基于谐波齿轮传动原理的齿轮泵.pdfVIP

2 0 1 4年 1 0月 第4 2卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Oct 2 01 4 Vo 1 4 2 No 1 9 DOI 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 9 0 0 8 基于谐波齿轮传动原理的齿轮泵 祝海林 秦兴培 邹曼 潘俊 宁鹏 常州大学机械工程学院 江苏常州 2 1 3 0 1 6 摘要 传统齿轮泵由于固有的径向力问题 限制了工作压力的提高及其应用范围 将谐波齿轮传动原理引入齿轮泵领 域 提出了一种谐波式齿轮泵 叙述了这种新型齿轮泵的结构 特点 工作原理 分析了径向力平衡的机制 为齿轮泵的 创新设计提供了新的途径 关键词 谐波齿轮传动 齿轮泵 径向力 平衡 谐波式齿轮泵 中图分类号 T H1 3 2 4 3 T H 3 2 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 9 0 3 1 3 Ge a r P u mp Ba s e d o n P r in cip le o f Ha r mo n ic Ge a r Tr a n s mis s io n Z H U H a ili n Q I N X in g p e i Z O U Min P A N J u n N I N G P e n g S ch o o l o f M e ch a n ica l E n g in e e r in g C h a n g z h o u U n iv e r s it y C h a n g z h o u J ia n g s u 2 1 3 0 1 6 C h in a Ab s t r a ct D u e t o t h e p r o b le m o f r a d ia l f o r ce in h e r e n t in t r a d it io n a l g e a r p u mp t o e n h a n ce t h e w o r k in g p r e s s u r e a n d e x p a n d t h e a p p li ca t io n s co p e f o r t h e p u mp is r e s t ri ct e d B y in t r o d u ci n g t h e p r in ci p l e o f h a rm o n i c g e a r t r a n s mis s io n in t o t h e fi e l d o f g e a r p u mp a n e w t y p e o f g e a r p u mp o f h a r mo n ic s t y le w a s p u t for w ard T h e s t r u ct u r a l f e a t u r e s a n d w o r k in g p ri n cip le o f t h is n e w g e a r p u mp we r e d e s cri b e d a n d t h e me ch a n i s m w h y t h e r a d i a l f o r ce b a l a n ce d wa s a n a l y z e d I t p r o v i d e s a n e w wa y for i n n o v a t i v e d e s i g n i n g e ar p u mp s Ke y wo r d s Ha r mo n ic g e ar t r a n s mi s s io n G e ar p u mp R a d i a l f o r ce B a l a n ce Ha r mo n ic s t y l e g e a r p u mp 0前 言 齿轮泵是容积式泵中最简单的一种 由于其具有 结构简单紧凑 体积小 成本低 对油液污染不敏感 和 自吸能力强等优点 在机床液压系统等领域中得到 了广泛应用 口 综观 目前国内外齿轮泵产品 不管是外啮合还是 内啮合齿轮泵 都是 由两个刚性齿轮所组成 齿轮泵 工作过程中 作用在齿轮的齿顶圆上的液体压力 由 排油腔的高压逐渐分级下降到吸油腔的低压 这些液 体压力综合作用的结果是相当于给齿轮一个径向力 使齿轮 传动轴 轴承受力 传动轴发生弯曲 引起 密封间隙的变化 内泄漏增大 并产生齿轮与泵体内 壁 的接触 造 成 运动 副 的摩 擦磨 损 也浪 费 驱 动能 量 随着工作压力的升级 径向力将更大 