（机械设计及理论专业论文）大扭矩复合齿轮马达瞬态扭矩及实验研究.pdf

摘要 摘要 本论文对新型齿轮马达大扭矩复合齿轮马达从工作原理、结构类型、瞬 态扭矩及其脉动、齿轮变位对扭矩特性的影响、瞬态径向力等方面进行分析和研 究，对其基础理论进行了系统的论述。 本论文以定轴轮系三惰轮复合齿轮马达为例进行分析研究。三惰轮复合齿轮 马达融合齿轮马达原理和轮系传动理论，其结构上巧妙的设计，使得齿轮上所受 的瞬态径向合力在理论上是平衡的，克服了普通齿轮马达由于径向力不平衡所带 来的一系列问题。另外一个优点是扭矩脉动小。 通过对复合齿轮马达中各齿轮力学特性的分析，推导了作用于各齿轮以及密 封块上所受的瞬态径向力公式。分析了复合齿轮马达中内部泄漏，并根据推导公 式计算了复合齿轮马达的泄漏量。建立了复合齿轮马达齿轮齿廓曲线的数学方程， 为齿轮的三维实体建模和复合齿轮马达的计算机仿真作好了数学基础。 通过对瞬态扭矩及其脉动分析可知：当z = 3 t + 1 ，z ：= 2 七：时，标准制作的 定轴轮系三惰轮复合齿轮马达的扭矩脉动最小。为验证和完善复合齿轮马达基础 理论、确定其在径向力和扭短脉动方面的先进性，综合考虑结构、工艺、材料等 因素，设计制作了定轴轮系变位三惰轮复合齿轮马达进行实验研究。通过对实验 数据的分析得到与理论分析相一致的结论，即复合齿轮马达的扭矩脉动较普通齿 轮马达好得多，实验结果可以为今后系列产品研发提供参考资料。 图【5 6 】表【5 】参考文献1 4 6 】 关键词：大扭矩：复合齿轮马达：力学特性；径向( 轴向) 泄漏：数学方程；实 验 本研究得到安徽省教育厅自然科学基金重点资助( 项目号：2 0 0 3 k j 0 2 6 z d ) 。 a b s t r a c t t k sd i s s e r t a t i o ns t i l d i e s 廿l eb 鹤i ct h e o r y ，t h o r o u g h l y p 删c u l a d y 觚ds y g t 锄i c a l l y ， 。o fm em w t y p co fh y d r 叫i ca m i a t o rc o m p o n e l l t - t h em g ht o r q u ec o m p 帅n d g e a rm o t o ra t 血c 螂e c t so fo p e m t i o n 两n c i p l e ，i i l s 协咖l e o u st o r q l l ea n di t sp u l 删o n ， g e a rm o d i f i c a t i o i l ，r 枷a lf o r c e ，柚dv o l 砌e t r i ce 任i c i e n c ye t c t h c p a p e r 诅k e s t h cc o m p 0 吼dg e a rr n o t o r 晰t h3i d l e 培勰e x 唧l e f o rs n l d y ，w l 曲h c o m b i n c st h e 两n c i p l eo fc o 删o ng e a rm o t o r 谢t hp l a i l e t a r yt l l 。0 阱i t si 1 1 9 e n i o u s 蛐m c t u r es o l v e s 也ep b l e m sm l et ot h ei 帕r 1 b a l a n c er a d i c a lp 代s s u 坞o ng 髓r s ，锻1 dt h i s i s o n e o f i t s o u t s t a n d i i l g m e r i t s a n o m e r m e r i t o f 也e n e w t y 】p e o f g c 篮m o t o r i s 趣1 0 w c r t o r q u ep m 刚o n b yt h e 觚a i y s i so f t h e m e c h 丑皿i c sc o 施d o 璐o nt l l eg e a 璐i no o m p o l 砌g e a rm o t o r ， t 玲向m m l ao ft h ei 砸招m a 矾o i l sr a d i a lf o r c e sa c 哂n go na l lg e a 墙甜迥a lb l o c k 甜e o b t a m e 1 a f t e rt h es t i l d yo nm el e a k a g ei 桶d eo fc m 辫舢吐do 髓rm o 屯o ba n dm e n c a l c t l l a 鸯e dt h el e a l 【a 窑e t h em a n lf o 锄l 畦ao ft h eg 毛墙l rp 丘l cc l 料eo nc o m p o m l dg e a r m o 由o ri se s t a b l s h e d 。w _ h i c hc 强b eu s e da st h em 址b 髂i sf o rt h en o d i l n 鼯i o n a l m o d e l i i i go f t h eg e 骶a l l dt 1 1 e m p u l e r - s i m l l l 硝o n 。