（机械设计及理论专业论文）齿轮泵马达一体机理论研究.pdf

摘要 摘要 设计了一种新型的液压系统齿轮泵马达一体机，它是由行星齿轮泵和多 齿轮变量马达组成，在中间壳体上安装换向阀以实现马达的换向，改变中间壳体 的形状可以改变输入轴和输出轴的角度。由于行星齿轮泵的流量脉动比普通外啮 合齿轮泵小、多齿轮马达的扭矩脉动是普通外啮合马达的1 9 ，则齿轮泵马达一 体机的脉动大大减小了，从而降低系统的噪音污染。 本文首分析了齿轮泵马达一体机中行星齿轮泵的瞬时流量特性和多齿轮马 达的瞬时扭矩特性，并对其进行仿真，将分析的结果与普通齿轮泵和马达进行比 较。 其次建立了齿轮泵马达一体机的实体模型，并利用有限元分析软件对行星齿 轮泵和多齿轮马达的端面和径向泄漏分别进行流场仿真分析，并得到压差为 2 m p a 时，不同的端面、径向间隙与泄漏流量的关系，为进一步分析齿轮泵一马达 一体机的内部流场奠定基础。 然后建立了以体积和瞬时脉动最小的多目标行星齿轮泵和多齿轮马达的优化 数学模型，并利用优化工具箱得出了优化结果。 最后在齿轮泵马达一体机实体模型的基础上建立数学模型，推导传递函数并 画出方框图，分析了不同粘性阻尼系数、泄漏系数对齿轮泵马达一体机动态特性 的影响。 图 6 8 】 关键词 特性 分类号 表 9 】参 6 9 】 齿轮泵马达一体机；瞬时流量；瞬时扭矩；流场仿真；优化设计；动态 ( t h 3 2 5t h l 2 2 ) ； 安徽理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，an e wh y d r a u l i cs y s t e m m t h eg e a rp u m p - m o t o ru n i t ym a c h i n ei s d e s i g n e d ，w h i c h i s c o m p o s e do ft h ep l a n e t a r yg e a rp u m pa n dm u l t i p l e g e a r v a r i a b l e d i s p l a c e m e n tm o t o r c h a n g ev a l v ei si n s t a l l e di nt h em i d d l eo ft h es h e l lt o r e v e r s i n gt h em o t o ra n da n g l eo ft h ei n p u ta n do u t p u ta x i sc a nb ec h a n g e db yd i f f e r e n t m i d d l es h e l ls h a p e d u et ot h ep l a n e tt h a no r d i n a r yg e a rp u m pf l o wp u l s a t i o nm e s h i n g g e a rp u m pi ss m a l l ，m a n yo u t s i d et h em o t o rt o r q u er i p p l eo fg e a rm e s h i n gm o t o ri s s t u d e1 9 ，p u l s a t i o no ft h eg e a rp u m p m o t o ru n i t ym a c h i n ei sg r e a t l yr e d u c e d ，a n da l s o t h es y s t e mn o i s ep o l l u t i o n f i r s t l y ，a n a l y s et h ei n s t a n t a n e o u sf l o wc h a r a c t e r i s t i co ft h eg e a rp u m p m o t o ru n i t y m a c h i n ea n di n s t a n t a n e o u st o r q u ec h a r a c t e r i s t i co ft h em u l t i p l eg e a rm o t o r ，w i t h s i m u l a t i o nc a r r i e do na tt h es a m et i m e ，w h o s ea n a l y s i sr e s u l t si sc o m p a r e dw i t ht h e o r d i n a r yg e a rp u m pm o t o r s e c o n d l y ，p h y s i c a lm o d e lo ft h eg e a rp u m p m o t o ru n i t ym a c h i n ei se s t a b l i s h e d ， a n df l o wf i e l ds i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ee n da n dr a