（机械制造及其自动化专业论文）渐开线少齿差马达的研究.pdf

摘要 摘要 本论文在介绍普通齿轮马达的基本理论结合少齿差传动的特性的基础上设计 出新型的液压齿轮马达少齿差液压马达( 简称少齿差马达) 。并对其工作原理 和基本特性进行了详细的l 到述和分析。其中主要包括以下几个方面： l 、阐述了少齿差马达的丁作原理和基本特性；分析了其扭矩和流量特性，其输出 扭矩与传统的液压马达原理不同。而是主要将在很多液压马达设计场合要避免的 径向力作为驱动力输出。这样不仅从根本上消除了径向力的影响还可以通过少齿 差的偏心输出很大的力矩远远的大于传统马达的由于齿轮啮合产生的力矩。 得出了其可作为大扭矩马达开发的理由。并推导出其瞬态扭矩和流量特性公式。 2 、在利用粘性流体力学基础分析了少齿差马达中内部泄漏和功率损失，导出了其 径向和轴向最佳问隙。 3 、研究了少齿差传动中的多齿啮合现象，分析了其对各轮齿负荷的影响以及这些 现象对少齿差马达的结构影响，并在设计的过程中加以体现。 4 、分别讨论了少齿差马达中几个主要部件少齿差传动机构、输出机构以及配 流方式的设计方法。并完成设计的特定参数的马达装配圈。为进一步的样机制造 打下基础。 关键词：少齿差传动，液压马达，工作原理，扭矩( 流量) 特性，径向( 轴向) 泄漏 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 昭i 【j 0 2 6 z d ) 摘 要 a b s t i a c t n l cp a p e ri n t r o d u c eu san e w t y p eo f h y d r o m o t o f ，f e wd i f 艳r e n c e so f t e e t hm o t 0 t t h e t h e o r yo ff e wd i 何b r c n c e so ft c e t hm o t o ri sb a s e do nt h et h e o r yo fg e n e r a lg e 盯m o t o r 卸df e w d i f r e r e n c e so ft e e t hg e a rd r i v e o p e r 甜i n gp r i n c i p l ea n dk i s i cc h a r a c t e rh a sb o e ne x p o u n d e da n d a n a l y z e d t h ep a p e ri n c l u d es e v e r a la s p e c t s ： 1 、t h ep 印e ri n 曲d u c eu st h eo p e r a t i n gp r n c i p l ea n db a s i cc h a r a c t e ro ff e wd i 行e r e n c e s o f t e e t hm o t o la n a l y s et h em o t o r s t o r q u e r l h et h e o r yo f 山ef e wd i f f b r e n c e so f t e e t h m o t o r so u t p u tt o r q u el sn o tsa i l l ea sg e n e r a lg e a rm o t o tt h e “v i n gf b r c ei s 糟d i a if b f c e 1 ng e n e r a ig e a rm o t o rr a d l a lf o f c ei sm u c hl a g e rt 1 1 卸i t s 赫v i n gf b r c e 锄di sh 删f u l b u ti n 龇 f c wd j f e r e n c e so f t e e t l lm o t o rt h em d i a lf o r c ec a np r o d u c ev e r yl a g e ro u t p u tt o r q u e s oi t c a nb e d nc o n s id e ra sbigio r q u eh y d r o m i d t o l 2 、a r e rt h es t u d yo nt h e1 e a k a g e 卸dp o w e rl o s si n s i d eo f t h ef e wd i a b r e n c e so f t e e t hl n o t o r m o t o lt h eo p t i m a is o j u t i o no f 伯d i a i 柚da x i a ia f ec d u c e d 粕dc a l c u l a t e dt h el e a k a g e 3 、t h ep a p c rs h l d yt h ep h e l l o m e no fs e r v 既t e 曲p u ti n t og e a f ，锄a l y s et h e d h e n o m e n o nh o we 矗b c tt h ef e wd i f 危f e n c e so f t 卿凼m o t 0 l 4 、t h ep a p e rd i s c u 鼹i o ns o m ei m p o n a n tc o m p o n e m sa s s e m b l i e s ，f o re x a m p l ef e wd i f f b 陀n c 黜 o f 蝌hg 龃rd r i v