7 l 概g h 锄a l 灿gt l l ei 璐t a n 协n e o u st o i q l l e 蛐di t sp i l l 训o n ，m e 跚也o rd m w sa n c h l s i o n 也a tt h et o 吗u e 叫船主i o no fc o 邵雌l dg e 鞋m d t o ri s1 0 、e s t w h 瞰 z l = 3 毛+ l ，z 2 = 2 忌2 m o r e o v e r i np l d 盯t ot e ：s t i 臼孤dp e f 觑tm e 血f y o f m p 0 砌g e a rm o t o r ，也ea l l t h o rd e s i g 啮锄dm a k c sac 锄p o 岫dg c 盯m o t o rf o r e x p e r i m e t a f t e ra n a l 归n gt h ee 呻e n td a 饥h ed n l w s 咖c l u s i o n sc o 璐i s t i n gw i 血 t h e t i l e o r y t h a t t h e t 0 1 i q l l ep t l l 刚0 n o f c o m p o 衄d g c 盱m o t o r i s m u c hb e n e r m 距m 砒o f c o i i l n l o ng 髓ri n o 她t h e 心s u l t sw i l ls u p p l yl e 硒d 瞰st of o 瓶辩f i e sp r o d u 雠i l i 也e f h 嘁 f i g u 糟【5 6 】下a b i cf 5 】r e f e r e n 【4 6 】 l 畸w o r d s ：h i 曲自d r q u ec o m p o l l i l dg e a rm o t o r ：m c c l l a 】血sc o n d 诫阻s ；n o wo fl e a k a g e i ni a d 湖扣1 da x i a i ；m a i l 内f n l m a ；e x p 鲥m c n t 1 1 1 i sd e s s e n i o ni sf o n d e db yt h en a t i l m ls c i e n c ef - 0 n do fa n h i l ie d u c a t i o n b u r u ( s u 巧e c tn 啪b e r ：2 0 0 3 k j 0 2 6 z d ) i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞邀堡墨太堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：京妩签字日期：彩年彩月，n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞堂墨王太堂有保留、使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞徽理工大 笠_ 可以将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、汇编学位论文。( 保密的学 位论文在解密后适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合学位论文 研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名：家糖市 签字日期：年月 日 导师签名：赵毒杀 签字日期：御5 年占月明 引言 引言 液压马达是液压系统的重要执行元件消耗液压能而做机械功的装置，它 通常分为高速小扭矩马达和低速大扭矩马达。内、外齿轮马达、轴向柱塞马达等 是高速小扭矩马达。低速大扭矩马达通常为径向桂塞马达。目前国内在液压马达 的研究主要集中在低速大扭矩马达上。其一是将已有的低速大扭矩马达与减速装 置融为一体以获得更大的扭矩和更低速度稳定性的特性，其二是对非圆齿轮式的 行星结构的低速大扭矩马达的结构分析研究，它通常用三角凸外齿轮、内曲线式 内齿轮和行星轮构成，设计繁琐，加工困难。复合齿轮马达由普通外齿轮、内齿 轮和密封块构成，中心轮惰轮密封块构成外齿轮马达，惰轮密封块 内齿轮构成内齿轮马达。密封块既是外齿轮马达的壳体又是内齿轮马达的密 封装置。惰轮数可以二个、三个或多个，经分析以三个为宜。 复合齿轮马达是在复合齿轮泵的基础上提出的，由于该泵径向液压力平衡， 结构对称，故进、排油口可交换，因而在理论上可以作为液压马达使用。由于在 复合齿轮泵中已经详细分析了各标准齿轮啮合点的位移和修正齿轮啮合点的位 移，所以本论文在普通齿轮马达的基本理论和复合齿轮泵的啮合点位移分析的基 础上分析复合齿轮马达的扭矩。根据周向液压力产生的扭矩，分析了每一齿轮上 的液压扭矩，并根据功率等价原理将它折算到输出轴上，得出了内、外齿轮马达 上的输出扭矩，并进一步折算到中心轮上，最后得到了复合齿轮马达的输出扭矩， 并且还分析了在修正齿形下的扭矩特性，同时对复合齿轮马达内部的中心轮、惰 轮和内齿轮都进行了受力分析。