d i a ll e a k a g ea r es e p a r a t e l yw o r k e d o u tb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e r e s u l ts h o w st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n d i f f e r e n te n df a c e s ，r a d i a lc l e a r a n c ea n dl e a k a g ef l o ww h e nd i f f e r e n t i a lp r e s s u r ei s 2 m p a , w h i c hl a y saf o u n d a t i o nf o rf u r t h e ri n t e r n a lf l o wf i e l da n a l y s i so ft h eg e a rp u m p a n dm o t o ro n em a c h i n e a l s o ，o p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e l so fm u l t i o b j e c t i v ep l a n e tg e a rp u m pa n d m u l t i p l eg e a r sm o t o ra r ee s t a b l i s h e d ，w h i c hs h o w sas m a l l e s tv o l u m ea n dm i n i m u m i n s t a n t a n e o u sp u l s e f i n a l l y ，b a s e do np h y s i c a lm o d e l ，m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h eg e a rp u m p - m o t o r u n i t ym a c h i n e a r e e s t a b l i s h e d ，t r a n s f e r f u n c t i o n sd e d u c e da n db l o c k d i a g r a m d r a w e d a tt h es a m et i m e ，d i f f e r e n td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg e a rp u m p - m o t o r u n i t ym a c h i n ec a u s e db yd i f f e r e n tv i s c o u sd a m p i n gc o e f f i c i e n ta n dl e a k a g ec o e f f i c i e n t a r ea n a l y z e d f i g u r e 【6 8 】t a b l e 9 】 r e f e r e n c e 6 9 】 k e y w o r d s ：g e a rp u m p m o t o ru n i t ym a c h i n e ；i n s t a n t a n e o u sf l o w ；i n s t a n t a n e o u st o r q u e ； f l o wf i e l ds i m u l a t i o n ；to p t i m i z a t i o nd e s i g n ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h 3 2 5 ；t h l 2 2 i i 引言 引言 在我国科学技术的高速发展和现代化工业生产水平的快速提高进程中，机电 液一体化和计算机技术的应用是液压系统发展的趋势，而高性能的液压元件是液 压系统发展的基础，研究新的液压系统特别是大流量、低脉动的液压系统显得尤 为重要。 作为液压动力元件的泵和执行元件的马达存在诸多缺点，主要体现在径向力 不平衡、压力脉动比较大、不能变量等，从而限制其使用场合。近年来，本课题 组一直在对齿轮泵、马达和流量计进行理论研究和探索，特别是对齿轮泵如何变 量提出了一系列的方案，从设计普通的变量齿轮泵到多齿轮变量泵。 本课题研究的齿轮泵马达一体机是一个新的液压系统，它是由行星齿轮泵和 多齿轮马达组成。行星齿轮泵是有一个中心轮、三个径向轮和一个内齿轮组成， 它的特点体现在：排量比较大、齿轮径向力平衡则传动比较平稳、流量脉动小。 由于行星齿轮马达的结构比较复杂，实现变量困难，则采用多齿轮马达，它的机 构简单，由一个中心轮和三个径向轮组成，中心轮上径向力平衡，扭矩脉动是普 通外啮合马达的1 9 ，结合两者的优点我们设计了齿轮泵马达一体机。在连接泵 和马达的中间壳体上安装调速阀以实现马达的换向，使系统更加完善。 