（机械电子工程专业论文）端面配流外定子浮动型高压摆线液压马达研制.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文基于传统的端面配流式摆线液压马达原理，提出了一种端面配流式摆 线液压马达的新结构，并且成功的将其研制了出来。该结构以外定子做公转运动、 外摆线齿轮做自转运动的形式取代了传统摆线马达外定子固定、外摆线齿轮既做 自转又做公转运动的结构形式，以此来达到精简摆线马达结构和减小摆线马达轴 向尺寸的目的。同时，本论文在传统摆线马达相关理论的基础上，提出了外定子 浮动型摆线马达封闭容腔容积、排量和扭矩的理论计算方法。最后，设计出端面 配流外定子浮动型高压摆线液压马达并加工出实物样机进行原理及性能试验。各 章节内容如下： 第一章介绍了摆线马达的历史和发展以及在现今摆线马达发展趋势下，摆线 马达的主要分类以及功能，提出了本论文所要研究的端面配流外定子浮动型摆线 马达与传统端面配流摆线马达在结构上的区别，以及两者相比的优缺点。研究本 论文提出的外定子浮动型摆线马达的意义。同时提出了本论文的研究目标和主要 研究内容。 第二章在原有传统摆线马达理论基础上，进行外定子浮动型摆线马达密闭容 腔容积，排量、扭矩的数学建模和理论推导，最后使用m a t l a b 软件进行外定 子浮动型摆线马达扭矩、排量的编程计算。 第三章在第二章理论计算的基础上进行外定子浮动型摆线马达的外摆线啮 合部分的设计计算，同时使用p r o e 软件进行相关部分的建模和运动仿真，以此 来验证设计的合理性，同时进行浮动型外定子的设计和理论验证。 第四章在传统摆线马达端面配流机构研究的基础上，进行本论文所研制摆线 马达配流机构的设计研究，并且使用p r o e 软件进行配流部分的建模和运动仿真， 以此来验证配流机构设计的合理性。 第五章设计外定子浮动型摆线液压马达性能测试台架，对本论文所研制的摆 线马达样机进行试验，获得摆线马达样机扭矩以及效率特性曲线。 第六章对本论文的研究内容和研究成果进行总结，同时对现阶段研制出的端 面配流外定子浮动型摆线液压马达提出进一步研究方案。 关键词：摆线马达；端面配流；外定子浮动；低速；大扭矩 浙江大学硕士学位论文 a b s t 陷c t a b s t r a c t 1 1 1t h i sm e s i s ，b 勰e do nt h em e 0 d ro f 仃乏u d i t i o n a lg 锄t o rm o t o r ，an e wm e c h a i l i c a l s 协j c t i l r ew h i c hi sao u t - s t a t o rs w a n gg e r o t o rm o t o rw i n lap l a t ed i s t r i b u t i o ni sp m f o r w a r d t h en e ws t n l c t u r en m si i l 也ef o r n lo f 1 eo u t e rs w i n g 乜a yr e o l u t i o na i l dt h e g e r o t o rr o t 撕o nw h i c hc a nd o 、砸s i z em eg 锄t o rm o t o rs i 盟i f i c a n t l y ，w h i l ei nt l l e 仃a d i t i o n a lg e r o t o rm o t o r ，t 1 1 eg e r o t o rr e a l i z e sb o mo f 也er o t a l i o na 1 1 dr e v 0 1 u t i o n r e f 弧n g t 0n l e 仃a d i t i o n a l _ r e la ：t i v et l l e o r 巧m e 吐1 0 dt 0c a l c u l a t et h ec h 锄b e r v o l u m e ，d i s p l a c e m e n t 锄dt o r q u ef o rt 1 1 eg e r o t o rm o t o r i sa l s or a i s e d t 1 1 e n ，a o c o r d i n g t 0n e wd e s i g no fg e r o t o rm o t o r ，ap r o t o t y p em 狃u f a 酏叮c d i tf o l l o w st h ep r i n c i p l ea n d p e r f o m a n c ee ) 【p 咖e i l t s a n dt 1 1 e p a r a m e t e r s o fm en e wm o t o r s t o r q u ea n d d i s p l a c e m e n ta r eo