ec o m p o n e n 协越m b e s ，o u t p u tc o m p o n e n t sa s s e m b e sa n dh o wa l l o c d 幢t 1 1 e h y d m u l i cl i q u i d o n em o i o rh 鹅b e e nd e s i g n e d 硼d t 1 1 es e n i n gd r a w i n gh a sr e a d y k e y w o r d s ： f e wd i 艉r e n c e so ft e e t h g e a rd r i v e ，h y d r o m o t o r ，i n g 啪扭1 1 e o 惦t o r q 鹏 c h a r a c t e r is t j c ，f 1 0 wo fl e a k a g e nr a d i c a ia n da x i a l t h i sd e s s e r t j o ni sf o n d e db yt h en a t u r a ls c i e n c ef o n do fa n h u ie d u c a t i o nb u r e 鲫( s u b j e c t n u m b e r ：2 0 0 3 k j 0 2 6 z d ) 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 为获得塞煎堡三盍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 学位论文作者签名： & 字b 期彩月舶 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞煎墼三太堂有保留、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。本人授权塞煎堡兰盍 学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，毕业后结台学位论文 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： 签字日期：( ，彩，钲万 导师签名：研琵厶 剧影目签字日期：加哆年剃，莎日 引言 引目 随着工业化的发展，液压技术的应用同趋广泛，液压元件的需要的数量、质 量、品种都有很大的提高。 大扭距马达由于低速稳定性较好，且启动效率高，转动惯量小，加速和制动 时间短，因此使用对不需要减速装置即可直接驱动低速大拙矩负载。成为霞要的 液压执行元件。但是其结构过于复杂，在加工时要求加丁质量高，装配精度高， 使其成本大大的提高，所以不利于其推广。 所以很多的研究人员一直在探索新的结构方式来是马达的结构简化。本文就 是研究如何将齿轮马达的结构简单的优点和少齿差传动方式的结合进而设计一种 新型的少齿差液压马达。 由于其全新的动力产生和传递方式可以产生低速大扭矩的输出。完全符合大 扭距马达的要求，并且结构简单，零件质量要求不高，加工方式简单，所以便于 推广。不失为一种有前途的液压执行元件。 l 绪论 1 绪论 1 1 液压技术的历史发展历程 液压技术的历史可以追溯到公元前2 7 0 年，物理学家和发明家c t e s i b i u s 利 用机械杠杆原理发明了类似于简单液压缸的筒式压水机。随后他的学生费罗 ( p h i l o ) 又制造了第一台提水用的水轮机。公元前2 0 0 多年，阿基米德( a r c h i m e d e s ) 发现物体在水中所减少的重量等于物体所摊开的水的重量，这就是著名的浮力定 理。约公元二世纪，希罗( h e r o ) 首次系统论述了流体压力、作用力、作用面积三 者之削的联系，并最先记录了水的流量、流速和过流面积之间的关系。公元1 6 0 年前后，荷兰人史蒂文纳斯( s t e v i n u s ) 指出了流体静压力随液体的深度而变化， 与容器的形状无关。 然而直到1 7 世纪，液压技术的发展几乎没有进展。直到1 6 6 3 年，法国科学 家帕斯卡b l a i s e p a s c a l ( 1 6 2 3 一1 6 6 2 ) 对史蒂文纳斯的发现进行了详尽的数学分 析，确立了“在密封容器内，流体压力沿各个方向等值传递”的静压理论，并最 终提出了著名的帕斯卡定律，这一定律的提出现已被公认为液压传动技术的基础 理论。而英国人约瑟夫布拉默( j o s e p hb r 8 眦h1 7 4 9 1 8 1 4 ) 第一个将这一原理应 用的水压机上。十九世纪后半，阿姆斯创( w g a a 珈s t r o n g ) 研制了一些以水为 介质的液压机械和元件，这些机械和元件主要应用于船舶中的锚机和起重机上”“。 电机及电驱动的发展曾使液压技术停滞不前。这一局面一直延续到1 9 0 5 年美 国人詹尼( j a n n e y ) 首次将矿物油弓l 入到液体传动中作为传动介质。并设计研制了 第一台轴向柱塞泵及其驱动的液压装置。液压油的引入，改善了液压元件摩擦件 的润滑和泄漏，从而为提高液压系统工作压力创造了条件。后来，根据液压系统 的工作条件与环境要求，又分别发展了适应高温差工作条件的航空液压油，抗燃 液压介质，以及水基介质等。 由于汽车工业发展及二次大战中大规模的武器生产促进了机械制造工业标准 化、规模化技术的形成与发展，尤其是哈里威克斯( h a r r yv i c k e r s ) 于1 9 3 6 年 发展先导控制压力阀为标志的管式系统液压元件，此外，琼默西( j e a j l m e r c i e r o 埃于1 9 5 0 年研制成功了以气体作为弹性介质，用橡胶将油液和气体隔开的蓄能器。 