该泵马达一体机排量大、噪音小、压力脉动小，符合现代化设计理念，应用 前景比较广阔，为了进一步完善此液压系统，对其进行深入的研究和探讨是必不 可少的。 1 绪论 1绪论 1 1 齿轮泵和马达的研究现状及发展趋势 在液压技术中，液压泵作为动力元件为液压系统提供具有一定流量和压力的 油液，它是由电动机或其它机械提供动力，而液压马达作为执行元件是利用压力 介质( 液压油) 使其产生动力，将液压能转化为机械能。大多数场合，液压泵和 液压马达是可逆的，二者结构类似，但是由于制造的时候，考虑两者的工况的不 同，为了是它们工作得更好，增加了一些辅助的、泄压或者加压的槽孔之类的， 使得二者不能通用，两者结构上的差异具体体现在【l ，2 j ： 1 液压泵大多数场合是单向旋转，而液压马达则需要正反转，所以马达的内 部结构对称。 2 液压泵的进油口比排油口大，这是为了减小径向力和吸油阻力。但是马达 没有此要求，因为马达的低压腔压力比大气压高一点。 3 液压泵在结构设计上要保证具有自吸能力，而液压马达没有此项要求。 4 泵采用动压轴承，而液压马达需采用静压轴承或者滑动轴承，这是因为马 达要在转速很宽的范围内工作，当转速很低时，采用动压轴承不易生成润滑膜。 目前德国，美国，日本，瑞士等国，对齿轮泵和马达进行了深入的研究，他 们在原有的产品的基础上进行改进，研发了新产品。由于我国的工业起步比较晚， 对齿轮泵和马达的研究也比较晚。齿轮泵马达一体机国内外研究的比较少，但是 关于泵和马达的研究国内外的比较多。 江苏大学b a op e i d e 设计了一种行星齿轮传动装置，新的装置包括行星齿轮传 动和齿轮减速装置，将泵和马达直接相连，此装置具有速度可变的优势。这种设 计满足流量可调和“南水北调”项目的需要【3 】。 有关齿轮泵( 马达) 国内外的研究主要集中在以下几个方面： 1 齿轮泵( 马达) 结构参数和优化设计 4 - 8 】。齿轮泵( 马达) 参数选取的是否合理 对其性能和寿命有着直接的影响。液压系统中，有些地方需要泵( 马达) 体积小、或 是延长轴承的寿命作用在齿轮上的径向力比较小、或是流量均匀性要求比较高， 由于要求不同，建立的数学模型也不相同【9 1 0 】，以径向力最小、脉动最小和体积最 小为分目标函数，根据场合不同选取相关目标函数进行优化1 ； 2 减小齿轮泵流量( 马达扭矩) 脉动的途径1 2 - 1 6 ，系统的流量脉动会引起压力 脉动，从而产生振动和噪音，行星齿轮泵( 马达) 和内齿轮泵( 马达) 能有效的降低流 量( 扭矩) 脉动【1 7 ，18 1 。 3 一 安徽理工人学硕士学位论文 3 研究齿轮泵( 马达) 的变量方法【1 9 , 2 0 ，齿轮泵( 马达) 排量不可变限制了它的 使用场合，近些年来关于齿轮泵( 马达) 的变量也越来越多。 1 9 8 6 年就有变量齿轮泵的发明专利出现，它是在齿轮轮齿上使用密压囊结 构，这种变量方式不但解决了困油现象，降低了噪音，还提高了它的使用性能， 特别是使用在一些大流量而且需要变量的液压机械中【2 。 湖北工业大学刘绍海设计了直线型共轭内啮合齿轮变量泵，采用转动轴套， 轴套上开有分流槽，当轴套转动时，高低压腔转的过渡密封区夹角发生变化，使 得高压油迸入吸油腔，从而实现变量【2 2 】。 武汉理工大学机电工程系设计出摆线内啮合变量齿轮泵，此泵在变量的同时 不损耗液压功率，旋转的配流盘不仅能把压油腔排出的一部分高压油闸掉，而且 其对应的结构还能把闸掉的高压油引入吸油腔已达到齿轮泵的变量【2 3 1 。 葛开茂设计了一种变量齿轮泵，泵体是有一对外啮合齿轮泵组成，齿轮两端 安装了密封结构以防止油液外流，一个齿轮齿轮轴向固定，另一个齿轮可轴向移 动，可轴向移动齿轮一端套一个内部形状与其齿形相吻合并且轴向位置确定的密 封用内齿圈，另一端与调节轴上密封体接触，调节轴与控制机构相联接从而达到 轴向移动【2 4 j 。 四川省长江液压件厂的杨德贵、钟定莲设计了一种径向移动变量齿轮泵( 马 达) ，泵和马达设有控制变量的装置，侧板为外径大小不等的两块拼接而成，从 动齿轮与泵壳之间有一个可径向移动的定子，变量机构移动定子时，定子带动从 动齿轮一起移动使齿轮啮合的重叠系数和中心距改变；在重叠系数最大和大于1 范围内，主从动齿轮的中心距越小则流量越大，反之，则越小。泵( 马达) 为内 啮合时，支承内齿轮、外填隙片一起径向移动，内外填隙片有两个平行于齿轮连 心线的滑动面起密封作用，变量原理与外啮合一样 2 5 1 。 高级工程师安致民，曾任石家庄煤矿机械厂总工程师，河北机械工程学会煤 炭协会理事。他设计一种可变量齿轮泵，解决了多年来困扰在齿轮泵应用中的一 项难以逾越的关键，即当一对运转中的齿轮，被动齿轮进行轴向位移时，所形成 的工作容积无法形成封闭状态。此种变量泵有四个特殊结构的衬套，具有轴向圆 弧槽衬套和圆柱衬套交错支承着一对齿轮副，这样，在泵体内可实现齿轮与衬套 无阻挡、无干涉地沿轴向进行同步位移。位移进行中，啮合长度发生变化，则为 不断变化的工作容积存在于啮合齿面与齿轮轮齿端面贴紧的衬套端面组成的封闭 状态中，从而，实现了齿轮泵无泄漏的变量。此泵能在一定范围内取代可变量的 柱塞泵和叶片泵，其技术、经济效果意义重大1 2 6 】。 