) 齿轮泵的寿命及其影响因烈1 8 j ； 9 ) 齿轮泵液压力分析及其高压化的途径【1 卅； 10 ) 水介质齿轮泵基础理论研列2 0 】 2 1 】； 提高齿轮泵的工作压力是齿轮泵的一个发展方向，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，容积效率下降。产生这两个问题的根本原 因在于齿轮上作用了不平衡的径向力，并且工作压力越高，径向力越大。 目前国内外学者针对以上两个问题所进行的研究是：1 ) 对齿轮泵的径向间隙进行 了补偿；2 ) 减小齿轮泵的径向液压力，如优化齿轮参数，缩小排油口尺寸等；3 ) 提高 轴承承载能力，如采用复合材料滑动轴承代替滚针轴承等。这些措施对减小齿轮泵的径 向力、提高齿轮泵的容积效率起到了积极的作用，但都没有从根本上解决问题。齿轮泵 的径向力不平衡问题是齿轮泵所固有的。 为了适应液压传动系统向快响应、小体积、低噪声、高效率方向的发展趋势，齿轮 泵除了积极采取措施保持其在中、低压定量系统、润滑系统等方面的主导地位外，尚需 向以下几个方向发展： 1 ) 高压化 齿轮泵虽然高压化己取得了一些发展，但是因受本身结构的限制，要想进一步提高 工作压力是很难的，必须研制出新结构的齿轮泵。 2 ) 低流量脉动 采用内啮合齿轮泵、复合齿轮泵、多齿轮泵将是一种趋势。 3 ) 低噪声 随着人们对环保意识的提高，对齿轮泵的低噪音提出了很高的要求，多齿轮泵在这方 面也比普通齿轮泵有明显的优势。 4 ) 大排量 对于一些要求快速运动的系统来说，动力元件必需有大排量。 5 ) 排量可变 这是扩大其应用领域的有效途径。 2 硕士学位论文 1 2 液压马达研究概况及发展趋势 液压马达通常可分为高速和低速两大类。高速类液压马达中，生产最早、结构最为 简单的是外啮合式齿轮马达，在我国的制造时间始于5 0 年代初期，当时的低压齿轮泵， 不少为对称的卸荷槽结构，因此，就可逆地成为最早使用的液压马达。尽管齿轮马达结 构简单，价格低廉，抗污染能力强，能在困难的运转条件下可靠工作，但终因其泄漏量 大，输出扭矩小但变化幅度大，低速性能差，使用寿命短，一般又要配置减速机构，故 实际应用不多幽j 。 叶片式液压马达具有结构简单，尺寸紧凑，运转平稳，扭矩脉动小，噪声低，转动 惯量小，利于启动和制动等优点，所以在各种工业设备及行走车辆中得到一定的应用。 它的不足之处在于叶片顶端对定子内表面的摩擦磨损大，泄漏也往往较大，高速叶片马 达启动效率和低速时效率偏低，低速稳定性不好，加工精度要求较高，对油液清洁度比 较敏感等，因此应用受到限制。 轴向柱塞式液压马达是高速液压马达中应用最为广泛的一类。它主要有斜盘式和斜 轴式两种基本形式，与泵一样，斜盘式液压马达中也有非通轴式和通轴式两大类结构。 通轴式液压马达的传动轴穿过斜盘，支承在马达两端的轴承上。缸体依靠传动轴定 位，省却了缸体外的大轴承，有利于提高转速，以满足大流量的需求。有些在传动轴另 一端还设置辅助泵，能适应集成化的要求。通轴式马达的传动主轴除传递扭矩外，还要 支承缸体并保证配流盘工作状况良好，因此，传动轴往往较粗1 2 3 1 。 斜轴式轴向柱塞马达在我国的代表产品是引进的德国力十乐公司的a 2 f 和a 6 v 系 列等。其内部结构比斜盘泵要复杂一些，效率比斜盘式稍高，适合于在大负荷下工作。 轴向柱塞马达由于工作压力高( 可达2 2 m p a 以上) ，因而有较大的输出扭矩和功率，大多 数轴向柱塞马达采用静压平衡式的配流盘，不易磨损，即使表面有所磨耗也能自动补偿， 因而寿命较长，使用可靠性大，效率也比较高。轴向柱塞马达由于旋转缸体中的柱塞回 转半径较小，转动惯量较小，易于启动。