b t a i n e d 1 k st h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i l l gc h a p t e r s ： c h 印t e ro n e i sa 芏li 1 1 仃o d u c t i o nt ot h el l i s t o 巧，d e v e l o p m 铋ta n dc l a s s i f i c a t i o no f t l l e g e r o t o rm o t o r t h ed i 丘b r e n c e sb e t w e e n 血e 仃a d i t i o n a lm o t o ra n dt h en e w s 仃u c t u 】锄m o t o ra r ed i s c u s s e d 舔w d l t 1 1 e n ，廿l es i 印i 矗c a l l c eo fm er e s e a r c ho nt l l e g e r o t o rm o t o ri sb r o u 曲tf o n a r d f i n a l l y ，t h er e s e a r c ho b j e c t i v e sa n dc 0 n t e n t so f t l l i s m e s i sa r ep r o v i d e dd e 砌y c h 印t e rt w op u t sf o 刑a r dt h em a d l e m a t i c a lm o d e l 觚d n l em e 0 觚c a ld 耐v a t i o n o ft h en e w 咖c t l l l 嗣g e r o t o rm o t o r ，b a l s e do nt h e 饿i d i t i o n a lg e r o t o rm o t o r l e 0 够a t 1 a s t ，“a p p l y s 盯l a bt 0c a l c u l a t et l l et o r q u e 觚dm ed i s p l a c 锄e n to ft h en e w m o t o r c h a p t e rt h r e eb e 西n st 0d e s i 留a 1 1 dc a l c u l a t em ec h 娥l c t 萌s t i c so f 也en e 、) l ， s 饥l c t u r e dg e r o t o rm o t o r i tu s e sp r o et 0b m i dt l l er e l a t i v ep a r t sm o d e l sa n dmt 1 1 e m o t i o ns i l n u l a t i o ni no r d e rt 0v a l i d a t et l l en e ws 1 胁c t i o n c h 印t e rf o l l rp u t sf 0 刑a r dt l l en e 、) l ，d e s i 印o fp l a t ed i s t r i b u t i o np a r tb a l s c do nt h e 仃a d i t i o n a l 也c 0 巧t 0v a l i d a t et h en e wd e s i 乒，i ta l s oi i l 仃d d u c e sp r 0 et 0m o d e lt h e p l a t ed i s t r i t y u 峨o np a r t sa n dn m st 1 1 em o t i o ns i i n u l a t i o n c h a p t e rf i v ed e s i 印sa t 0t e s tr i gf o rt 1 1 ep r o t o t y p ep e r f 0 册a i l c ec x p 甜m e i l t s t h e t e s td a t af ：b rt h et o r q u e ，d i s p l a c e m 锄t 锄de 伍c i c yo fm en 洲s 仇l c t u r e sg e r o t o r 川 浙江大学硕士学位论文 a b s t 陀c t m o t o ra r c 唧i 同，也l l s0 b t a i n 崦g o o df e a t u r cc u n ，鼯 c l l a p t e rs i ) 【i sas 啪a 巧o f t l l er e s e a r c hc o n t t 柚d 枷e 、，e m e n t so f 衄s t h e s i s ，m e a i l w h i l em e 缸r d l e rr e s e 鲫c hp l a