4 1 绪论 美国阿肯色大学t a y 和c o l e 设计了具有压力补偿的可变量齿轮泵，改泵维护 方便，继续开发这一新概念的目标在商业上是可行的【2 7 1 。 m a n c o 和n e r v e g n a 设计了一种变量内齿轮泵，它是由一【2 7 】个固定的位移装 置能够调节速度，减少输出流量，通常润滑油在发动机转速比较高时，从泵中输 出流量减少，大多数油液进入安全阀，这个过程显然浪费了能量。m a n e o 和 n e r v e g n a 通过对此变量内齿轮泵进行理论分析，对其进行复杂的建模和仿真，并 与样机试验结果进行对比【2 8 】。 d e l t ap o w e r 公司采用电液比例调速阀或d c 电机调速阀与齿轮泵、马达 结合的方案大大提高其功能、降低系统成本及提高系统可靠性。可用比例放大信 号实现变量调速，其性能接近价昂、复杂的柱塞泵。d e l t ap o w e r 的变量齿轮 泵、马达在外壳上直接安装比例控制阀或d c 电机调速阀，可省去泵、马达与方 向阀之间管路，从而控制了成本。较少管件及连接件可减少泄漏，从而提高工作 可靠性。而且泵安装阀后本身可降低回路的循环压力，提高其工作性能。 图1 变量齿轮泵 f i g 1v a r i a b l ep u m p 4 如何实现齿轮泵( 马达) 高压化【2 9 - 3 2 ； 宁波华液机械制造有限公司生产了一种i g p 型高压低噪音内啮合齿轮泵，该 泵的承载能力大其额定压力能达到3 1 5 m p a ，容积效率9 1 ，工作噪音6 0 d b ，可 应用于一些组合机床、行走机械等【3 3 】。 一5 - 冒髀 安徽理工大学硕士学位论文 5 齿轮泵间隙补偿和优化技术【3 4 。3 8 】，齿轮泵的径向和端面间隙补偿对提高齿 轮泵的排量和效率起着有效的作用。 上海机床厂引进美国v i c k e r s 公司生产的g p a 型的内啮合齿轮泵，用固定 的月牙块将泵的内外转自分开，没有间隙补偿，此泵的转速范围5 0 0 3 0 0 0 r m i n ， 排量1 7 6 6 3 m l r ，额定压力10 m p a 。 德国的v o i t h 公司生产了一种内啮合齿轮泵，内外转子为修正渐开线齿轮， 用活动的月牙块将泵的内外转子分开，有轴向端面间隙补偿，泵的转速范围 4 0 0 3 6 0 0 r m i n ，排量3 5 2 5 0 m l r ，额定压力3 3 m p a ，此泵的容积、机械效率都 很高【3 9 1 。 随着经济的发展，对齿轮泵和马达的要求越来越高。低噪音、低脉动、大排 量和高压化已成为研究的主流【4 0 l 。本课题组通过长期以来对齿轮泵、马达和流量 计进行了的理论研究和探索，设计了一系列的不同结构的齿轮泵、马达和流量计， 有的已进行了样机试验，在已有的研究基础上我们设计了齿轮泵马达一体机。 1 2 本课题研究意义 本课题研究的齿轮泵马达一体机主要是主要解决齿轮泵和马达结构的优化设 计、降低齿轮泵的流量脉动和齿轮马达的扭矩脉动、齿轮马达变量方法的研究。 一般液压系统中，泵、马达、阀之间采用管路连接三者都要固定，为了结构 的紧凑和固定的方便我们将泵马达做成一体，电动机直接带动齿轮泵马达一体机 输出扭矩。在一些安装空间不够，要求结构紧凑时我们可以采用齿轮泵马达一体 机，通过改变中间壳体的形状改变输入轴和输出轴角度的变化。为了降低齿轮泵 的流量脉动和齿轮马达的扭矩脉动，将齿轮泵设计成行星结构，马达设计成多齿 轮马达。在齿轮泵马达一体机的中间壳体上安装换向阀以实现马达的换向。中间 壳体上还需要安装安全阀，安全阀在系统中起安全保护作用，是根据系统的工作 压力自动启闭，当系统超过安全阀设定压力时，即自动开启泄压，保证在设定压 力之下，从而保护设备的正常工作，防止发生意外，减少损失1 4 。 本论文研究了马达的变量方法，分别是在齿轮泵马达一体机上安装调速阀和 在中间壳体上设计一个手柄调节齿轮轴径向移动从而改变齿轮啮合的宽度，已达 到马达变量的目的。由于节流阀的刚性差，工作流量受工作负载变化的影响，不 能保证马达运动速度的稳定，为了改善调速系统的性能，通常是对节流阀进行压 力补偿，补偿的方法是采用调速阀，利用流量的变化调节阀两端的压力差1 4 2 j 。调 速阀可有安装在进油口、出油口、旁路上，设计方案中有详解这里不再一一阐述。 6 1 绪论 该系统可广泛应用于农用机械、船舶机械、港口机械、工程机械、采矿机械等的 液压系统中。 1 3 齿轮泵马达一体机的设计方案 齿轮泵马达一体机设计方案主要有两种，区别在于马达的变量方式不同，一 种是采用调速阀控制马达变量，另一种是马达自身的结构实现变量。 1 3 1调速阀式节流调速系统 节流调速是由定量泵、流量控制阀、溢流阀和执行元件等组成。通过改变流 量控制阀口的开度来控制流入或流出执行元件的流量，调节执行元件的运动速度。 这种回路的优点是结构简单，成本低，维护方便。由于泵的流量固定，随着执行 元件所需流量的改变，一部分油液就由溢流阀或节流阀( 旁路节流时) 流回油箱， 白白的损失掉这部分流量。因此效率低，发热大，一般这种调速方式多用于功率 较小及非经常性调速的场合，所以机床上用较多，而采掘机械则较少用。