， 经分析第四种复合齿轮马达的瞬态排量梯度脉动系数为最小，因而扭矩脉动 6t 4 和转速脉动6 。4 也最小，所以选择第四种类型的复合齿轮马达制造了样机，并 利用现有的液压实验台进行实验以验证理论的正确性。通过得到的实验数据来分 析复合齿轮马达工作特性和存在的问题并提出相应的解决方案，为今后的研发提 供参考。 由于几何排量从小到大可方便的作规范性设计，所以复合齿轮马达既可作为 低速大扭矩液压马达又可作为高速小扭矩液压马达，从结构原理将高速小扭矩马 达和低速大扭矩马达统一起来，在技术和理论上是一种重大突破。 l 绪论 l 绪论 1 1 液压马达的发展及应用 液压马达的最初模型可以追溯到公元前1 0 0 中国的水轮( 又称“水车”) ，水 轮是由流水提供动力而进行旋转的动力装嚣；在中国古代，利用水轮驱动灌溉机 械、压榨机械和纺车非常普遍。在1 9 世纪以前液压马达方面技术的发展比较缓慢， 随着1 9 、2 0 世纪特别是2 0 世纪液压传动与控制技术和液压泵的快速发展，对液 压系统中具有特定性能要求的转动输出机构的需要越来越迫切，促进了液压马达 的快速发展。现在，液压马达已成为液压传动系统中两大输出执行元件之一，它 广泛地应用于工业、工程机械、农业、林业、渔业、军事、航天等领域【i 。 通常认为，液压马达只不过是液压泵进行逆向能量转换而已，但这只是一种 粗浅的片面的理解。液压泵和液压马达，从原理上讲两者具有可逆性，即任何一 种容积式液压泵都可以作容积式液压马达使用，反之亦然。但是，液压泵和液压 马达在工作要求上有很多不同之处对某些液压泵或液压马达而言，为了改善各 自的性能( 如效率、额定转速、额定转矩、低速平稳性等) 以适虚不同的应用场 合，相应类型的液压泵和液压马达在各自的具体结构上还是有差别的，它们在结 构上的差别主要有【1 】【2 l ： 1 ) 液压马达需要正反转，在内部结构上必须具有对称性，而液压泵常是单 方向旋转运行，为提高效率，大都是非对称的。例如，齿轮泵常采用不对称式卸 荷槽结构，而齿轮马达则须使用对称式的；叶片泵的叶片槽在转子上常具有一安 放倾角，而叶片马达的叶片槽则必须径向布置，若倾斜布黄的话，反转时即会折 断叶片；轴向柱塞泵的配流盘为减除气穴现象与噪音，常采用不对称结构，而轴 向柱塞马达必须采用对称结构等。 2 ) 液压马达在确定轴承的结构形式及其润滑方式时，应保证在很宽的速度 范围内都能正常地工作，当马达速度很低时，若采用动压轴承，就不易形成润滑 油膜，在这种情况下，应采用滚动轴承或静压轴承。液压泵常运行在：占一高速区， 且转速几乎没有什么变化，因此不存在这一苛刻的要求。 3 ) 液压马达为提高启动扭矩，要求扭矩的脉动小，结构内部摩擦力小。因 此，像齿轮马达的齿数不能如齿轮泵那样少，轴向间隙补偿时的预压紧力也比泵 小的多，以减少摩擦阻力而增大启动扭矩。 4 ) 液压马达没有自吸能力的要求，但泵则必须保证这一基本功能，因此， 安徽理l ：人学硕士学位论文 像点接触轴向柱塞式液压马达则不能作泵用。 5 ) 叶片泵依靠转子旋转将叶片抛出的离心力使叶片贴紧定子内表面起封油 作用，形成工作容积。若当液压马达使用，则因启动时没有力量使叶片贴紧定子， 无法密封工作容腔，马达无法启动，所以，叶片马达必须有燕形摇摆弹簧或螺旋 弹簧等叶片压紧机构，这是叶片泵所没有的。 液压马达通常可分为高速和低速两大类，它们有着各自的优点和应用场合。 通常高速液压马达的输出扭矩不大，仅几十牛米到几百牛米，所以又称为高速 小扭矩液压马达。高速液压马达的主要形式有齿轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱 塞式等，同低速液压马达相比，它的优点有：结构上和液压泵相同或相近，二者 零部件通用程度高，易于组织生产和降低成本；转动惯量小，能高速启动，高频 率的切换；工作力矩小，易于制动；本身的低速稳定性不好，但在配合减速器使 用之后可以得到甚至比低速液压马达更好的低速稳定性；价格便宜、重量j 至，易 于现场更换；由于有着和液压泵基本相同的结构，当负载变成动力使马达进入泵 工况工作时，往往可以安全可靠地工作，而低速液压马达往往不能胜任。基于以 上特点，高速液压马达在农业、渔业、轻工、纺织、冶金、交通、工程机械、建 筑机械、军事、船舶等有着广泛的应用，如y z k l 8 、y z k 2 0 振动压路机中的钢轮 驱动系统为高速液压马达与减速器组合结构【5 】；水下钻孔机液压系统中的高速液压 1 过滤器2 ，定量液压泵3 溢流阀4 液压缸5 二位三通电磁换向阀 6 单向定量液压马达7 、1 0 单向阀8 节流阍9 减压阀1 1 蓄能器 t 2 二位四通电磁换向阀1 3 - 调速阀1 4 小齿轮1 5 大齿轮1 6 花键钻杆 幽l 钻孔机液压系统原理凋 f 嘻】1 1 1 eh y d r a u i cs y 栅0 f p e 雨r a l o r 2 绪论 马达6 通过减速机构驱动花键钻杆1 6 转动进行切削运动( 图1 ) 1 6 】等。 低速液压马达排量大，体积也较大，转速在低到每分钟几转甚至零点几转时 仍能稳定输出几千甚至几万牛米的大扭矩，所以也常称为低速大扭矩液压马达。 