7 0 年代又出现了插装式系列液压元件以及后来逐步形成的标准化功能控制单元为 特征的模块化集成单元技术。 5 0 年代，伺服阀的出现使液压技术进入控制新时期，并迅速在航天部门和精 密机床行业得到充分应用。1 9 5 8 年，电液伺服控制技术应运而生。美国m i t 的布 安徽理l ：大学硕士学位论文 莱克本( b l a c k b u r n ) 、李诗颖( l e e ) 及肖尔( s h e a r e r ) 等对高压的液压问题以及伺服 控制问题作了深入的研究，于1 9 5 8 年成功地制造出了电液伺服阀，并于1 9 6 0 年 发表了液压方面的重要著作流体动力控制。电液伺服机梅首先被应用在飞 机、火炮、液压控制系统，后来也被用于机床及仿真装置等伺服驱动牛，这些进 展为液压伺服技术的应用提供了理论基础。 近3 0 年来，为克服电液伺服控制价格昂贵、抗污染能力差的缺点，电液比例 控制技术得到快速发展。1 9 7 4 年。德国的巴克( b a c k e ) 教授出版了液压阻力回路 系统学一书，莫定了二通插装阀控铡技术的理论基础。8 0 年代初，我国学者路 甬祥教授在这方面作了五项发明，为此做出了重要的贡献。 1 2 齿轮马达的研究现状和发展越势 早在二干多年前，人类就发明了齿轮传动装置，渐开线圆柱齿轮自l e 试盯于 1 7 6 5 年提出后，至今已有二百多年韵历史。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，由于其传动功率太、效率高、结构紧凑、传动 比精确、传动平稳等优点披广泛应甩在化工、汽车、船舶、航空、能源萼国民经 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簧，在液压传动 与控制技术中占有很大的比重，其主要特点是结构简单、体积小、重量轻、自吸 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e 要缺 点是径向液压力不平衡，扭矩脉动大，噪声高。另外，其捧量不可调节，使其应 用范围受到了限制。 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刚： 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 困油冲击及卸荷措施； 4 噪声的控制技术： 5 降低流量( 扭矩) ( 压力) 脉动盼方法； 6 轮齿表面涂覆技术及其特点； 7 轮齿弯曲应力及接触疲劳强度的计算； 8 齿轮马达变量方法的研究： 9 齿轮马达的寿命及其影响因素； 2 l 绪论 1 0 齿轮马达岛j 丘化的途径。 提高齿轮马达的j 二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小平衡的径向液压力，且工作压力越高， 径向液压力越大。 目前困内外学者针对以上两个问题所进行的研究是：( 1 ) 对齿轮泵的径向间 隙进行了补偿；( 2 ) 减小齿轮泵( 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。齿轮泵( 马达) 的径向液压力不平衡问题 是齿轮泵( 马达) 所固有的，而本论文研究的少齿差齿轮马达将径向力转化为驱 动力，理论上可以从根本卜解决上述问题。 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 地位外，尚需向以下几个方向发展： 1 高压化； 2 低流量脉动 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。 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l 0 0 0 n m 以上时，称为大扭矩马达【，大扭矩马达 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，最高转速一般 在4 0 0 r m i n 以下f 1 6 1 。 大扭矩马达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1 0 0 r m i n 以下工作时，能够带动额定负载平稳运转时j 具有实际意义。运 转平稳性可用转速脉动率来表示，当 坠竺二生一l o 甜珊 称马达在该速下平稳，反之，则称为4 i 乎 “。 对大扭矩马达的柬说，结构的完善性是其另个重要指标，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：乍，现在的大扭矩马达的单位指标已不低于小扭矩马 安徽理j ：人学硕士学位论文 达。 大扭矩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。相对于高速小扭矩马达，大扭矩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，起动扭矩效率在o 8 o 9 5 之问，最低转 速可达o 5 r m i n 。 大 扭 矩 液 压 马 达一 单作用式、 多作用式 i 球铰连杆马迭 ，l 柱销铰连杆马达+ l 曲轱连杆式l 瑗氟嚣连杆马达t t jl 阙蕊配淤杆马达一 径向柱塞式、 j 无连杆静力平相马达t + l 滚柱式马达； 轴向柱塞式0 双斜盘液压马达- 一齿差慵摆式辘向柱塞马达+ 广滚轮撬裹熊袤= 戛瘗 接惠馈恕_ 滚柱攮赛j 力为兹一 rl 锕球撼煮熊意戛焱一 内曲线柱塞式i 横粱传力一 1 i 滚轮恃力一 轴向柱塞马达。 