王 艦，王春濤， 張態(tài)成

(浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院，浙江 舟山 316022)

一種新型擺線液壓馬達*

王 艦，王春濤， 張態(tài)成

(浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院，浙江 舟山 316022)

介紹一種全新的擺線液壓馬達設(shè)計的結(jié)構(gòu)和工作原理，并從理論上分析其性能特點。研究的擺線液壓馬達與現(xiàn)有的各類液壓馬達相比具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，系列數(shù)多，排量大，密封性和能量轉(zhuǎn)換率高等特點。

針輪擺線；液壓馬達；工作原理；結(jié)構(gòu)性能

0 引 言

液壓馬達習慣上是指輸出旋轉(zhuǎn)運動，將液壓泵提供的液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的能量轉(zhuǎn)換裝置[1]。擺線液壓馬達具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、輸出扭矩大以及單位質(zhì)量功率比其他類型液壓馬達大等特點[2]，廣泛應用于工程、農(nóng)業(yè)、船舶運輸、礦山及漁業(yè)等各種機械設(shè)備中?，F(xiàn)有擺線液壓馬達普遍采用外齒圈固定作為定子，擺線齒輪作為轉(zhuǎn)子與外齒圈嚙合作內(nèi)行星運動，其運動輸出機構(gòu)通過連接輸出軸頭和擺線齒輪的鼓形花鍵聯(lián)軸器實現(xiàn)[3]，配流方式有軸配流、端面配流、滑閥配流等幾種形式[4]。

此研究設(shè)計的是一種全新的擺線液壓馬達，其能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)采用擺線齒輪固定，外齒圈嚙合其上作外行星運動，通過高效孔銷輸出機構(gòu)向外輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，采用端面配流機構(gòu)，該馬達與現(xiàn)有的擺線液壓馬達相比，整體結(jié)構(gòu)緊湊，縮短了軸向尺寸，排量和功率都有很大的提升?，F(xiàn)從其結(jié)構(gòu)、工作原理和性能進行分析介紹。

1 新型擺線液壓馬達結(jié)構(gòu)

新型擺線液壓馬達主要由液機轉(zhuǎn)化機構(gòu)、孔銷輸出機構(gòu)、端面配油機構(gòu)、機殼等部分組成，圖1所示為新型擺線液壓馬達結(jié)構(gòu)圖。

1.1 液機轉(zhuǎn)換機構(gòu)

液機轉(zhuǎn)換機構(gòu)的功能是將液壓能轉(zhuǎn)換成機械能，是液壓馬達的核心，對能量轉(zhuǎn)換起著決定性的作用。

圖1 新型擺線液壓馬達結(jié)構(gòu)圖1.輸出軸 2.密封 3.機殼 4.左端蓋 5.右端蓋 6.針齒輪 7.軸擺線齒輪 8.圓錐滾子軸承 9.檔環(huán) 10.銷軸組件 11.配油閥 12.固定孔銷盤 13.偏心環(huán) 14.配油擺線齒輪

液機轉(zhuǎn)換機構(gòu)主要是軸擺線齒輪和針輪相互嚙合組成的一齒差共軛副。將擺線齒輪Zg固定為太陽輪，使針輪Zb嚙合其上作外行星運動，應用K-H-V型行星輪系中g(shù)輪固定時的傳動比公式作為其傳動原理[5]。其傳動公式為：

圖2所示為一齒差針輪擺線共軛副結(jié)構(gòu)，它具有良好的結(jié)構(gòu)特性，即：

(1) 組成結(jié)構(gòu)中各個幾何要素的對稱性。當針輪的某一針齒與擺線齒輪的齒根相嚙合時，該針齒相對的兩針齒部分齒廓和擺線齒廓圍成的齒腔容積達到最大Vomax。以這兩針齒和上方一針齒嚙合線為界，將其它各針齒分隔成對稱分布的兩齒腔區(qū)，各齒腔容積大小一一對應相等，自下而上由大變小。這一齒腔布局和變化特性，滿足了液壓能轉(zhuǎn)換的條件高低壓區(qū)分隔，液量對稱等量和液流量沿著一個方向旋轉(zhuǎn)流動。