轴向柱塞马达还有一个优点在于作为变量型马 达，无论是斜盘式还是斜轴式，其变量机构与同系列液压泵的变量机构相同，供应方便。 使用变最型液压马达有下述特点：在一定的输入压力下，马达的输出扭矩与其排量成正 比，在一定的输入流量情况下，马达的转速与排量成反比。这表明，减少变量马达的排 量将使输出扭矩下降，而使转速升高，这意味着变量马达可在低速时驱动重负载，而在 轻负载时能保持较高的转速，可以起到近似恒功率输入、输出的节约能源，减少动力消 耗的效果。 由于轴向柱塞式液压马达具有上述诸多优点，因此，使用较为普及。其不足之处是 这类马达在低速时输出功率还较小，用来直接带载驱动低速运行的机器如起重运输机 械，车辆行走机构等。当启动和低速运行时，其扭矩、功率往往满足不了运行要求。因 而，常配备各类减速装置，带来机器体积庞大的缺点。 低速大扭矩液压马达近期有了较大的发展、新结构不断出现并且，所有这些液压马 达，根据每转中柱塞副的作用次数，可以分为单作用和多作用两大类。单作用式液压马 3 液乐负载敏感变矩器研究 达，转子旋转一周，每个柱塞往复工作一次，所有径向柱塞式单作用液压马达的主轴是 偏心轴。多作用液压马达设有导轨曲线，曲线的数目就是作用次数。单作用马达结构比 较简单，零件数目少，工艺性比较好，造价较低。但是，在每转排量( 或输出扭矩) 相 同的情况下，与多作用马达相比，结构尺寸大，存在输出扭矩与转速的脉动。在工作中， 单作用马达高压柱寒腔在同侧，出现比较大的径向不平衡力，使马达的低速稳定性变差。 为了满足马达轴承工作寿命的要求，往往必须增大轴承的容量。一股情况下，由于单作 用马达的工作特点，允许比同排量的多作用马达有较高的转速。多作用液压马达的结构， 一般都比单作用马达复杂，零件数也略有增加。个别零件( 如导轨) 的加工需要专门设 备，导轨热处理比较困难，设计中结构参数的选择也比单作用马达困难、复杂制造成本 较高。但是，在相同的工作压力下，多作用马达能输出更大的扭矩，单位功率的重量较 轻，而且只要柱塞数和作用数选取合适，可以使液压马达的径向力完全平衡，具有较高 的启动扭矩效率。设计中，合理选取导轨曲线，并按无脉动原则分配幅角，理论上能做 到输出扭矩的脉动率为零，因而能够获得更好的低速稳定性瞰j 。 单作用马达中，最早出现的是曲轴连杆式马达，它按曲柄连杆机构的作用原理工作， 国外称为斯达发( s t a 盛a ) 马达。由于它结构简单、性能可靠、转速适中、价格便宜，成为 世界上产量最多、主机应用最广泛的一种低速大扭矩液压马达。它的早期是m k 型，7 0 年代起，发展了b 型，配流轴和连杆偏心轮副采用静压平衡结构，c 型带有变量装置。 随结构的变化，工作压力从1 7 5 m p a 提高到2 1 m p a ，并且改善了启动特性和低速稳定性， 为进一步扩大主机应用，又研制了带减速机构的g b 型。目前比较常用的曲轴连杆马达 如图1 1 所示。 6 0 年代以来，我国江苏姜堰( 原泰县) 产c l j m 系列，宁波、昆山、太原造j m d 系列马达均属此类结构。无连杆的静力平衡式液压马达，又称为罗斯通( r u s t o n ) 马达， 主要工作部件处于静力平衡状态，改善了低速稳定性，具有优良的起动性和较高的机械 效率。但取消连杆后，柱塞侧向力增加。 套筒伸缩摆缸式( c a l z o n ) 和滚柱式( r o l l e f f ) 液压马达，是近十多年来国外发展的新结 构马达。前者具备了曲轴连杆和静力平衡式液压马达的主要优点，以摆动的伸缩缸体代 替了连杆摆动，在单作用马达中获得了较好的性能。后者，通过柱塞顶端凹面的滚柱传 力给缸体，使缸体旋转。这种马达结构简单，在任何负载下，缸体都能在静压作用下“浮 动 于配流器上，性能良好。