将马达 的输出转速和调速阀阀口面积之间的关系定义为回路的速度特性【4 3 1 。由于节流阀 在负载变化时，速度平稳性比较差，而调速阀能在负载变化条件下确保阀口两端 压差几乎不变，因而采用调速阀代替节流阀来改善回路的速度一负载特性1 4 4 1 。节 流调速回路按照调速阀安装位置的不同可分为进油节流、出口节流、旁路节流和 复合节流几种，这里我们主要讨论前三种调速阀式的节流调速系统。 z 图2 进油口节流调速回路 f i g 2m e t e r - i ns p e e dc o n t r o lc i r c u i t 将调速阀安装在进油口上的调速回路如图2 所示，它由定量泵、溢流阀、调 速阀、换向阀及液压马达组成。通过改变调速阀开口量的大小，来调节进入马达 的液体流量，进而改变马达的转速，定量泵输出的多余液体由溢流阀流回油箱。 因此为了完成调速功能，不仅调速阀的开口大小能够调节，而且溢流阀始终处于 7 安徽理工大学硕士学位论文 开启状态，溢流阀在此回路中主要是调整系统的工作压力和将泵输出的多余液体 流回油箱。 图3 出油口节流调速回路 f i g 3m e t e r - o u ts p e e dc o n t r o lc i r c u i t 将调速阀安装在出油口的调速回路如图3 所示，工作原理与进油口节流调速 回路类似。它的优点体现在可承受负向负载，运动平稳；油液经过调速阀发热后 直接进入油箱冷却，减少对系统泄漏的影响。缺点是回油腔压力高，能力损失较 大，对管路和防泄漏的要求较高。 将调速阀安装在旁路上的调速回路如图4 所示，定量泵的流量是不变的，其 中一部分油液进入液压马达输出扭矩，剩余的那部分油液经过调速阀流回油箱。 图4 秀路节流调速l 叫路 f i g 4b y - p a s ss p e e dc o n t r o lc i r c u i t 通过调节调速阀阀口的面积来改变流入液压马达的流量，从而达到调节马达输出 扭矩的目的。如果不考虑换向阀的压力损失，则马达的工作压力等于齿轮泵的供 油压力，它的大小取决于负载。回路中，由于调速阀起到“分流调速”的作用，故 溢流阀只起安全阀的作用【4 引。当调速阀关闭时，泵的流量全部进入马达，调速阀 打开时，部分压力油从旁路流回油箱，马达的运动速度减慢。调速阀的阀口调的 越大，旁路流阻就越小而流量越大，于是马达的速度相应减慢【4 6 1 。旁路节流调速 8 l 绪论 回路适用于速度高，负载大的一些场合，回路中齿轮泵的泄漏对马达的速度影响 较大。 o ee f ( a ) 进、出口调速阀式回路特性( b ) 旁路调速阀式回路特性 图5 调速阀式节流调速回路特性 f i g 5c i r c u i tc h a r a c t e r i s t i co f t h es p e e dc o n t r o lv a l v e 由调速阀组成的进口、出口调速回路的速度负载特性如图5 ( a ) 所示，当液压 马达的负载在0 只之间的变化时其速度不会随之变化，彳表示阀i s 面积。当负 载大于f 时，由于调速阀的工作压差已小于调速阀正常工作的最小压差，其输出 特性与节流阀式节流调速回路相同，因此其速度随负载的增大而减小；当负载增 大到只时，马达停止运动【4 7 1 。旁路节流调速回路的速度负载特性如图5 ( b ) 所示。 当负载小于f ，由于调速阀的工作压差小于它正常工作的最小压差，则其输出特 性与节流阀相同。当马达的负载力在f e 之间时，负载增大，速度有所减小， 但是幅度不大，这是由定量泵泄漏造成的。液压泵的泄漏量随负载增大而增多， 当负载增大到一时安全阀开启，马达停止运动【4 5 0 | 。 对三种油路特性比较进油节流调速回路比较适合，通过对阀口面积的调节从 而调节马达的流量。齿轮泵马达一体机的三维模型如图6 所示，在齿轮泵马达 一体机的中间壳体上设计个凸台，并开七个口作为油液进出口，1 口和中间壳体 相通，低压油经过右边的泵转化成高压油从1 孔流出，凸台上1 、2 口之间是密封 的，油液无法通过，在l 、2 口上叠加一个调速阀，油液由1 口进入调速阀，经过 调速阀进入2 口，2 、3 口是相通的。3 、4 、5 、6 口接三位四通电磁换向阀，4 、 5 口跟马达腔体连接，油液由3 口进入换向阀，当电磁换向阀断电时，油液从4 进入马达腔体，高压油经过马达带动齿轮转动从而变成低压油，从5 口流入换向 阀经过6 口到7 口，6 、7 口相通，7 口外接油缸。若电磁换向阀通电时油液经过 换向阀后从5 口进入马达腔体，从4 口在流入换向阀，这就实现了马达的换向。 其中调速阀和电磁换向阀可直接购买安装在壳体上。 9 安徽理工大学硕士学位论文 i 、瑚调速阀3 、4 、5 、濉三位四通换向阀撒油缸 图6 齿轮泵马达一体机装配图 f i g 6g e a rp u m pm o t o ru n i t ym a c h i n ea s s e m b l yd r a w i n g 1 3 2 定量泵变量液压马达系统 使用定量泵供油，通过调节变量马达的排量来控制系统的流量，达到调速的 目的。通过三位四通电磁阀改变液压油的流向来改变马达的旋转方向。