(2) 一齒差針輪擺線齒輪共軛副結(jié)構(gòu)具有較高的容積效率和機械效率。一齒差針輪擺線齒輪共軛副理論上稱為全齒無間隙嚙合傳動，各個齒腔獨立密封，容積效率高；針輪與擺線齒輪共軛副為平面力系傳動，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)阻力小，大大提高了機械效率。

(3) 按總體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，將擺線齒輪設(shè)計成左右軸頸式，便于它與機殼固定，又利于其它相關(guān)構(gòu)件聯(lián)接和定位。

圖2 一齒差針輪擺線齒輪共軛副

1.2 孔銷輸出機構(gòu)

孔銷輸出機構(gòu)主要由左端蓋、右端蓋、銷軸組件等部分組成，如圖3所示，它的功能是密封液機轉(zhuǎn)換機構(gòu)的針輪擺線共軛副兩端面，并將液機轉(zhuǎn)換機構(gòu)得到的針輪體的角速度ωb和轉(zhuǎn)矩Mb傳輸?shù)捷敵鲚S，同時將角速度傳遞給配油機構(gòu)，驅(qū)動端面配油閥運轉(zhuǎn)，對液機轉(zhuǎn)換機構(gòu)實現(xiàn)同步配油。

圖3 孔銷輸出機構(gòu)1.左端蓋 2.銷軸組件 3.右端蓋

孔銷輸出機構(gòu)左右端蓋有和針輪體等徑分布的Zb個相同大小的銷孔，銷孔直徑Dw=dp+2A(dp為銷軸直徑，A為偏心距)，通過由六角頭鉸制孔用螺栓、固定銷套和活動銷套組成的銷軸組件和針輪體裝配在一起。右端蓋筒孔內(nèi)裝一對圓錐滾子軸承定位，左端蓋筒孔內(nèi)裝端面配油閥，動配合定位。

1.3 端面配油機構(gòu)

端面配油機構(gòu)的功能，是驅(qū)動端面配油閥，將高壓油從閥的一側(cè)，引入針輪擺線共軛副中高壓齒腔區(qū)，隨后將已盡能量的低壓油，從低壓齒腔區(qū)擠入端面配油閥的另一側(cè)，排出回油箱，使液壓馬達連續(xù)作機械功。

端面配油閥的結(jié)構(gòu)采用內(nèi)外裝配，內(nèi)外套上各設(shè)對稱隔離開的高低壓油路，配油閥的右端面上各油口與左端蓋孔底面上所設(shè)的zb個月牙形通油孔相對應。高壓油從機殼上進油口，經(jīng)左端蓋徑向進油口，通過配油閥外套開口進入配油閥高壓油區(qū)c，使高壓油由徑向轉(zhuǎn)軸向流動，經(jīng)過左端蓋軸向配油孔c′，進入液機轉(zhuǎn)換機構(gòu)的高壓齒腔區(qū)d，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，液機轉(zhuǎn)換機構(gòu)的低壓齒腔區(qū)e的低壓油經(jīng)左端蓋軸向配油孔e′進入配油閥低壓區(qū)f，通過配油閥外套徑向開口，經(jīng)左端蓋徑向排油口進入馬達機殼上的排油口排回油箱。如圖2、4、5所示。

圖4 左端蓋左視圖 圖 5 閥的右端面通油口

2 新型擺線液壓馬達工作原理

當高壓油輸入液機轉(zhuǎn)換機構(gòu)中，在高壓油壓力作用下，針輪體朝齒腔擴大方向旋轉(zhuǎn)，它以角速度ωb驅(qū)動孔銷輸出機構(gòu)轉(zhuǎn)動，孔銷輸出機構(gòu)以等角速度ωb=ωb′驅(qū)動端面配油機構(gòu)，端面配油機構(gòu)帶動同軸上端面配油閥，獲得角速度ωH′=ωb′zb′，與液機轉(zhuǎn)換機構(gòu)中針輪體公轉(zhuǎn)的角速度ωH=ωbzb相等，實現(xiàn)等速進排油?？卒N輸出機構(gòu)將液機轉(zhuǎn)換機構(gòu)和端面配油機構(gòu)包絡在內(nèi)，形成一條閉式液機能連續(xù)循環(huán)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)?？卒N輸出機構(gòu)的左端蓋設(shè)一漸開線花鍵法蘭，聯(lián)接左端蓋和花鍵軸頭，由花鍵軸頭向外輸出ωb和Mb，驅(qū)動負載做功。