但内部力学原理比较复杂，应用还不广泛，这两种马达已 在我国宁波和广东制造【2 2 】。 双斜盘式轴向柱塞式液压马达是由单斜盘的高速轴向柱塞马达发展得来，结构上改 成了两个斜盘和对称布置的两排柱塞，近一倍地提高了输出功率重量比。 多作用径向柱塞式内曲线液压马达分为柱塞传力、横梁传力、滚轮传力等结构型式， 其中以横梁传力和滚轮传力马达应用较多。国产主要有n j m 系列等，最高工作压力 3 2 m p a ，在所有低速大扭矩马达中，该马达具有较高的工作压力。最近又发展了端面配 流的车轮马达，迸一步改善了性能。 4 硕士学位论文 图1 1 曲轴连杆液压马达 1 连杆2 柱塞3 壳体4 阻尼器5 油室 6 十字接头7 曲轴8 转阀9 腰形油槽1 0 平衡油槽 近年来，由于球塞副静、动压支承理论在试验研究上取得进展，多作用径向球塞式 液压马达发展迅速，它用一只钢球代替了两只以上滚轮或横梁，结构简单，工作可靠， 马达体积、重量显著减小。我国宁波q j m 、q k m 系列马达由于质量、性能不断地提高， 所以在轻工、建筑、化工、交通等行业的应用越来越广泛。 国产低速大扭矩液压马达的工作压力，目前尚比国外同类产品低一些。对各种类型 马达的关键运动副，尚缺少充分的机理方面的基础理论和试验研究，因而，设计中的结 构、尺寸、材料的选取，精度的确定，更多的是依赖经验的积累。设计生产中的问题， 常常只能在整台马达试验中发现和解决。但是，目前国内已十分注意吸收国外先进技术， 开始设计、研制自己的新产品，形成了一定数量的专业研究和制造队伍。着手对一些影 响马达性能、寿命的关键运动副进行专项的基础理论和模拟试验研究【2 5 】【2 6 】。例如，开 展内曲线液压马达各种导轨曲线性能和设计方法的研究，提出无脉动的等接触应力曲线 等理论和设计方法，以提高马达性能和寿命；对内曲线液压马达各种变量方法和理论的 研究，提出无脉动的变量设计原理；对各种液压马达建立数学模型，分析影响马达性能 的因素，借以进行计算机辅助设计( c a d ) ；进行曲轴连杆式液压马达连杆滑块与偏心轮 的支承形式和配流轴、配流盘受力的理论分析研究，提出改善功率损耗的支承形式和径 向力平衡的配流轴设计原理；将相似原理应用于液压马达试验研究和结果分析，借以研 究液压马达的系列化设计及其基本特性和换算；进行各种低速大扭矩液压马达特有性能 的研究，寻找合理、节能的试验方法，并提高测试精度进行各种低速大扭矩液压马达特 有性能的研究，提出数学模型和试验研究方法，得出改善性能的途径进行多种马达关键 液压负载敏感变矩器研究 摩擦副支承特性机理的研究，得出提高性能的合理设计方法，以及进行各种马达新型配 流结构的研究等等，这些研究工作正在促进低速大扭矩马达的发展p 卜2 9 。随着人们对环 境质量要求的提高，对于噪声源的控制也越来越重视，尤其是对泵和马达的噪声控制提 出了更高的要求，对于它的研究也越来越深入【3 0 】【3 l 】。 柱塞马达与电子技术相结合，电液变排量技术，基于虚拟样机的柱塞马达仿真技术等 应用也越来越广泛【3 2 】【3 3 1 。8 0 年代后，为适应主机要求和提高低速大扭矩液压马达的性 能，法国朴克兰公司曾发展了多作用端面配流的内曲线液压马达，对横梁传力部位也作 了诸多改进。瑞典则在原有多作用轴配流壳转赫格隆德液压马达的基础上，发展了m a 系列轴转端面配流马拉松型马达，将工作压力提高至3 5 m p a 。在原有轴配流基础上，发 展端面配流低速大扭矩液压马达，是目前国内外的发展趋向之一。 1 3 本文研究的意义、难点 1 3 1 研究的意义 静压传动具有无级变速、响应迅速、控制范围宽、流量调节方便、压力可控性好、 可实现液压制动等优点，近年来己广泛应用于各种移动车辆。