低速液压马达的基本形式是径向柱塞式，例如连杆式径向柱塞马达、静力平衡式 径向柱塞马达、内曲线径向柱塞马达等。与高速液压马达相比，低逶液压马达具 有较好的低速稳定性和较高的启动机械效率：输出扭矩大：由于可以和工作机构 直接相连，使得这种传动方式灵活、紧凑，调速性能好。缺点是转动惯量大，制 动时较为困难。低速液压马达，由于具有以上特点，使其广泛地应用于起重、运 1 电磁换向雠2 梭阀3 平衡阀4 ，双向液压马达5 制动油缸 图2s f j 系列液压绞车液压系统原理闰 f 瞎2t h eh y d r a u l j cs y s t e mo f s f js e r i e so f l 每d r a u i i cw i n c h e s 输、冶金、矿山、军事、船舶、水泥和制糖等机械设备的液压系统中。例如，s f j 系列液压绞车液压系统( 图2 ) 中的液压马达4 为低速大扭矩s g m 系列径向柱塞 液压马达，该s f j 系列液压绞车运转平衡、安全可靠，而且效率高、能耗小、噪 音低、体积小、外观美，它广泛用于船舶、石油、化工、港口、铁路、汽车起重 机等各类起重运输设备中。 1 2 齿轮马达的研究现状和发展趋势 早在二千多年前，人类就发明了齿轮传动装置，渐开线圆柱齿轮自l e u j e r 于 1 7 6 5 年提出后，至今已有二百多年的历史。在科学技术飞速发展的今天，齿轮传 动作为机械传动的重要组成部分，由于其传动功率大、效率高、结构紧凑、传动 比精确、传动平稳等优点被广泛应用在化工、汽车、船舶、航空、能源等国民经 济的重要领域中。齿轮马达作为齿轮在工业中应用的一种重要装置，在液压传动 与控制技术中占有很大的比重，其主要特点是缩构简单、体积小、重量轻、自吸 安徽理l ：人学硕士学位论文 性能好、耐污染、使用可靠等优点，因而得到了广泛的应用。齿轮马达的主要缺 点是径向液压力不平衡，扭矩脉动大，噪声高。 国外对特种齿轮马达进行了大量的研究开发工作。欧美等国家先后开发了各 自的系列产品，特种齿轮马达以美国的内啮合齿轮马达和日本大晃株式会社的外 啮合齿轮马达比较著名。 目前国内外有关齿轮马达的研究主要集中在以下几个方面【7 l ： 1 齿轮参数及马达体结构的优化设计： 2 补偿面及齿间油膜的计算机辅助分析； 3 噪声的控制技术； 4 降低扭矩脉动的方法； 5 轮齿表面涂覆技术及其特点； 6 轮齿弯曲应力及接触疲劳强度的计算； 7 齿轮马达变量方法的研究； 8 齿轮马达的寿命及其影响因素； 9 齿轮马达高压化的途径。 提高齿轮马达的工作压力是齿轮马达的一个发展方向，而提高工作压力所带 来的问题是：( 1 ) 轴承寿命大大减少：( 2 ) 马达泄漏加剧，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个问题所进行的研究是：( 1 ) 对齿轮马达的径向 间隙进行了补偿；( 2 ) 减小齿轮马达的径向液压力，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。但 这些方法都没有从根本上解决问题。齿轮马达的径向液压力不平衡问题是齿轮马 达所固有的，而本论文研究的大扭矩复合齿轮马达从理论上可以解决上述问题。 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， 齿轮马达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 地位步 ，尚需向以下几个方向发展： 1 高压化： 2 低扭矩脉动； 3 低噪声； 4 大排量：对于一些要求快速运动的系统来说，大排量是必需的； 5 排量可变。这也是扩大其应用领域的有效途径之一。 4 绪论 1 3 大扭矩液压马达的发展现状与展望 当液压马达输出扭矩在1 0 0 0 n m 以上时，称为大扭矩马达，大排量马达的 扭矩可达1 0 5 n m 以上。一般地，大扭矩马达具有较低的转速，一般在4 0 0 r m i n 以下| 8 j 。 大扭矩液压马达的一个重要的性能指标就是其低速稳定性( 低速平稳性) ，当 转速在l o o r m i n 以下工作时，能够带动额定负载平稳运转时才具有实际意义。运 转平稳性可用转速脉动率来表示，当 坠剁1 0 1 胛 称马达在该速下平稳，反之，则称为不平稳【8 】o 对大扭矩液压马达来说，结构的完善性是其另一个重要指标，可用传递单位 功率所需的重量( 单位重量指标) 和单位体积所能传递的功率( 能容) 来评定。 由于多作用大扭矩液压马达的产生，现在的大扭矩液压马达的单位指标已不低于 小扭矩液压马达。 人 栩 矩 液 压 马 达 单作用式 多作用式 衽向柱塞式 球铰连杆马达 曲轴连杆式 薹盖装鬻薹 阀式弼流琏杆马达 无连杆静力s p 衡马达 滚拄式马达 轴向柱塞式黑冀薹凳向柱塞马达 内曲线柱塞式 f 滚轮柱塞传力马达 柱塞传力 滚柱柱塞传力马达 l 钢球柱塞传力马达 横粱传力 滚轮传力 轴向柱塞马达 叶。