n so nm en e ws t r i i 删g 锄t o rm o t o ri s a l s op p o s e d k e yw o r d s ：g e r o t o rm o t o r ；p l a t ed i s 仃i b 们o n ；s w a l l g0 1 n s t a t o r ；l o ws p e e d ；1 a 唱e t o r q e i v 浙江大学硕士学位论文图表清单 图表清单 图1 1 轴配流式外摆线马达典型结构 刀5 图1 2 配流轴结构6 图1 3 轴配流部分工作原理6 图1 4 两种定子形式结构图7 图1 5 配流套配流8 图1 6 配流轴配流9 图1 7 端面配油式摆线马达9 图1 8 滑阀配流1 0 图1 9m z 型摆线马达结构原理图1 1 图1 1 0 传统摆线液压马达压油部件【9 】1 1 图1 1 1m z 型摆线马达压油部件【9 1 。1 2 图2 1 外滚法( 无包心) 形成外摆线1 5 图2 2 内滚法( 包心) 形成外摆线1 6 图2 3 外摆线的两种形成法1 7 图2 4 外摆线转子齿廓形成示意图1 8 图2 5 浮动型外定子夕p 摆线齿轮啮合初始位置1 9 图2 6 浮动型外定子外摆线齿轮啮合一般位置2 0 图2 7 浮动型外定子外摆线齿轮啮合密闭容腔容积计算示意图2 2 图2 8 圆形面积计算图示。2 4 图2 9 伪扇形面积计算图示2 5 图2 1 0 单个啮合容腔截面积随浮动型外定子公转角度的变化2 6 图2 1 1 浮动型外定子夕 摆线齿轮啮合受力图2 8 图2 1 2 局部放大图。2 8 图2 1 3 不同油压下输出扭矩随浮动型外定子公转角度的变化关系3 1 图3 1 外摆线齿轮啮合部分实物图3 3 图3 2m z 型摆线马达内摆线啮合部a 【9 1 3 3 图3 3 外摆线齿廓曲线模型( 内侧摆线为外侧摆线的等距线) 。3 5 图3 4 外摆线齿轮实际轮廓曲线3 6 图3 5 浮动型外定子三维模型3 7 图3 6 浮动型外定子抗转滚柱包络线( 一) - 3 8 图3 7 浮动型外定子抗转滚柱包络线( 二) 3 8 图3 8 浮动型外定子轮廓曲线尺寸参数。3 9 图3 9 外固定圈轮廓曲线参数3 9 图3 1 0 外摆线转子及外定子运动仿真( 一) 。4 0 图3 1 1 外摆线转子及外定子运动仿真( 二) 4 0 图3 1 2 外摆线转子及外定子运动仿真( 三) 。4 1 图3 1 3 求解抗转滚柱与外定子重合度4 2 图3 1 4 外定子与外固定圈相啮合时外定子所对应的公转角度4 2 v 浙江大学硕士学位论文图表清单 图3 1 5 重合度4 3 图4 1 端面配流式摆线马达m 4 s 图4 2 端面配流工作原理图4 6 图4 3 配流盘两侧液压平衡槽4 6 图4 4 配流机构结构简图4 7 图4 5 浮动型外定子- 夕p 摆线齿轮啮合运动示意图( 一) 4 9 图4 6 浮动型外定子外摆线齿轮啮合运动示意图( 二) 4 9 图4 7 配流部分模型图5 1 图4 8 后侧板油槽基本尺寸5 2 图4 9 后侧板油槽与密闭容腔相通运动图( 一) 5 2 图4 1 0 后侧板油槽与密闭容腔相通运动图( 二) 5 3 图4 1 1 后侧板油槽与密闭容腔相通运动图( 三) 5 3 图4 1 2 后侧板加工实物图5 4 图4 1 3 后侧板与配流盘运动仿真图( 一) 5 5 图4 1 4 后侧板与配流盘运动仿真图( 二) 5 5 图4 1 5 后侧板与配流盘运动仿真图( 三) 。5 5 图4 1 6 后侧板与配流盘运动仿真图( 四) 5 6 图4 1 7 配流盘模型。5 6 图4 1 8 配流部分模型。5 7 图4 1 9 配流盘实物图( 正反两侧) 5 8 图4 2 0 配流部分模型图。5 8 图5 1 摆线马达样机试验液压系统油路图6 1 图5 2 摆线马达样机液压试验系统台架6 2 图5 3 端面配流外定子浮动型高压摆线马达实物图6 3 图5 45 m p a 下，摆线马达样机实际扭矩输出曲线6 3 图5 51 0 m p a 下，摆线马达样机实际扭矩输出曲线6 4 图5 61 5 m p a 下，摆线马达样机实际扭矩输出曲线6 4 图5 72 0 m p a 下，摆线马达样机实际扭矩输出曲线6 4 图5 8 不同压力下，摆线马达样机效率曲线6 5 表1 1 国外主要厂商生产摆线马达性能参数表4 表1 2 国产摆线马达性能参数4 表2 1 外摆线马达排量随参数变化以及精确、近似计算比较表2 6 表2 2 外定子浮动型摆线液压马达扭矩与传统摆线马达扭矩对比3 1 表3 1 本论文所研制浮动型啮合部分与m z 型的区别3 4 表3 2 常用材料许用扭转切应力值3 6 表5 1 不同工作压力下摆线马达样机效率6 5 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 本文是在作者的导师顾临怡教授的悉心指导之下完成的，顾老师认真负责的 工作态度、求是严谨的科研作风，使我受益匪浅，我不仅掌握了科学的研究方法， 也积累了许多科学研究的经验。