3 新型擺線液壓馬達的性能和結(jié)構(gòu)特點

新型擺線液壓馬達與現(xiàn)有的各類常用液壓馬達進行比較，在結(jié)構(gòu)和性能上具有良好的優(yōu)勢。

(1) 擺線液壓馬達系列數(shù)多、排量大。根據(jù)擺線液壓馬達的排量公式，一級行星傳動齒數(shù)有數(shù)十種，設(shè)計搭配參數(shù)偏心距A和齒寬B各有十余種，可知新型擺線液壓馬達具有較大的系列數(shù)和排量值，能滿足大部分配套機械所需的功率要求。

(2) 新型擺線液壓馬達結(jié)構(gòu)緊湊。在液壓馬達結(jié)構(gòu)內(nèi)部，可設(shè)置徑向、軸向和環(huán)向密封結(jié)構(gòu)。徑向采用球鐵活塞環(huán)密封，容積效率高，軸向和環(huán)向采用塑料青銅鋼復合板密封條，內(nèi)襯O型橡膠圈，靠壓縮橡膠圈產(chǎn)生的回彈力給密封接觸面一定的壓力，密封條磨損后能自動補償，保證了密封可靠性，對提高液壓馬達的液壓力和轉(zhuǎn)速以及使用壽命意義重大。

(3) 能量轉(zhuǎn)換效率高。液機轉(zhuǎn)換機構(gòu)采用一齒差針輪擺線共軛副，為平面力系傳動，僅受徑向阻力，共軛副又滾動嚙合，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，阻力小，采用強氮化表面處理，高精磨削成型，效率較高，其運動輸出機構(gòu)為高效孔銷輸出機構(gòu)，傳輸效率高，液壓馬達的總效率得到提升。

(4) 作為能量轉(zhuǎn)換傳動技術(shù)，液壓馬達單一的針輪擺線共軛傳動副結(jié)構(gòu)，有利于實現(xiàn)標準化生產(chǎn)。

4 結(jié) 語

這種新型擺線液壓馬達是以一齒差針輪擺線齒輪共軛副結(jié)構(gòu)為核心，在液壓馬達的結(jié)構(gòu)布局上進行了一系列的創(chuàng)新設(shè)計，馬達整體結(jié)構(gòu)緊湊，從理論上分析，馬達的綜合性能相比傳統(tǒng)擺線液壓馬達有著巨大的優(yōu)勢。對于新型液壓馬達在實際應用中可能會遇到的一些問題，還需在以后的研究和實驗中進一步解決。

[1] 張培紅. LabVIEW 在液壓馬達測試系統(tǒng)中的應用[J]. 機械研究與應用, 2012(3): 179-180.

[2] 溫群明. 炸藥車的擺線式液壓馬達[J]. 銅業(yè)工程, 2007(1):47-49.

[3] 張玉蓮, 章 海. 一種新型的行星針輪擺線液壓馬達設(shè)計研究[J]. 液壓與氣動, 2006(9): 19-21.

[4] 韓 俊. 端面配流外定子浮動型高壓擺線液壓馬達研制[D].杭州：浙江大學, 2012: 8-10.

[5] 天津大學. 機械原理[M]. 北京:人民教育出版社, 1979.

A New Type of Cycloidal Hydraulic Motor

WANG Jian, WANG Chun-tao, ZHANG Tai-cheng

(CollegeofShipandOceanEngineering,ZhejiangOceanUniversity,ZhoushanZhejiang316022,China)

The structure and working principle of a new type of cycloidal hydraulic motor were introduced, and its performance features were analyzed in theory. This cycloidal hydraulic motor has many features such as compact structure, small volume, more series number, big output volume, and high leakproofness and energy conversion rate compared with the existing various types of hydraulic motors.

pinwheel cycloid; hydraulic motor; working principle; structure performance

2014-02-24

浙江海洋學院科研啟動費(編號：Q1202)

王 艦(1985-)，男，山東泰安人，在讀碩士，研究方向：液壓元件設(shè)計。

王春濤(1965-)，男，浙江定海人，教授，研究方向：海洋機電裝備技術(shù)。

TH137.51

A

1007-4414(2014)02-0121-03