回路中设 有安全阀防止回路过载。其回路如图7 所示，若不计损失时，泵输出的功率斥全 部成为马达的输入功率，则有 晶= 昂= q b p = 昂刀m p = 2 n n m 即 n m = 业，昂= 警= _ q b p n a q m z 兀 z t g n m 式中齿轮泵的转速，r s ； ，z m 齿轮马达的转速，r s ； 图7 定量泵一变量马达调速回路 f i g 7q u a n t i t a t i v ep u m p - - - v a r i a b l em o t o rs p e e dc o n t r o lc i r c u i t 1 0 1 绪论 q r 齿轮泵的排量，m 3 r ； g m 齿轮马达的排量，m 3 r ； p 回路工作压力，r s 。 液压系统中由于泵是定量泵，马达是变量马达，则上式中和g b 为常数，刀m 和g m 为变量。在不考虑回路泄漏时，液压马达的转速为 铲京 式中q b 为定量泵的输出流量，由此可以推导出，变量液压马达的排量q m 与 其转速成正比，当排量最小时，变量马达的转速最高。其理论与实际的 特性曲线如图8 所示。当外负载要求的工作压力低于允许的最大压力时，液压马 达输出的功率和扭矩都小于其可能输出的最大功率，由于马达机械摩擦损失，当 其排量小于某一数值g m m i 。时，所产生的扭矩不足以克服马达自身的摩擦阻力，马 达就不会转动，因此变量马达存在“死区”( 即q m g m m i 。那段区间) 。马达转速与 其本身的排量呈双曲线关系。马达机械效率和容积效率越低，负载力矩越大，“死 区”g m m i 。值就越大。整个过程如果采用马达换向，那么在换向瞬间要经过“高速一 零速一反向高速”的突变过程，不能平稳换向，所以采用换向阀来实现换向。 ”m 凡 d 图8 定量泵一变量马达调速系统的特性曲线 f i g 8q u a n t i t a t i v ep u m p - - v a r i a b l em o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e m c h a r a c t e r i s t i c sc h iv e 齿轮泵马达一体机中的马达是多齿轮马达，设计成变量的多齿轮马达相对于 普通齿轮马达来说比较复杂，我们从研究普通外啮合齿轮马达变量原理从而进一 步的去研究多齿轮马达的变量。对于一对齿轮啮合的马达，要保证变量马达具有 良好的密封性，手柄与马达端盖需采用螺纹和接口连接，为了防止手柄旋转接口 转动削平接口四边，接口前段采用比较大的螺母使其固定在端盖上，后端的阶梯 凸台一方面可固定密封环防止泄漏，另一方面可保证接口与端盖的轴向联接。旋 转手柄时，推杆移动同时推动轴套及齿轮轴一起移动，实现流量的变化。装配图 如图9 所示，轴套的结构如1 0 所示。 安徽理工大学硕士学位论文 图9 普通变量马达装配图图1 0 轴套装配图 f i g 9c o m m o nv a r i a b l em o t o ra s s e m b l yd r a w i n g f i g 10s l e e v ea s s e m b l yd r a w i n g 多齿轮变量马达的原理与普通外啮合马达类似，在凸盘上设计三个小凸台， 旋转手柄时推杆推动凸盘，凸盘上的凸台推动径向轮上的轴套使得径向齿轮轴向 运动，齿轮啮合的宽度发生变化从而改变马达的排量。多齿轮马达和轴套的装配 如图1 1 和图1 2 所示。 图l l 多齿轮变量马达装配图图1 2 轴套装配图 f i g 1 1m u l t i p l eg e a rv a r i a b l em o t o ra s s e m b l yd r a w i n g f i g 12s l e e v ea s s e m b l yd r a w i n g 将变量马达的结构用于齿轮泵马达一体机中，由于马达的一边是输出轴，一 边与泵用中间壳体相连，所以，手柄不能设计在马达端盖侧面上，应该设计成如 图1 3 所示，旋转手柄，接口随着手柄上下移动但是不发生旋转，前进时推动侧板 轴径向移动，侧板上有三个凸盘如图1 4 所示，当侧板移动时凸盘推动径向轮上的 轴套运动从而改变了齿轮的啮合宽度。齿轮泵马达一体机中马达的换向还是采用 电磁换向阀，在中间壳体上安装凸台，如图6 所示，由于不需要调速阀改变马达 的排量，所以1 、2 口就不存在了，只需要在中间壳体上叠加一个换向阀。 1 2 1 绪论 图1 3 多齿轮马达变量方式 图1 4 侧板结构图 f i g 13m u l t i p l eg e a rm o t o rv a r i a b l ew a y f i g 14s i d es t r u c t u r e 若将齿轮泵马达一体机的中间壳体形状改变成如图所示，那么输入轴和输出 轴互相垂直，模型如图1 5 所示。 