在攻读研士学位期间，顾老师不仅在学业上对我 进行孜孜不倦地指导，在生活上也对我非常关心在此，向顾老师表示衷心的感 谢。 同时，也要特别感谢罗高生博士在课题研究过程中对我的细心指导，他有着 丰富的科研经验、渊博的专业知识，经常在课题的研究方法上的对我进行指导， 并且会经常开拓我的研究思路，让我能够顺利有效的地完成课题的研究。在这里 我要表示最真挚的感谢。 感谢实验室的所有同仁在工作中和生活中对我的关心和帮助。感顾陈家旺老 师在工作中对我的指导，感顾师弟宋文友的合作和协助，感顾所有同学和同事的 真诚合作。 特别要感谢我的家人，正是他们的关心以及鼓励，支持着我能够一路走来， 在求学和科研的道路上一往直前。他们的关怀和牵挂给了我无限的动力，让我能 够极大地热情投入到学习、科研工作中去。感谢家人无私的爱给了我克服困难的 勇气，让我能够顺利的完成学业和课题的研究。在这里，我要对我家人表示最真 挚的感谢。 韩俊 2 0 1 2 年1 月4 日浙江大学 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 现今，无论是在科学考察现场或者工业生产现场，机械手随处可见。机械手 功能强大，能够从事各种复杂的作业，液压机械手在各类机械手中占据了很大比 重，其中液压机械手各个关节的旋转、往复动作，都是由液压马达以及油缸来实 现的。 液压机械手以其较大的输出功率，紧凑的结构，广泛应用于恶劣的工作环境 中。通常被用于作为机械手手腕关节旋转运动执行元件的液压马达，不仅要求有 较高的扭矩输出而且需要有较低的转速。现今应用广泛的低速大扭矩马达虽然可 以输出较大扭矩，但是其结构尺寸较大并且低速性能不够好。而摆线液压马达能 够在稳定的较低转速下可靠地输出较大的扭矩，这些特性使得摆线马达适合用做 机械手运动的执行元件。 但是现有的摆线马达无论是轴配流式还是端面配流式都是采用花键联轴节 将摆线转子的自转输出的方式，而这样的机械结构极大地增大了摆线马达的轴向 尺寸。作为一个应用于机械手手腕关节，提供旋转动力的执行件，过大的马达轴 向尺寸，无疑减小了机械手的活动空间。同时，无论是在使用上抑或在视觉上， 都使得机械手变得更加笨重，不够灵活。所以，能否设计出轴向尺寸较小的液压 摆线马达从而使得液压机械手的手腕关节能够做到短小精悍是亟待解决的问题。 国内外摆线马达的生产厂家和产品型号均有很多。但是摆线马达的结构都大 同小异，并没有符合机械手手腕关节所需要的低速大扭矩并且具有较小轴向尺寸 的成品马达。有鉴于此，本课题提出了端面配流外定子浮动型高压摆线液压马达 的设想并进行了开发研制，其核心是在现有外摆线加工水平以及端面配流外摆线 马达的结构基础上，研制出与传统摆线液压马达在机械结构、配流方案以及运动 模式上都不相同的新型摆线液压马达。该摆线液压马达具既有传统摆线马达的低 速大扭矩特性，同时轴向尺寸大大的减小，能够顺利有效地完成机械手手腕关节 旋转运动的要求。 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 摆线齿轮的发展与研究概况 摆线齿轮最早的时候被用于等速传动齿轮。在发明了了渐开线齿轮之后，渐 开线齿轮以其传动比不会随着中心距的变化而改变并且加工方便等优势逐渐将 摆线齿轮的核心地位所取代。但是在在钟表、摆线泵以及摆线马达中还是能够看 到摆线齿轮的身影。 与一般齿轮传动相比，摆线齿轮传动具有以下优点【9 】： 1 ) 摆线齿轮通过摆线啮合，接触应力小，在没有充分润滑的情况下，磨损较 小； 2 ) 摆线齿轮具有较大的重迭系数，所以能够生产出齿数相对比较少的齿轮； 3 ) 无根切现象，最少齿数不受限制，故结构紧凑，可得到较大的传动比。 同时，它的缺点有刀： 1 ) 对啮合齿轮的中心距要求较高； 2 ) 啮合线是圆弧的一部分，啮合角不是定值，轮齿承受交变作用力，影响传 动平稳性； 3 ) 摆线齿轮的制造精度要求较高。 摆线啮合很好的应用在了众多液压元件的运动副中，尤其是在内啮合液压摆 线齿轮马达和齿轮泵中，摆线齿轮更是作为核心部件。与渐开线液压齿轮泵相比， 摆线齿轮泵具有零件更少、结构更紧凑，流量脉动更小，噪声更低的优点，被广 泛应用于各个生产加工行业。 近年来，国内外有不少对于摆线齿廓的研究文献。参考文献 4 3 】采用了包络 理论，对摆线齿廓的包络形成法以及在包络线中关于奇异点产生的条件和如何避 免在摆线齿廓中产生奇异点进行了相关的研究。参考文献 2 7 】研究了摆线齿廓可 以使用怎样的几何修正方法，研究了安装产生的误差以及由于中心距不重合产生 的误差对摆线齿轮最终的啮合误差所产生的影响。参考文献 6 5 运用了微分几何 理论以及齿轮啮合的原理对摆线包络线以及啮合曲线进行了深入的研究。