其结果是 加速轴承失效 泵提前报废 为了减小径向力 液压行业的科技工作者一直在 不懈探索 通过缩小排油腔 扩大吸油腔 在泵的端 盖或轴承 座 圈上铣 出平衡 槽 限制 齿宽 及齿 顶 圆直 径 增加齿轮模数 减少齿数等措施 在一定 程度上降低了径向力的影响 迄今为止的齿轮泵 虽 然结构对称 但是受力不对称 所以径向力不平衡是 传统齿轮泵的固有问题 要想从根本上解决径向力问 题 必须另辟蹊径 为此 本文作者将机械领域的谐 波齿轮传动原理引入到液压齿轮泵的创新构思 提出 了一种新型齿轮泵 谐波式齿轮泵 使齿轮泵不但 结构上 对称 受力也具备对称性 以达到径 向力平衡 的 目的 1 谐波式齿轮泵的基本结构 谐波式齿轮泵是一种特殊形式的新型齿轮泵 它 是在传统齿轮泵的基础上 运用谐波齿轮传动中柔轮 与刚轮的啮合原理 结合双作用叶片泵的工作特 点 构思 出来 的 谐波式齿轮泵主要 由柔 轮 刚轮 密封块 转 臂 滚轮 侧板 传动轴 轴承 壳体 端盖等部分 组成 如图 1 所示 刚轮2是刚性内齿轮 与现有齿 轮泵的相同 柔轮 3为可产生较大弹性变形的薄壁 外齿轮 与现有齿轮泵的齿轮完全不一样 转臂 5 和滚轮 6构成类似于谐波齿轮传动中的波发生器 其 最远端的距离略大于柔轮的内圆直径 迫使柔轮的剖 面变成椭 圆形 长轴两端附近 的柔轮齿与刚轮的齿完 全 啮合 短轴附近 的柔轮齿则与刚轮 的齿完全脱开 两个齿宽及周节相等 齿数不 同的齿 轮 柔轮 3 的齿数比刚轮 2的齿数少 安装在由壳体和端盖围 成的内腔中相互啮合旋转 刚轮 2是主动轮 柔轮 3 是从动轮 在刚轮 2的齿顶圆与柔轮 3的齿顶圆弧面 之间设置有月牙形径向密封块4 密封块 由定位销固 定在侧板上 柔轮 刚轮 密封块及左右侧板 将两 个齿 轮之 间的空 间分 隔成 4个独立 的封闭腔 两个吸 收稿日期 2 0 1 3 0 8 2 0 基金项目 国家自然科学基金资助项 目 5 1 0 7 5 0 4 6 作者简介 祝海林 1 9 6 3 一 男 博士 教授 主要研究方向为齿轮泵 机械可靠性 优化设计等 E m a i l z h L 2 0 0 8 C C Z U e d u a n 3 2 机床与液压 第 4 2卷 油腔 a 两个 排油 腔 d 见 图 l 在 侧板 上对 称开设 有两个轴向吸油孔 与两个吸油腔 a 对应 两个轴 向排油孔 与两个排油腔 d对应 分别连通泵体外 部的进油管 出油管 为了保证齿轮能灵活地转动 同时又要尽可能降低泄漏 在齿轮端面和侧板之间应 留有适当的轴向间隙 l一 壳体 2 一 刚轮 3 一 柔轮4 一密 封块 5 转 臂 6 一 滚轮a 一 吸油 腔 d 一排 油 腔 图 1 谐波式齿轮泵简图 2 谐波式齿轮泵的工作原理 谐波式齿轮泵属于内啮合齿轮泵 它的工作原理 也是基于一对啮合齿轮旋转时导致密封容积的周期性 变化 每转动一周 的输出流量恒定 刚轮 2顺时针方向旋转时 将驱动柔轮 3同向转 动 参看 图 1 在吸油腔 a 附近 由于相互 啮合 的轮 齿逐渐脱 开 齿 间密 封容 积不 断增 大 而形成 局部 真 空 在大气压力作用下 油箱中的油液 经过通过外部 进油管 侧板上 的吸油孔进入到两个对称 布置 的吸油 腔 a 中 将齿 问槽 充满 随着刚轮 2的继续旋转 齿间槽里的油液被带到 两个对称布置的排油腔 b 这时轮齿进入啮合 使密 封空间的容积逐渐减小 将齿问槽里的液体挤出 通 过侧板上的排油孔输出至外部出油管 液体的压力就 可以转化成机械能进行做功 刚轮2连续转动时 柔轮 3的变形部位不断改 变 使两个齿轮的轮齿依次进入啮合 然后又依次退 出啮合 达到啮出吸油 啮入排油 的 目的 刚轮旋转 一 周 每个密封腔依次吸油 排油各一次 这就是新 型齿轮泵的工作原理 只要两个齿轮的转动方 向不 变 其吸 排油腔的位置也就确定不变 3径向力平衡机制 作用于谐 波式齿 轮泵轴 承上 的径 向力 是 由沿齿 轮圆周液体压力产生的径向液压力 F 齿轮啮合产 生的啮合力 所组成 通常 比 F 小得多 所 以文中只讨论径向液压力 F 3 1 柔轮的径向液压力分析 如 图 1 所示 谐 波式齿轮泵具有两个吸油腔 两 个排油腔 且吸 排油腔分别相互对称 参看图2 柔轮同吸油腔相接触的区段 其范围 为 角 受低压 P 的作用 同排油腔相接触的区段 其角度范围是 受高压 P 的作用 而高 低压 腔之 间的过渡 区段 其夹角为 1 T 一 所受 的压力从 P 不断 递增 至 P I 4 并 且左 右两 侧这 3 个 区域 的液压力呈对称分布 pl 图2 柔轮圆周的径向液压力分布 在齿轮泵工作 过程 中 由于啮合 点位置 是变 的 角度 及 会随之改变 因此柔 轮圆周上所受 的液压力也是变 的 径 向力 