图1 5 输入输出轴垂直的齿轮泵马达一体机 f i g 15i n p u ta n do u t p u ta x i sv e r t i c a lg e a rp u m p - - - m o t o ru n i t ym a c h i n e 1 4 本课题的主要研究目的和研究内容 1 4 1 本课题的主要研究目的 本文研究的目的主要有如下几点： 1 分析研究齿轮泵马达一体机在瞬态下的流量脉动性或不均匀性，进行参 数匹配技术研究，获得品质优良的行星齿轮泵流量特性。 2 对齿轮泵马达一体内部泄漏进行仿真，提高其性能和设计水平。 3 对齿轮泵马达一体机结构参数进行优化设计，同时对现有的机构方案提 出合理化改进意见。 1 3 安徽理工大学硕士学位论文 4 建立齿轮泵马达一体机仿真模型，研究了一些重要结构参数对其的动态 响应的影响，为系统优化提供了理论依据。 1 4 2 本课题的研究内容 1 齿轮泵和马达的研究现状 搜索了大量关于液压泵和液压马达的资料，深入了解了齿轮泵和马达的研究 现状，着重了解了齿轮泵和马达的变量方法，在此基础上设计了泵马达一体机。 并提出了几种设计方案，加以比较最终选择了齿轮定量泵变量马达一体机。 2 齿轮泵马达一体机的流量和扭矩特性分析 通过研究普通外啮合齿轮泵的瞬时流量特性和马达的瞬时扭矩特性，推导出 行星齿轮泵的瞬时流量特性和多齿轮马达的瞬时扭矩特性，并利用m a t l a b 软 件进行仿真。 3 齿轮泵马达一体机的流场仿真 利用三维软件s o l i d w o r k s 建立齿轮泵马达一体机的三维模型，并简化模型， 利用s o l i d w o r k s 中的插件f l o ws i m u l a t i o n 分别对行星齿轮泵和多齿轮马达进行内 部流场仿真。 4 齿轮泵马达一体机的结构优化设计 对齿轮泵马达一体机进行优化设计，以瞬时脉动最小和体积最小为双目标， 分别建立行星齿轮泵和多齿轮马达的优化数学模型，利用m a t l a b 中的优化工 具箱对其进行优化得到最优解。 5 变量马达的动态特性分析 分析了变量马达的动态特性，并画出方框图从而列出传递函数，由于齿轮材 料选择的不同，导致马达转动惯量不同，在其它条件不变的情况下，在m a t l a b 编程得到转动惯量不同时的b o d e 图，研究转动惯量对马达动态性能的影响，同 时也研究了阻尼系数和泄漏系数对马达动态性能的影响。 1 4 - 2 齿轮泵马达一体机的特性分析 2 齿轮泵马达一体机的特性分析 齿轮泵马达一体机有行星齿轮泵和多齿轮马达组成，分析其性能主要是分析 行星齿轮泵的流量特性和多齿轮马达的扭矩特性。再通过m a t l a b 软件对行星 齿轮泵的流量特性和马达的扭矩特性进行仿真。 2 1 行星齿轮泵流量特性研究 对于行星齿轮泵的几何排量，是指中心轮转一周时它的密封工作容积的变化 量。对于标准齿轮，一对齿轮啮合时的几何排量为中心轮的齿顶和齿谷容积之和。 则一对齿轮外啮合，中心轮转一周时的几何排量为2 r i m 2 z b ；对于一对齿轮内啮 合时，它的几何排量也近似为2 z c m 2 互b 【5 1 1 。当多对齿轮啮合时它的几何排量为 q 8 = 2 n q = 4 n x m 2 z l b ( 2 一1 ) 式中： g 中心轮构成的外齿轮流量计几何排量，q = 2 n - m 2 毛b ； m 行星齿轮泵齿轮的模数； b 行星齿轮泵齿轮的齿宽； 行星齿轮泵的惰轮数； z ，中心轮齿数。 由于，径向轮的个数为3 ，则 q b = 1 2 t o m 2 z l b ( 2 - 2 ) 行星齿轮泵的理论排量比其几何排量稍大些，这是因为齿轮泵的齿间容积比 轮齿的有效体积大，当齿数变小时差值变大。为此将几何排量乘以修正系数k 对 其进行补偿，修正后的排量为： q b = 1 2 万k m 2 z l b ( 2 - 3 ) 一般k = 1 0 6 1 1 1 5 。k 是根据齿数大小决定的：当z = 6 时，可取k = i 1 1 5 ； 而当z 三2 0 时，可取k = i 0 6 ，即齿数越小k 值越大。 则行星齿轮泵的理论流量q ，为 q = ，2 1 = 1 2 z c m 2 b z l 碍= 1 2 t o m 2 1 1 2 = 1 2 a m 2 如惕 ( 2 4 ) 式中： 而、z 2 、乙中心轮、径向轮、中心轮的齿数； 、n 2 、惕中心轮、径向轮、中心轮的转速； 齿轮泵的平均流量定义为单位时间内的排液体积，即q = v t 。瞬态流量即 1 5 安徽理工大学硕士学位论文 某一瞬时的排液体积或当t 一0 时的排液体积，即o = d v d t 。由于液压泵是液 压系统的动力源，液压泵的瞬态流量特性对液压系统的工作质量有着决定性的影 响。若齿轮泵的瞬态流量脉动大，会造成马达回转的均匀性变差和马达的压力脉 动，从而引起整个液压系统振动，产生噪音，对整个系统都会造成严重的影响。 因此，需要对泵的瞬态流量进行分析，找出影响流量脉动的因素，作为设计时选 取有关参数的依据。液压泵的瞬态流量特性的评价指标是流量脉动系数皖和流量 脉动频率。嚷较小而较高是理想的。 