但是， 这些都集中在齿轮廓线啮合理论的研究，而没有讨论实际的应用问题。 摆线泵的工作特性取决于摆线啮合特性，无论国内外都有相关摆线啮合特性 的文献资料参考文献 1 】 3 2 5 对摆线泵的啮合运动特性进行了分析，同时以此 为基础，分析了摆线泵的流量特性。 2 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 液压摆线马达采用摆线针轮行星传动的结构方式作为它的啮合结构，此结构 的啮合特性直接决定了摆线液压马达的工作性能。摆线液压马达性能分析的基础 是对齿轮啮合所形成的密闭容腔的容积变化进行有效地建模和分析。但是至今为 止，关于摆线啮合密闭容腔变化的相关研究文献还是非常的少 1 3 摆线液压马达概述 1 3 1 国内外摆线马达发展现状 摆线液压马达是一种体积小、可调转速范围宽、使用可靠并且价格低廉的低 速大扭矩液压马达，这在国外又被称为o r b i tm o t o r ( 奥比特马达) 。摆线液压马 达被广泛地应用于各类工程机械以及军事产品中。摆线液压马达的概念最早是由 美国c h 孙i ) ，i l n ( 查林) 公司提出，经过了几年的研究与开发，最终与1 9 6 0 年投 入生产并运用到实际产品中去。随着液压技术与现代机械制造工艺的不断发展， 出现了很多新的液压摆线马达产品和新的设计。 摆线液压马达利用行星减速机构( 一齿差、少齿差) 原理，以其独特的优点 获得了迅速的发展。这些优点集中体现为：结构简单，体积小，重量轻，输出扭 矩大，单位质量功率远比其它类型的液压马达高，并且，转速范围宽、使用可靠、 低速稳定性好、价格低廉，广泛应用于塑料机械、工程机械、农业机械、煤矿机 械、起重运输机械、渔业机械及专用机床等设备中叨。 在美国有e a l o n ( 伊顿公司) ，r o s s ( 诺斯公司) 生产摆线马达；丹麦有d a n 南s s ( 丹佛斯) ；日本有内田油压机器制造公司等。表1 1 为一些著名摆线马达生产 厂家生产的该类产品的性能参数 在中国，摆线马达分为轴配流式( 有b m l ，b m 2 ，b m 3 这三个型号) 和端 面配流式( 有b m c 。b m d ，b m e b m f 这四个型号) 。我国生产的摆线马 达性能见表1 2 【7 】。 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 表1 1 国外主要厂商生产摆线马达性能参数表 摊滏m 以转建忌图r 血-转簪n m最人f i ：力mp - 蛟人最小 最小体积最大体积 最小磁夫 最小体积 最犬体积 生产攀位 终税侬移练移 ：= 移 ( m & n i l f a c t o r y ) 鼹大嫩夫最溉鼹岛最低最癌最大最大 排雏撩譬转建转建转建转建转锋 0 簪 连续闻断透续间断 d 曩岛墨摹f k dp 槲c r 8 3 22 525 56 如6 4l9 8 01 2 。41 3 82 0 52 4 8 e 鞠咀c o 币，h y d 嘲l k s d 打 9 柏3 l 6ll9 2 5l 7 9 l2 727 l o 31 3 8 2 0 52 7 5 l 锄hk6 l1 3 68 622 5 51 91 9 5l ，8 3l o 3l o 3 l o 3 l o 3 p 嫩e fh a l m 蕾越r o 毫o p e f t l i n t9 d m甜 p r h 舒m 绝c o 挚 3 9 55 i wh n ch y d 伯n l sl 畦4 l o4 9 o7 8 5o1 1 89 35 3 l1 2 毒1 6 52 0 52 7 5 5lo 51 6 0s s3 7 0u 71 6 58 ，39 7 59 0 5o 2 51 0 0 1 2 42 3 l1 2 o1 7 2 6 91 0 3 表1 2 国产摆线马达性能参数 规格排毓 额定转德毅定转妪连续上馋壤_ 欠缢羞最低橡定转速 系列名称 ( 种)m 以f 血越n mmp a ，血妇 。 最囊、5 06 4 0s o l o o恐 丑醒l 最大 1 6 0 2 0 01 8 7l o o2 2 最小2 3 2 02 3 8l o o1 5 挪哇2。 最大柏ol 4 7 7l o o 1 5 最小 5 1 6 0 5 9 2l o o1 5 琢岖3 最犬6 3 01 2 57 s 2i o o1 5 最小 8 0 06 2 0 1 7 01 6 ol o 丑醛c 最大3 1 5l 1 2 0l o ol o 最小1 6 05 0 03 掬1 4 。o l o 翻随d 最大3 2 02 5 06 3 01 4 o l o 最，j 、 3 1 53 2 0 7 1 6 ol o 氆近- e 最犬8 0 01 2 5l 辱1 2 5l o 鼹，l 、8 0 02 0 0l6 l 毒ol o b m f。 