片马达 内啮合摆线齿轮马达 1 f 嘲行星齿轮马达 复合街轮马达 闰3 人手 【矩液压马达的分类 f i g 3c l a s s i 母o f t h eh i 曲t o 啊u eh y d r a u l i cm o t o r 安徽理j 人学硕士学位论文 大扭矩液压马达效率特性也是其重要的性能指标，包括容积效率、机械效率 和总效率。相对于高速小扭矩液压马达，大扭矩液压马达具有较高的效率性能， 较好的低速性能和起动特性，且噪声较低。结构较完善的大扭矩液压马达额定工 作压力在1 4 3 5 m p a 之间，总效率在o 7 5 o 9 0 之间，启动机械效率在o 8 0 9 5 之间，最低转速可达o 5 r i n i n 【9 l 。 由于大扭矩液压马达低速稳定性较好，且启动效率高，转动惯量小，加速和 制动时间短，因此使用时不需要减速装置即可直接驱动低速大扭矩负载【9 】。但若机 构需要制动时，需要安装尺寸较大的制动器【1 0 1 。 近年来，大扭矩液压马达有了较大的发展，新结构不断出现，但是，所有这 些液压马达根据每转中工作副的作用次数，可将其分为单作用和多作用两大类嘲， 图3 是其具体分类情况。 对于单作用和多作用两类液压马达，单作用液压马达结构简单，零件数目少， 工艺性较好，造价较低。但是，输出扭矩与转速的脉动较大，同时径向力不平衡。 多作用马达在相同的工作压力下，能输出更大的扭矩，且只要工作副数和作用次 数选取合适，可使径向力平衡，具有较高的启动机械效率；但结构复杂，零件数 目多，制造成本较高f 8 j 。 近年来，国外研制了多种新型的液压马达，原有马达的结构也在不断更新和 发展。单作用中，最早出现的是曲轴连杆式马达，它是按曲轴连杆机构的作用原 瓣工作的，国外又称其为斯达发( s t a 脑) 马达。 无连杆的静力平衡式( r l i s 自d n ) 液压马达，又称为罗斯通马达，主要工作部件 处于静力平衡状态，改善了低速稳定性，但取消连杆后，柱塞侧向力增加，影响 了性能的提高。 套筒伸缩摆缸式( c a l z 0 i l i ) 和滚柱式液压马达，是近二十多年来国外发展的 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壳体，使壳体旋转。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”于壳体，性能良好。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。 在多作用径向柱塞式内曲线马达中，以横梁传力和滚柱传力的马达产量最多 的是法国扑克兰( p 0 c l a i n ) 马达，额定工作压力为3 0 m p a 。近年来，由于球塞副 静、动压支承理论与试验研究上取得进展，多作用径向球塞式液压马达迅速发展， 6 绪论 如闩本的h m a 系列，在工程、建筑等机械上得到广泛应用。 国内的液压马达起步较晚，直到6 0 年代初，才开始对国外低速大扭矩液压马 达的样机进行测绘仿制，初步形成了曲轴连杆马达j d m 系列，额定工作压力为 1 6 m p a 。但由于主要运动副结构陈旧，性能较差，只有少量生产，进展缓慢。7 0 年代初，工程机械、建筑机械、矿山机械等纷纷采用液压技术，使得低速大扭矩 马达有了大幅度发展，但由于对一些关键的运动副缺乏认识，仍是测绘、仿制和 经验类比设计，虽然研制者甚多，但没有一台液压马达通过试验鉴定。然而，仿 制和消化国外产品，为我们提供了有益的设计、制造经验，随着对一些影响马达 性能、寿命的关键运动副进行专项的基础理论和模型试验研究，如进行各种低速 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，得到改善性能 的途径；进行多种马达关键摩擦副支承机理的研究，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，也促进了我国低速夫扭矩马达 的发展。如一些学者提出了一些非柱塞式低速大扭矩液压马达，如j 圆齿轮轮系 液压马达1 1 0 1 、锥差式液压马达l 】、啮合转子液压马达1 2 1 等。取得了一定的成果。 所有这些都促进了低速大扭矩马达朝着多样性方向发展。 在液压马达中，齿轮马达一般都为中速或高速小扭矩马达，其优点是结构简 单、体积小、重量轻、价格低、对油污染不敏感等。缺点是径向力不平衡，流量 和输出扭矩脉动大，且容积效率不高。而复合齿轮马达是一种应用轮系理论，结 合内、外齿轮马达的特点而设计出来的一种新型大扭矩齿轮马达f 1 3 】【1 6 1 。 1 4 论文选题依据、意义和主要研究内容 1 4 1 选题依据、意义 在国家自然科学基金( 项目名称：复合式平衡齿轮泵基础理论研究，项目编 号：的5 7 5 0 1 0 ) 和国家重点实验室访问学者基金( 项目名称：复合式平衡齿轮泵实 验研究，项目编号：教育部【2 0 0 0 】1 2 3 号文) 资助下，对新型复合齿轮泵作了大量 的研究工作，并取得了丰硕的成果。复合齿轮马达是在复合齿轮泵蕺基础上提出 的，该马达是综合了行星传动理论和内、外齿轮马达原理而设计出来的一种大扭 矩新型齿轮马达。复合齿轮马达在结构上的巧妙设计基本上解决了普通齿轮马达 径向液压力不平衡的问题，其流量的脉动也大为减小。因而，在理论上，与普通 齿轮马达相比，复合齿轮马达的综合性能有很大提高。 