2 1 1普通外啮合齿轮泵瞬态流量特性及仿真1 5 2 j 现讨论普通外啮合齿轮的瞬态流量特性，工作原理如图1 6 所示，齿轮2 在d f 时间内转过姒角时，齿轮l 转过如角，两者的关系为： q 群= 2 趟趟2 d t = 脚l d tjd 仍= 掣仍缁 ( 2 - 5 ) 式中皑、，齿轮l 、2 的角速度； 尉、硝齿轮1 、2 的节圆半径； 齿轮1 和齿轮2 位于压油腔的齿面所扫过的容积d k 和d t ：分别为 晔叫挚一挚睁b 瑚姒 协6 ) d = b ( 笠争一挚 = 詈( 砭一砭) 蚬= 詈( 砭一砭) 簧姒c 2 式中r 。、兄：齿轮1 、2 的齿顶圆半径； r 。、r 2 齿轮1 、2 的瞬态啮合半径； 牟! 1 1 黜盟墨!翳瘊 颦隆l - 图1 6 一对外啮合齿轮工作示意图 f i g 1 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f o n ec o u p l ee x t e r n a lm e s h i n gg e a r s 从压油腔排出的总容积为 1 6 2 齿轮泵马达一体机的特性分析 d 矿= d k + d = 詈 ( 焉一尺三) + c r 己一砭) d 仍 则排出液体的瞬态流量 纵，= 业d t = 争降r c 2 1 ) + 矿r 1 ， r 2 ：一砭) ( 2 - 9 ) 式中的疋。、疋：应用三角函数进行化简。有图1 7 中的几何关系可知： 其中 将式( 2 1 1 ) 代入式( 2 - 1 0 ) ，则有 d c 图1 7 啮合点与齿轮中心的几何关系 f i g 17g e o m e t r i cr e l a t i o n so fm e s h i n gp o i n ta n dg e a rc e n t e r 齿轮的齿顶圆半径足。、r a 2 和碍、趟、巧、噬的关系为 将式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 代入式( 2 9 ) 并整理，得 1 7 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 妒妒 一 + 碍 l，- + + 枣矿 = l i 碟砭 ，【 口冶 砰 哪 s 2 产， 气 = 毋耻 湖训 ，广 = = ，。、 卜， 冽撇 砰砰 = i i 砭 砰叫卅姒 铊、 群叫 2 啦， 柳噬硝避 乩 碟砭 安徽理工大学硕士学位论文 舭，= 譬陋均w 噜蟛一旧h 协 式中口啮合角； p 啮合点c 到轴线d 1 p ，的距离； k 啮合点c 在轴线q d 2 上投影点m 到节点p 之距离； 曰齿轮的宽度； 中心轮的角速度； 剧、硝中心轮、径向轮的节圆半径； 硝、j i z ：中心轮、径向轮的齿顶高； 厂啮合点c 到节点尸之距离。 由渐开线齿轮啮合的理论可得 r b i 、仍关系如下，即 f = r b l 仍= r b 2 仍 ( 2 - 1 5 ) 式中风，、民2 中心圆、径向轮基圆半径； 仍、仍啮合点运动到节点时中心轮、径向轮的转角，缈= c o t 。 将相应参数代入( 2 9 ) 式则有 啪，= 譬陋州州2 噜蟹一阳一 协 上式中= 2 ，矾，曩= 孚，砭= 孚，h ：= 吃聊，绣= 绣肌，r ：= 下m z 2 c o s a n ， 把公式带入( 2 1 6 ) 式中化简得： q w ：b r c n m 2 ( 玺世) 一男；r n m 2 ( 奄蔓) c o s 2 0 t n ( , 0 2 ( 2 - 1 7 ) z 1 t 二i 将( 2 1 7 ) 写成q w ( f ) = 口1 - b i ( 0 2 ，此函数为周期函数，周期为t = 2 t c z z ，式中 0 1 = b l r n m 2 ( 竺半) ，岛= b 石刀聊2 ( 互专) c 。s 2 ，图1 8 所示的是一对外啮 合齿轮泵的瞬态流量示意图。 因为瓯( ，) 是关于仍的二次函数，其中仍2 瓦p b2 荔荔r c m i c 丽o s o r 2 三，所以 在f = 0 ，仍= o ，f = 2 仍= 0 ，q w ( r ) 取最大值q 一，当齿轮进入或退出啮合时，即 重叠系数s = 1 、啮合线总长度l = 见时，0 ( ，) 取最小值9 w 曲，则 1 8 2 齿轮泵马达一体机的特性分析 q ( ，) j一对外啮合齿轮泵瞬态流量 厂 司。 三0三 堑堑竺 一9 z p 汹 ， 一一一一 图1 8 外啮合瞬态流量不蒽图 f i g 18t r a n s i e n tf l o wd i a g r a mo fe x t e r n a lg e a r i n g q w 一：b z n m z ( 鱼型至堕) ( 2 1 8 ) z l q w m i n = b z n m ：( 华) 一b z 3 删2 ( 等) c o s 2 ( 2 1 9 ) 齿轮泵的流量脉动系数瓯作为描述流量品质的重要参数之一，有以下三种定 义方式： 皖：q m a x - - q m i n ：丝 ( 2 2 0 ) 、 踢锡 瓯：q m a x - - o t n i l l ：丝 ( 2 2 1 ) 先瓤先。 瓯：q m a x - - q m i n ：丝 ( 2 2 2 ) 1 a qa q 式中瞬态流量最小值； 线孤瞬态流量最大值； q 理论流量； q 平均流量，q = ( + 绋i n ) 2 。 q w = q w