葳夭l2 5 01 3 025 l 毒ol o 国内外摆线马达的制造水平无论在生产工艺还是加工水平上，都有着很大的 差距，具体表现为以下几点： ( 1 ) 在摆线齿轮的加工方式上，国外采用的是成形磨削法，齿形误差可以小于 3 0 朋，粗糙度可以低于0 2 朋；而国内采用的是摆线磨床加工方法，齿 形误差为不大于1 0 0 朋，粗糙度仅仅在o 4 朋附近，所以齿轮的实际接触 应力会比较大，这严重影响了摆线马达压差的提高，也影响了摆线马达的 效率。 ( 2 ) 在定子的加工方式上，国外采用的是拉刀拉削的工艺，而镶柱定子所采用 的拉刀比较的复杂，必须做成组合式，定子在拉削成形以后采用的是内腔 强力成形磨削的方法，这样会提高加工效率，并且零件尺寸具有较高的精 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 度。 国内定子加工大多数采用了钻孔、镗孔、铰孔、切齿根圆的工艺，这种方 法无论在粗糙度还是形位公差方面都无法与国外的制造水平相比 ( 3 ) 国外的配流盘大多采用的是粉末冶金材料，机械加工量非常少，而且配流 窗口的尺寸很精确，不用再进行后续的机加工，制造成本较低 而我国基本上是采用机械加工的方法来进行配流盘的制造，这样需要获得 较高的尺寸精度所需的制造成本相对国外而言高得多。 1 3 2 摆线马达结构及工作原理概述 摆线马达主要由摆线啮合副、配流副以及传动副所组成。 鬟罗r 图1 1 轴配流式外摆线马达典型结构用 ( 1 ，2 ，3 一密封；4 - 前端盖；5 止推环；6 - 壳体；7 输出轴( 配流轴) ；8 花键联轴节； 9 止推轴承；1 0 辅助配流盘；1 1 限制块；1 2 一后端盖；1 3 定子；1 4 摆线齿轮；a 、b 横槽；c 、d 孔。) 图1 1 所示为一种轴配流式外摆线马达的结构。该摆线马达的摆线转子1 4 ( 摆线齿轮) 有z 。个齿，与定子1 3 之间的偏心距为e ，当定子齿数比摆线转子 齿数多1 时，两轮所有的轮齿可以全部啮合并且能够形成图1 1 中x - x 剖面中所 示的z 。+ 1 个独立地并且容积可变的密闭容腔。输出轴7 上的横槽a 、b 分别于 进出油口相连通，配流轴的表面有均布的两组纵向油槽共2 z 。条，其中一组与 横槽a 相通，另一组与横槽b 相通。而在摆线马达的壳体6 上有z 。+ 1 个孔h ， s 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 这些孔经过辅助配流盘1 0 的相应z 。+ 1 个孔分别与定子齿底相连通( 也就是分别 与z 。+ 1 个密闭容腔相连通) xy 图1 2 配流轴结构 配流轴7 上的横槽x ，y 起着配流的作用，使上述z 。+ 1 个密闭容腔中的一半 与高压油相通，而剩下的与低压油相通。 虽然摆线液压马达具有三种不同的配流方式，但是其配流原理却是殊途同归 的。下面以轴配流式摆线液压马达简单阐述下摆线马达的配流过程。配流部分工 作原理图见1 - 3 一：蕊匿 l ：簟藩 图1 3 轴配流部分工作原理 如图1 3 所示，当高压油经x 口输入时，密闭容腔中的5 ，6 ，7 进入高压油， 摆线转子在高压油的作用下，沿着使高压腔容积变大的方向自转。由于定子与壳 体相连，固定不动，所以转子在做绕自身轴线低速自转的同时，转子中心还绕着 定子中心做着反向高速的公转运动。公转一次，每一个齿间密闭容腔完成一次进 6 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 油、回油循环。 通常情况下，摆线马达采用6 7 或者9 9 齿的啮合形式，图1 3 采用的是6 7 齿啮合。相互啮合的两齿轮形成7 个密闭容腔，当摆线转子相对于定子中心公转 一周时，摆线转子自身在公转方向的反方向自转1 6 周，摆线马达内7 个密闭容 腔完成了一次从低压到高压再到低压的循环所以，当摆线转子完整的自转一周 时，7 个密闭容腔将完成6 次循环，加起来可得7 x 6 = 4 2 个多作用式的高压油腔 的容积变化。 b m 系列摆线马达通常会采用8 9 齿的啮合结构。当八个齿的摆线转子( 摆 线齿轮) 公转一周时，九个密闭容腔的容积各变化了一次，而摆线转子完成一周 自转的同时，它自身还需要公转八周，所以可以得到9 x 8 = 7 2 个多作用式的高压 油腔的容积变化。所以，摆线液压( 齿轮) 马达体积虽然比较小，但是却有较大 的排量，因此，可以输出比较大的扭矩，这也就是摆线液压( 齿轮) 马达的功率 质量比能够大大的提高的原因。 图1 1 、图1 3 中的摆线转子在公转z 。周后自转一周，则公转与自转的转速 比为f _ ( 一z ，) ：1 。图1 3 中的花键联轴节将摆线转子的自转运动传递到输出轴上。 因为输出轴7 本身即为配流轴，随着配流轴的连续旋转配流，高压油腔会随着摆 线转子与定子中心的连线的旋转而同步地进行旋转( 如当摆线转子顺时针自转 1 z 周，即自转一个齿时，高压油腔沿着公转的方向逆时针旋转一周) 。 