为验证理论的f 确性和可行性，设计制作了摊量为q 。= 6 6 0 m ，r 的复合齿轮 马达样机。因此对大扭矩复合齿轮马达的基础理论作深入详细的研究并进行实验 安徽理工人学硕士学位论文 验证，会对将新技术转化为新产品作重要的理论指导意义，同时也为更进一步的 研究打好基础，这是本论文的切入点和目的之一。 在实验研究过程中，出于复合齿轮马达结构的新颖性和独特性，加工精度要 求高，装配条件要求苛刻，并且力学特性( 如惰轮受力状况) 、内部泄漏分析复杂， 给设计制造带来了不便与困难。鉴于上述情况，在原有的复合齿轮泵理论基础上， 对复合齿轮马达中各齿轮( 中心轮，惰轮和内卤轮) 提出了采用数值建模的方法， 即建立复合齿轮马达诸齿轮齿形的数学方程，从而为今后齿轮的三维实体建模以 及复合齿轮马达的计算机仿真作好准备，这也是本论文的另一个目的和意义所在。 此项研究获安徽省教育厅自然科学基金重点资助( 项目编号：2 啪埘吆6 z d ) 。 经万方数据资源系统，c n k i 期刊数据库，维普中文科技期刊数据库，中国专利文 献数据库，国家科技图书文献检索系统检索，未发现国内外作过该方面的理论和 实验研究，该结构形式的马达为一种新型液压执行元件，为一种原始创新设想。 1 4 2 论文的主要研究内容 本论文研究的内容是在普通齿轮马达工作原理的基础上，对复合齿轮马达从 工作原理、结构、瞬态扭矩及其脉动、齿轮变位对扭矩特性的影响、瞬态径向力、 内部泄漏、设计等方面进行深入、详细的分析和研究，以对复合齿轮马达基础理 论进行系统的论述并进行了样机实验来验证。另一方面，根据渐开线齿轮的齿廓 线的构成特点( 由齿根圆弧、过渡曲线、渐开线和齿顶圆弧构成) ，建立其单个齿 轮齿廓的数学模型，从而为实现复合齿轮马达的计算机仿真打下理论基础。 具体地说，本论文主要包括以下内容： 1 对普通齿轮马达工作特性的分析与研究； 2 在1 的基础上，重点对复合齿轮马达以下几点作了详细的理论分析： ( 1 ) 复合齿轮马达的工作原理和基本特性； ( 2 ) 标准齿形下，复合齿轮马达的扭矩特性分析； ( 3 ) 齿轮变位时对复合齿轮马达扭矩特性的分析； ( 4 ) 复合齿轮马达瞬态扭矩特性； ( 5 ) 复合齿轮马达的各齿轮及密封块静力的分析； ( 6 ) 复合齿轮马达的内部泄漏方式及理论径向、轴向最优间隙，并进行理论 计算； 3 复合齿轮马达齿轮齿形数学方程的建立； 4 通过对复合齿轮马达样机的设计、实验研究和实验数据处理分析来验证其 工作特性，并对其不足之处提出修改意见。 2 齿轮马达概述 2 齿轮马达概述 齿轮马达的主要优点是结构简单、尺寸小、重量轻、价格便宜，而且对液体 的污染不灵敏，适用于比较恶劣的工作环境；其缺点主要是启动性能差，扭矩脉 动大，容积效率低、低速稳定性差，因此多作为高速小扭矩马达使用。 由于复合齿轮马达是由普通齿轮马达理论结合轮系传动理论而研制出的一种 新型大扭矩( 大排量) 的马达，所以研究普通齿轮马达的理论是研究复合齿轮马 达先决条件，下面介绍液压马达的主要性能指标和普通齿轮马达的基本理论。 2 1 液压马达的主要性能指标 液压马达的工作性能不仅是设计时的重要依据和质薰要求，它还直接与其所 驱动的工作机械的使用要求有关。液压马达的性能指标主要有以下几个方面。 1 、起动性熊 液压马达的起动性能主要用起动扭矩和起动机械效率来描述。 马达由静止状态起动时所能输出的扭矩，称为起动扭矩艇。起动扭矩掰。通 常小于同一工作压差p 值时正常运转工况下的实际输出扭矩尬m 。与同一工作 压差卸值时正常运转工况下的理论输出扭矩肘，之比，称为起动机械；z 率，7 。，即 时 玎，o = 詈 ( 2 一1 ) 一 当然，马达的野。值也小于其叩。，值。 液压马达的起动扭矩和起动机械效率值越大，表明其起动性能越好。 2 、最低稳定转速 液压马达在额定载荷作用下，不出现爬行( 抖动或时转时停) 现象的最低转 速，称为最低稳定转速以。a 液压马达在低速时产生爬行现象的原因是： 1 ) 摩擦阻力的数值不稳定：摩擦阻力的太小与工作压差、液体粘度、马达结 构、排量以及加工装配质量等因素有关。 2 ) 瞬时输出扭矩不均匀，时大时小：大时马达运动，小时马达停转。 3 ) 泄漏流量大小不稳定：泄漏流量数值也与工作压差、液体粘度、马达结构、 排量以及加工装配质量等因素有关。马达低速时的输入流量很小，运泔泄漏流量 所占比重相对增加，它的不稳定性也就会明显地引起马达转速波动。 在转速较高的情况下，马达由于具有较大的动能，可以克服上述诸因素的影 响，而不会发生爬行现象。凶此，只有在低速工况，马达才可能发生爬行现象。 9 安徽理i 人学硕士学位论文 液压马达的最低稳定转速竹。越小，表明其可以工作的范围越大，性能就越好。常 用液压马达的疗。值如下： 内曲线径向柱塞马达：o 1 1 唧 曲轴连杆马达和静压平衡马达：2 3 单m 高速轴向柱塞马达：3 0 5 0r p m 高速叶片马达：5 0 1 0 0r d n l 齿轮马达：一般为2 0 0 3 0 0i p m ，有的可达5 0 1 5 0r p m 3 、最高许用转速 液压马达的最高许用转速h 一主要受以下各因素的限制： 1 ) 使用寿命：因转速越高磨损越严重，使用寿命就越低。 