通常，静压传动是指应用 泵和马达相连接的系统，泵、马达是静压系统最重要的元件，其中泵的作用是把发动机 的机械能转变为工作液体的液压能，马达的作用是产生旋转运动。车辆静压传动与固定 设备静压传动的泵及马达的工作原理相同，但由于移动车辆的行驶速度、载荷、路况复 杂多变以及工作环境恶劣等，对静压传动的泵与马达的工作压力、转速、体积、重量、 可靠性、耐久性、节能、噪声等方面有更苛刻的要求。随着科学技术的发展，伺服电机、 变频等技术的出现使得电传动技术有了飞速的发展，在低功率范围内，对液压传动技术 形成具有威胁的挑战。要保持液压传动远高于电传动的功率质量比这一优势，使用户在 大功率工况时，优先选择液压传动，其中一个决定性因素就是提高使用压力，即保持液 压传动的大功率质量比。液压传动高压化已经成为液压技术的发展趋势，由此可见，发 展静压传动技术，关键是研究开发高压力、高转速、高效率、长寿命的泵和马达，泵和 马达是技术指标先进的静压传动工程、农业和牵引机械产品的关键基础元件，目前，以 现有液压元件为基础，对其进行优化和集成化是液压技术发展的趋势，它具有结构紧凑， 安装方便，配置灵活，外观整齐，维护保养容易、标准化、通用化和集成化程度高，能 消除油管、管接头等引起的泄漏、振动和噪声小等优点，本文正是朝着这个发展方向而 努力。 1 3 2 主要技术难点 1 径向柱塞马达的双配流盘设计 配流方式决定了变量方式、排量大小以及马达的转速。阀配流难以实现无级变量 而且排量较小，轴配流和端面配流容易实现无级变量，并且排量较大，所以，目前大流 6 硕十学位论文 量马达多采用轴配流方式。阀配流和轴配流马达的转速一般低于1 8 0 0 r p m ，尚未达到高 速高压马达的运行要求。一旦提高轴配流式柱塞马达的转速，配流轴的径向力就增大， 不平衡力加剧，导致抱轴问题的出现。径向柱塞马达的发展由阀配流式向轴配流式发展， 但是，轴配流的径向柱塞马达也存在缺陷，即轴配流式与径向惯性力限制了转速的提升， 如何设计一种端面配流盘，提高径向柱塞马达的性能是本文的难点。 2 多齿轮泵的困油分析与卸荷槽、间隙补偿的设计 为保证齿轮泵的齿轮平稳地转动、吸排油腔严格的密封以及连续且均匀地供油，必 须使齿轮啮合的重叠系数s l ( 一般取1 0 5 1 1 3 ) ，即要求在某段啮合线上同时啮合的 轮齿应多于一对。因此，在前一对轮齿尚未脱开啮合之前，后一对轮齿就已开始进入啮 合。这样，在两对同时啮合的轮齿与两侧板之间就形成了与吸、排油腔均不相通的闭死 容积即困油容积。随着齿轮的转动闭死容积的大小会周期性地变化，形成困油现象。对 于本文涉及的具有三个从动齿轮的泵，为了满足流量脉动较小的条件，三个困油点有不 同的困油时刻，这对卸荷槽及补偿面的设计提出了新的要求。 3 径向柱塞马达与多齿轮泵的匹配 这里主要是径向柱塞马达与行星齿轮传动机构的切换问题，多齿轮泵的流量与径向 柱塞马达的流量相适应的问题，多齿轮泵的相对转速发生变化时始终能够供给径向柱塞 马达充足的油液，使径向柱塞马达的扭矩平稳传递到输出轴。 4 端面配流径向柱塞马达传递扭矩的计算 当采用端面配流的径向柱塞马达工作时，其传递扭矩的平稳性和脉动特性是非常重 要的，如何计算它的扭矩脉动频率，了解马达功率密度等性能。 5 液压负载敏感变矩器的样机图纸 由于液压负载敏感变矩器由多个部件组成，零件繁多，合理设计零件及多齿轮泵与 径向柱塞马达及行星齿轮传动机构的联接最后设计图纸也是本文的难点。 1 4 本文研究内容 1 4 1 液压负载敏感变矩器简介 液压负载敏感变矩器由一个多齿轮泵和一个变量径向柱塞马达构成，多齿轮泵的三 个从动齿轮轴伸出与内齿轮啮合，内齿轮与轴连为一体，既是机械传动输出轴又是径向 柱