摆线马达的定子主要有两种形式：整体式和带滚子式，如图1 4 所示。 图1 4 两种定子形式结构图 整体式采用拉削的工艺制造方法，成本很低，生产效率高。定子的几何尺寸 的精度取决于拉削时使用的拉刀精度以及热处理时变形量的控制。 带滚子式定子采用滚子代替针齿。采用滚子以后，转子和定子之间的滚动摩 7 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 擦变成滑动摩擦，摩擦力大大减小。同时，滚子被液压力压向转子，使得双方接 触更加紧密，泄露减少因此，此种摆线马达的效率颇高，使用寿命也比较长。 而且定子的加工工艺简单，尺寸精度容易得到保证。 1 3 3 摆线液压马达的配流方式 摆线液压马达的配流方式大致大致可以分为轴配流、端面配流和滑阀配流三 大类。 最早的摆线马达是轴配油式( 图1 3 ) ，即输出轴就是配流轴，所以配流精度 直接收到了传动精度的影响。虽然轴配油式马达结构简单，但是它的总效率比较 低，约为7 5 。加工精度极大地决定了此种马达的效率。 轴配流摆线液压马达的主要部件是配流轴( 配流套) 、摆线转子、固定针齿。 它外形尺寸比较小，结构相对简单，同时对液压油的过滤要求不高，不大于4 0 微米。轴配流又可以分为配流套配流和配流轴配流两类。配流套配流方式见图 1 5 ，输出轴的旋转运动通过传动销传递给配流套，配流套可以在输出轴上小范 围的进行浮动，同时不会受到径向力的影响，所以延长了配流套的使用寿命，但 是因为传动链被加长了，所以配流的精度会有所下降。配流轴配流方式见图1 6 ， 配流轴进行配流的同时有输出扭矩，此种结构比较简单。但是输出轴会受到径向 力，这会加大配流轴在工作中的磨损，最终降低摆线马达的容积效率。 图1 5 配流套配流 8 翻 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 6 配流轴配流 7 0 年代出现了端面配油和阀配油结构，总效率可达8 5 ，有了极大的提高。 端面配流又称为配流盘配流。因为配流盘与输出轴通过花键相连，所以此种配流 方案具有很高的配流精度。端面配流又分为固定间隙式和带间隙补偿式。固定间 隙式端面配流的结构简单，轴线尺寸小，但是当配流盘在工作一段时间以后由于 磨损而产生的间隙没有得到有效地补偿，所以固定间隙式摆线马达适合用于压力 并不是太高，输出扭矩不大的摆线马达中。另一种带间隙补偿式端面配流摆线液 压马达，配流盘在磨损以后，间隙会得到自动补偿，此种配流方式具有较高的容 积效率。端面配油的结构见图1 7 。有如下特点： 囹1 7 端面配油式摆线马达 ( 卜输出轴2 一长花键轴3 一定子4 一摆线齿轮5 一短花键轴6 一配油盘) ( 1 ) 输出轴只用于扭矩输出，而与配油无关因为使用了两个圆锥滚子轴承作 为支撑，可以承受比较大的轴向力和径向力； 9 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 ( 2 ) 配油盘采用专门的短花键轴5 驱动，由此可以得到比较高的配有精度； ( 3 ) 压力补偿盘的加入使得配油盘可以可靠的启动，磨损后能够自动进行补偿， 使得此种结构的摆线马达具有很高的容积效率 第三种滑阀配流式具有较高的配流精度，困油现象可以进一步缓和。滑阀配 流可以使液压马达具有很高的机械效率，但是结构相对复杂，对液压油的过滤要 求也很高。工作原理见图1 8 。 图1 8 滑阎配流 1 3 4 国外外定子浮动型摆线马达的研究情况概述 早在1 9 8 1 年，就有液压元件研究人员在德国著名液压与气动权威杂志o + p 上发表了关于外定子浮动型摆线马达的研究论文，并将该马达命名为m z 型。该 论文由王意翻译并且将该译文发表在了液压与气动1 9 8 2 年0 2 期上【1 8 】 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 9 m z 型摆线马达结构原理图 ( 1 壳体2 辅助配油盘3 右端盖4 主配油盘5 输出轴每抗转销柱7 一针轮8 镶柱式针齿 9 摆线内齿圈) 如图1 9 所示，此种m z 型摆线液压马达具有以下特征： 1 、扭矩由摆线转子直接传递通过花键传递到输出轴上，传统的摆线马 达需要一个万向节才能进行扭矩的传输； 2 、m z 型摆线马达的运动部件和零件数量都比相对减小，配油部件制成 紧凑单元； 3 、 密封和摩擦面减少； 4 、 轴向尺寸变短； 5 、 可以拥有两个轴伸； 6 、不需要拆卸外壳便可进行输出轴和油封的更换，保养比较方便。 f 能驸 炖岁 图1 1 0 传统摆线液压马达压油部件嘲 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 图1 1 1m z 型摆线马达压油部件【9 】 图1 1 0 为传统摆线液压马达的布局结构图，摆线齿轮绕着马达轴线做着快 速的公转运动并且绕着自己中心做着缓慢的反向自转运动。