2 ) 机械效率：由于转速升高，通过流量就随之增加，使得马达内部的压力损 失增加，于是机械效率下降。 3 ) 背压的大小：某些液压马达( 如内随线径向柱塞马达) 在工作时，要求其 回油路中必须保持一定的背压。而且马达转速愈高，所需的背压值就越大，这将 显著地减小其有效工作压差。 常用液压马达的最商许用转速值一。如下： 齿轮马达：1 5 0 0 3 0 0 0r 呻 叶片马达：1 5 0 0 2 0 0 0r d m 轴向柱塞马达：1 0 0 0 2 0 0 0r p n l 曲轴连杆马达和静压平衡马达：4 0 0 6 0 0 栅 内曲线径向柱塞马达：2 0 0 3 0 0r 呻 4 、制动性能 当采用液压马达起吊重物或驱动车轮时，为了防止停车时重物下落，或车轮 在斜坡上自行下滑，除了需设置必要的制动回路或制动装置以外，对马达本身的 制动性能也应当有所要求。 马达停车时，其进、回液口被关闭。这时从理论上讲，马达的输出轴应当完 全不转动。但实际上由于各运动副中存在间隙，输出轴在负载力矩( 这时变为主 动力矩) 作用下，将马达网液腔中的液体慢慢挤出，并随之缓慢转动。输出轴的 这种转动称为滑转。通常就用额定扭矩作用下输出轴的滑转值表征马达的制动性 能。也可以用马达转速为零时的泄漏流量值来表示其制动性能。显然，液压马达 的滑转值愈小，其制动性能就愈好。但是马达自身不可能实现绝对制动。 5 、工作平稳性 1 0 2 齿轮马达概述 由于液压马达的瞬时排量往往是不均匀的，从而使得其输出扭矩和转速的瞬 时值也不均匀，即马达工作不平稳。为了评价各种液压马达的工作平稳性好坏， 常采用扭矩不均匀系数和速度不均匀系数瓯来表征。“和皖的定义式可分别 写为 耻华 ( 2 2 ) 矿：坠 鱼( 2 3 ) 式中 肘二、m 。马达的最大、最小瞬时输出扭矩： 肘马达的平均输出扭矩； 。、船k 马达的最大、最小瞬时转速； 聍马达的平均转速。 和吒亦称为扭矩脉动系数和速度脉动系数。 马达工作不平稳，可能引起低速爬行现象、系统压力脉动以及振动和噪声等 不良后果。 6 、使用寿命 液压马达的使用寿命主要取决于其主轴轴承( 对于内曲线马达则是滚轮轴承) 的使用期限和运动零件的磨损情况。由于马达的工作转速和压力变化范围都比较 大，常常是低于额定值运转的。所以马达的实际使用寿命往往比设计：命长的多。 2 2 齿轮马达撅述 齿轮马达是液压马达的一种重要形式，其主要特点是转速较高( 5 0 0 r p m 以上) ， 转动惯量小，便于起动和制动，调节( 调速及换向) 灵敏度高。但其输出扭矩不大( 仅 几十牛米到几百牛米) ，所以齿轮马达属于高速小扭矩液压马达。它有外啮合 齿轮马达和内啮合齿轮马达等结构。下面分别予以介绍。 2 2 1 外啮合齿轮马达 l 、外啮合齿轮马达工作原理 外啮合齿轮马达的工作原理如图4 所示。图中i 为扭矩输出齿轮，l i 为空转齿 轮，啮合点c 至两齿轮中心的距离分别为l 和r 垃，当高压油( 压力为以) 输入 马达高压腔时，处于高压腔内的所有齿轮受到压力油的作用，由于。咄1 ， r c 2 ( r 。2 ，所以互相啮合的两个齿面只有一部分处于高压腔。这样就使每个齿轮 上处于高压腔的各个齿面所受到的切向液压力对各齿轮轴的力矩是万平衡的。两 安徽理：1 ：人学硕士学位论文 个齿轮所受到的两个不平衡的切向液压力形成了力矩m ：、m ：；同理，处于低压 腔的各齿面所受到的低压液压力也是不平衡的，对两齿轮轴分别形成了反方向的 力矩m ：和m ：。此时齿轮i 上的不平衡力矩m ，= 州一m ：，齿轮i i 上的不平衡 力矩为m ，= m ：一肘：。所以在马达输出轴上产生了总扭矩= m + m ，曩，砖( 式 中r ：、r ：齿轮i 和i i 的节圆半径) ，从而克服负载力矩而按图中箭头所示方向 旋转。随着齿轮的旋转，油液被带到低压腔排出。在高压油不断的输入的情况下， 齿轮( 输出轴) 旋转，即会产生连续的输出扭矩。 霞、醚 心熬。哆 圈4 外啮合齿轮马达的工作原理 f 嘻40 p 咖i n gp r i n c i p l ea f e x l c m a l 秘rm o l o r 2 、排量 外啮合齿轮马达的排量是转一圈排出液体的体积。假设齿阔的工作容积( 齿问 容积减去径向齿隙容积) 与轮齿的有效体积相等，则齿轮马达的排量等于一个齿轮 的所有齿问工作容积与所有轮齿有效体积之和，即等于齿轮齿顶圆与基圆之间的 环形圆柱的体积f 1 9 】。由此可得： 矿= 2 蛾丑l o 。3 ( m l r ) ( 2 4 ) 式中 置分度圆半径( r n m ) ； 曰、齿宽( 皿n ) 和有效齿高( m m ) 。 设= 2 ( 恐一月) = 2 m ，则上式又可写成以下几种形式 y = 4 硪疋一研曰l o 。( r n l ，f ) 即r = 4 砌口1 0 - 3 ( l l 订 或矿= 2 ，z z m 2 曰l o 。 ( m l r ) 式中 肌齿轮的模数( m m ) 。 