的计算将十分复杂 为方 便 起 见 可 作 如 下 近 似假设 液压力 沿 着 柔 轮齿 顶 圆作 用 在柔轮上 夹角 及 的大小都是常 数 在角度 范围 内 液压 力从 P 按 直 线规律上升到 P 如 图 3 所示 图 3 柔轮齿顶 圆周压力 分布曲线的展开图 在图 2柔 轮 齿顶 圆 的右 半 部 任取 一 夹 角 为 宽度为 的微小面积 d A 应用微 积分方 法 限于篇 幅 推导过程从略 分别计算对应于夹角 及 的柔轮齿顶 圆上的液体压力 叠加后得到柔轮齿 顶 圆的 右半 部 受 到 的液 压 力 F 其 方 向指 向吸 油 腔 在 Y轴上的分力如下 F 一 B R p P a p f 兰 三 二 1 2 1 第 1 9期 祝海林 等 基于谐波齿轮传动原理的齿轮泵 3 3 F 朋 卸f 1 2 2 式中 B为 柔轮 齿 宽 a p为高 低 压 腔 的压 差 卸 P p R 为柔轮 的齿顶 圆直径 同理可得柔轮齿顶 圆的左半部受到的液压力 F 其方向指向吸油腔 在 Y 轴上的分力 F p 3 F 一 B a p f 1 4 2 综合上面式 1 一 4 得 到 f F F r y F 0 t F F F 0 即 作用在柔轮上的径向液压力的合力为零 3 2刚轮 的径向液压力分析 刚轮 的径 向液压力分 析过程 与柔轮的一样 在此 不再赘述 如 图 4所示 刚轮齿顶 圆的左半部受 到的 液压力 F 与右半部受到的液压力 F 在 Y轴上的 分力 是大小相等 方 向相反 所以作 用在刚轮上的 径 向液压力 的合力 也为零 图4 刚轮圆周的径向液压力分布 因此 作用在谐波式齿 轮泵的刚轮 柔轮上 的径 向液压力达到 了平衡 4 谐波式齿轮泵的优越性 与国内外 目前广泛使用的齿轮泵相比 所提出的 谐波式齿轮泵具有下述优点 1 径 向力 平衡 泵 寿命 延 长 由于 泵 的结 构 对称 两个排油腔 两个吸油腔也分别对称布置 因 此作用在齿轮上的径向液压力是平衡的 轴承上的负 荷大大减小 从而提高了齿轮泵的性能与寿命 2 排量增加一倍 流量脉动降低 两个排油 腔可产生双倍的排量输出 一台泵相当于两台等效齿 轮泵 总流量 较大 容积 效率 提高 流量 脉动 减小 两路排 量既 可分 流输 出 以分别输送到不 同的执行机 构 也可以合流输出大排量 满足工作机构快速运动 的需要 3 传动平稳 轮齿受载小 由于齿与齿的啮 合是面接触 加上同时啮合齿数较多 可达外齿轮 或 内齿轮齿数 的 3 0 4 0 因而轮齿单位 面积载 荷小 承载能力高 两个 齿轮同向旋转 啮合过程 中 齿面相对滑动速度低 所以齿面磨损小 寿命长 流 量脉动 的降低也使得泵 的振动与噪声明显减弱 因而 运行平稳 噪声低 应用谐波齿轮传动原理 的新型齿轮泵 集谐波齿 轮传动 齿轮泵与双作用叶片泵优点于一身 可以解 决 目前齿轮泵存在的径向力不平衡 流量脉动大 寿 命较短等问题 具有很好的性能优势 是一种值得开 发 的升级换代产 品 5结束语 齿 轮泵是 最常用 的一种 液压泵 但 因为径 向力 问 题 制 约了齿 轮泵工作压力 的升级及其应用领域 因 此 想方设法解决齿轮泵的径向力问题 可以延长齿 轮泵的使用寿命 从而产生可观的经济效益 作者摆脱传统齿轮泵结构的束缚 借鉴谐波齿轮 传动原理构思 的新型齿轮泵 实现了径向液压力 的平 衡 解决了一直困扰齿轮泵的技术难题 而且输出排 量是同样参数的常规齿轮泵的两倍 齿面磨损小 噪 声低 传动平稳 承载能力高 使得齿轮泵的性能与 寿命大幅度提高 为变革现有齿轮泵提供了创新思 路 将引领齿轮泵技术进入一个新的领域 参考文献 1 何存兴 液压元件 M 北京 机械工业出版社 1 9 8 2 2 祝海林 邹曼 提高高粘度齿轮泵性能和寿命 的途径 J 石油化工设备技术 1 9 9 9 2 0 1 4 3 4 5 3 M U C C H I E D A L P I A Z G A F e r n a n d e z d e l R in cb n E la s t o d y n a mic An a ly s is o f a Ge a r P u mp P a r t I P r e s s u r e D is t r ib u t i o n a n d G e a r E cce n t ricit y J Me ch a n i ca l S y s t e ms a n d S i g n a l P r o ce s s in g 2 0 1 0 2 5 7 2 1 6 0 2 1 7 9 4 E R T U R K N V E R N E T A C A S T I L L A R e t a 1 E x p e ri m e n t a l An a ly s is o f t h