摆线齿轮的自转运动 通过一个万向节传递到摆线马达的输出轴上；图1 1 1 为m z 型摆线液压马达的 布局结构图，摆线齿轮做着绕沿其本身轴线的自转运动( 速度比较慢) ，轴线与 摆线马达输出轴同心。外定子是空心的( 可浮动) ，采用内摆线的结构，它沿着 马达轴线做着公转运动( 速度很快) 。摆线齿轮直接与输出轴相连 所以仅仅从压油部件来看，m z 型摆线马达的制造成本明显比传统摆线马达 要高，然而m z 型马达可以将扭矩直接传递到输出轴上，从整体上考虑，具有制 造上的优势【l s 】。 现今，该m z 型摆线液压马达已经被国外生产厂商成功的加工出来，并且已 经运用到s c h i l l i n g 公司的液压机械手上。同时，我国的江苏省机械研究所和南京 液压件三厂在9 0 年代也对此原理进行研究，并开始研制通轴型摆线液压马达。 但是国内至今没有看到相关产品出现，也没有相关方面的研究文献发表【1 1 1 。 1 4 课题研究的背景和主要研究内容 本课题为4 5 0 0 米潜水器液压驱动系统和机械手研制课题的子课题液压机 械手是潜水器进行水下作业的重要组成部分，其中手腕关节的灵活程度，手爪的 抓持力足以影响机械手的作业能力 前阶段研制成功的机械手，在手腕关节的设计中采用的是端面配流型外摆线 马达，此种外摆线马达需要通过花键联轴节来消除摆线转子的公转，然后将摆线 转子的自转通过输出轴输出，以此来驱动机械手手腕关节的旋转运动。虽然此种 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 摆线马达可以达到机械手手腕关节所要求的低速大扭矩要求，但是由于其轴向尺 寸过大，使得机械手的手腕关节显得过于粗大，不仅影响了机械手的外观，更影 响了机械手的操作灵活性以及活动空间 作为末端执行器的手腕关节，稳定和小体积是极其重要的指标。国外s c m l l i n g 公司采用了外定子浮动型内摆线液压马达，成功的将液压机械手手腕关节的轴向 尺寸进行了缩减。国内也很早就有了外定子浮动型原理的引入，但是一直都没有 相关产品的问世。究其原因，其中一个很重要的是内摆线的加工复杂，国内生产 摆线齿轮或是摆线马达的厂家没有生产内摆线元件的能力。所以如果能够利用外 定子浮动的原理，设计出在国内现有生产水平上能够加工出的外定子浮动型摆线 马达，将之运用到液压机械手上，这不仅可以极大的精简液压机械手手腕关节的 结构，同时也可以实现新一代液压机械手的国产化。 课题有以下几点主要研究内容： 1 对外摆线进行数学建模分析，得出其理论曲线方程。并以此为基础，对外摆 线齿轮与浮动型外定子相啮合所形成的密闭容腔进行容积计算。同时，在 传统的摆线马达排量以及扭矩的计算方法上加以改进，提出适合本论文所 研制外定子浮动型摆线马达的排量、扭矩计算方法； 2 依托现有的外摆线液压马达的设计基础，进行端面配流外定子浮动型高压液 压摆线马达的研制。通过应用m a t l a b 进行外定子浮动型摆线马达的理 论计算，在此基础上进行马达机械结构的研制，然后利用p r 0 e 软件建模 并进行摆线马达各部分的运动仿真，最终生产加工出外定子浮动型摆线液 压马达的实物样机； 3 搭建摆线马达液压系统试验台架，对外定子浮动型摆线液压马达实物样机进 行原理性以及性能试验，获得试验样机的扭矩、转速、排量实验数据； 4 基于外定子浮动型摆线液压马达样机的试验情况，针对样机的不足之处进行 原理性研究并提出问题的解决方案，为新一代外定子浮动型摆线液压马达 样机的研制提供依据。 浙江大学硕士学位论文第2 章浮动型外定子- 夕 摆线齿轮啮合容腔数学建模与分析 第2 章浮动型外定子外摆线齿轮啮合容腔数学建模 与分析 2 1 外定子浮动型摆线马达简述 本论文所研制的外定子浮动型摆线马达主要是用在自主开发的液压机械手 上，除了需要满足第一章所提到结构精简，轴向尺寸较小的要求外，还需要能够 在最高工作压力2 1 m p a 下，输出不小于1 8 0 聊的扭矩，能够在1 0 4 0 r m i n 的 低转速下平稳的运转。 本章节基于传统摆线液压马达的摆线齿廓相关理论以及摆线齿轮啮合理论， 对本论文所研制的外定子浮动型摆线马达的核心部件，浮动型外定子夕h 摆线齿 轮啮合副进行了啮合容腔容积以及输出扭矩的理论推导和m a t l 心计算。 2 2 外摆线齿轮数学建模与参数方程 2 2 1 外摆线形成法及参数方程 摆线的齿廓曲线在原理上即为短幅外摆线的等距曲线。短幅外摆线目前有两 种生产方法，分别为外滚法和内滚法。外滚法是滚圆位于基圆外部，两圆相外切； 内滚法则是基圆位于滚圆内部，两圆相内切。 2 2 1 1 外滚法形成外摆线 如图2 1 所示，圆0 1 与圆0 2 外切，r l ，r 2 分别为其半径。当圆0 2 沿着圆 o 。作连续的纯滚动时，与圆0 2 相固连的点m l 在圆o l 所在平面的运动轨迹线为 外摆线。圆o l 称作