1 2 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 、 o 、 溢 2 齿轮马达概述 3 、理论瞬时角速度、理论平均角速度及角速度的品质分析 1 ) 理论瞬时角速度 对于渐开线齿轮泵，瞬时流量的公式为f 2 0 】 = 孚陋”勘坼扣一 - + 舻妒钼 p s ， 式中q 、国：齿轮i 和齿轮i l 的角速度： r ：、r ：齿轮i 和齿轮i i 的节圆半径； 啊、琏齿轮i 和齿轮i i 的齿顶高： 兄齿轮基圆半径。 当两齿轮的直径相等时 q ( f ) = 占舡 ( 群一矗”一，2 )( 2 9 ) 式中 月。、月。分别为齿轮的齿顶圆半径和节圆半径。 对于娥f ) 应理解为输入马达的瞬时流量，对于驰和国应理解为输出轴的角速 度。，那么马达输出轴的角速度公式便为 嗍。曰卜n 勘竹和一( + 耖 口 当两齿轮直径相等时 螗丽等丽 1 1 ) 由公式( 2 - 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 可知，当输入马达的流量q ( f ) 为常数时，马达输出的瞬时 角速度仅随，( 啮合点与节点之距) 的变化而变化。 2 ) 理论平均角速度 脚，：2 册，：2 万垒( r a d s )( 2 一1 2 ) 式中q 输入马达的平均流量( m 3 s ) ； g 马达排量( m 3 r ) 。 a 、角速度的品质分析 为了评价瞬时角速度的品质，可用角速度脉动频率厶和角速度不均匀系数瓦 两个指标来衡量。 ( 1 ) 角速度脉动频率 无= z l n ( s “)( 2 1 3 ) 式中 z 马达扭矩输出齿轮的齿数； 安徽理t 大学硕士学位论文 聍马达扭矩输出齿轮的转速( r s ) 。 ( 2 ) 角速度不均匀系数瓦 吒= 当些鱼：昂( 2 1 4 ) 式中 国。一、国。和q 分别为马达输出轴的最大理论瞬时角速度、最小瞬 时速度和理论平均角速度，而谚，为外齿轮马达的流量不均匀系数。 4 、理论瞬时扭矩、平均扭矩及扭矩的品质分析 1 ) 理论瞬时扭矩 由图4 可知，马达工作时，液压力对齿轮i ( 与输出轴相连) 所产生的力矩为 m ，= 肘：一m ? = p 。丑( 一蚝) 华一p ，嚣( r ，一疋。) 毕 = 联踟一p ，x 一墨。) 毕= 丢划一) 同理，液压力对齿轮i i ( 空转齿轮) 所产生的力矩为 心= 埘：一m 妻础改砭一砭) 式中 叫、m i 高压腔液压力对齿轮i 和i i 产生的不平衡力矩； m 、m ；低压腔液压力对齿轮i 和l i 产生的不平衡力矩。 于是齿轮马达输出的理论瞬时扭矩为 m = m ，+ m ：鲁= ；畔一，+ 鲁c 砭一砭) c z 书的 由于外啮合齿轮马达的理论瞬时扭矩和外齿轮泵的理论瞬时流量的变化规律 是相同的，因而可以省去一些推导过程，直接写出m ( f ) 的另外两种表达式口o 】 = 脚卜n 由埘+ 拳一( t + 耖 p m ， 脚圭叫：球n 州2 + 鲁酵一( - + 珈砰 陆， 马达输出轴的瞬时扭矩( f ) 随齿轮i ( 与输出轴相连) 的转焦吼按抛物线规律 变化。 2 ) 理论平均扭矩 哆= 竽( n m )( 2 1 6 ) t 4 2 齿轮码达概述 式中p 马达高低压腔压力差( p a ) g 马达排量( m f ) 。 3 ) 扭矩的品质分析 可用扭矩脉动频率允和扭矩不均匀系数凡两个指标来评价瞬时扭矩。 a 、扭矩脉动频率厶 厂萨z ”( 2 一1 7 ) 式中 门马达输出轴的转速( r s ) 。 b 、扭矩不均匀系数如 如= 警 ( 2 _ 1 8 ) 式中m 。、 。、m ，分别为马达最大理论瞬时扭矩、最小瞬时扭矩和理论平均 扭矩。 5 、外齿轮马达的效率 ，7 = 叩y 刁。 ( 2 1 9 ) 式中 巩容积效率； 机械效率。 1 ) 外齿轮马达的容积效率和容积损失 外啮合齿轮马达理论输入流量q ( m 3 s ) 与实际输入流量q ( m 3 s ) 之比，称为容 积效率。即 矾= q q = ( q 一q ) q ( 2 2 0 ) 式中 a q 容积损失( m 3 s ) 。 2 ) 外啮合齿轮马达的机械效率和机械损失 马达实际输出扭矩肘( n m ) 与理论扭矩m ，( n m ) 之比，称为机械效率，即 = m m ，= 似一埘) 肼，( 2 2 1 ) 式中m 机械损失。 6 、外啮合齿轮马达的结构特点 1 ) 外啮合齿轮马达内部结构相对于齿轮连心线完全对称。例如翅、回液口大 小相等，卸荷槽结构对称； 2 ) 由于马达一般具有背压，故必须设置独立的泄漏口，将马达的泄漏液体单 独引回油箱； 3 ) 采用了滚针轴承和固定间隙的侧板，以减小摩擦阻力，改善马达的起动性 能。 安徽理工大学硕士学位论文 此外，为了减小马达的扭矩脉动系数，增加其输出轴刚度，齿轮马达的齿数 通常都稍多于同类型齿轮泵的岗数。 22 2 内啮合齿轮马达 、一。鬈x 誊、z 。糍蓉乏、| j 、理童蔫j 、， ， 圈5 内啮台齿轮马达的工作原理 f 培5o p c r 砒i n gp n c i p i eo f c r 带c 嘲tg e 甜m o t 0 内啮合齿轮马达有渐开线齿轮马达和摆线齿轮马达( 转子马达) ，它们的工作 原理和主要特点与外啮合齿轮马达相同，它们的结构与同类型的内啮合齿轮泵相 似。 渐开线内啮合齿轮马达的工作原理可参看图5 所示。在一对相互啮合的具有 渐开线齿形的小齿轮1 和内齿圈2 之间有月牙板3 将进油腔4 和