叶片马达 内啮合攫钱齿轮马达t 非画行星齿轮马达， 复台齿轮马达r 图1 人扭矩液压马达的分类 f i 9 1 c l a s s 娟c a t i o ns c h e m eo f b igt o r q u eh y d r o 椰o t o l 由于大扭矩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，因次使用时不需要减速装置即可直接驱动低速大扭矩负载“。但若帆构需 要制动时，需要安装尺寸较大的制动器”。 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剐的作用次数，可将其分为单作用和多作用两大类【l “， 图1 是其具体分类情况。 对于单作用和多作用两种马达，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_ 作副数和作用次数 厂，ll，、，i 绪论 选取合适，可使径向力、l z 衡，具有较高的启动扭矩效率：但结构复杂，零件数目 多，制造成本较高。 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 理工作的，国外又称其为斯达发( s 扭胁) 马达。 无连杆的静力平衡式液压马达，又称为罗斯通( r u s t o n ) 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，影晌 了性能的提高。 套筒伸缩摆缸式( c a l z 0 n 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，存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 o 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， 如同本的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。也促进了我圆低速大扭矩马达 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，如非圆齿轮轮系 液压马达、锥差式液压马达、啮合转子液抵马达等。取得了一定的成果。所有这 安敬瑾1 人学硕十甘： 缸论文 些都促进了低速大扭矩马达朝着多样性方向发展。而本文提出的少齿差齿轮马达 即为一种新型的大扭矩齿轮马达。 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 低速大扭矩齿轮马达理论及实验研究是安徽省教育厅自然科学基金重点资助 项目。( 项目号：2 3 k j 0 2 6 z d ) 。 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【”1 。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。而少齿差液压齿轮马达( 简称少齿差马 达) 是一种应用少齿差传动原理，结合内齿轮马达的特点，而设计出来的一种新 型大扭矩齿轮马达。 “少齿差”传动( 如图2 所示) ，系山一对齿数差很少( 通常为1 、2 、3 或4 ) 的渐开线内啮合齿轮副组成的k 一一矿( ) 型行星齿轮传动。一对内啮合齿轮能 获得很大的传动比，由公式f = b k = 一( 一) 知，当两齿轮的齿数差越 少( 例如z 。一z 。= 1 ) 传动比越大，而发生干涉的可能性也就越大旺。 h v 图2k h v 行星齿轮传动原理图 f 啦 s l ( e k 协nd m w i n go fk - h - v p l a l l e t a r yg e 盯t r a n s m i s s i o n 少齿差行星传动具有以下优点： 1 、结构紧凑、体积小、重量轻由于采用内啮合行星传动，所以结构紧凑；当传 动比相等时，与同功率的普通圆柱齿轮减速器相比，体积和重量均可减少1 3 2 3 。 传动范围大单级传动比为1 0 1 0 0 0 以上。 2 、效率高当传动比为1 0 2 0 0 时，效率为8 0 9 4 ，效率随传动比的增加而 降低。 3 、运转平稳、噪音小、承载能力大由于是内啮合传动，两啮合轮齿一为凹衡一 为凸齿，两者的曲率中心在同一方向，曲率半径又接近相等，因此接触面积大， 6 l 绪论 使齿轮的接触强度大为提高；又因采用短齿制，齿轮的弯曲强度也提高了。因此， 少齿差传动时，因侧隙很小，轮齿受力后引起变形，不再是一对齿轮啮合而是3 9 对齿轮同时接触受力，所以运转平稳、噪音小，并且在相同模数的情况下，其传 递的力矩是普通圆柱齿轮减速器的1 7 8 6 4 8 倍。 4 、结构形式多、应用范围广出于结构简单、加工方便，所以结构形式很多。而且 其输入轴与输出轴，有的在l 司一轴线上，有的不在同轴线上，所以能适应各种机械 的需要，j 、到机器人的关节、大到冶金矿山机械；从要求不高的农用、食品机械，到要 求高的印刷和国防工业都有应用实例。 6 配油箍配油孔 、f7 、。b 鼽， j 7 7 7d 2 【。咋 剧3 少齿差结构马达原理圈 f s k e l e t o nd r a w i n go f t l l ef e wd i 虢咒n c e so f t e e mm o t o r 月牙盘 将少齿差行星传动的优点应用到液压马达的设计如图3 ，可得到旌工作压力比 较低的情况下输出大扭矩低转速的性能优良结构简单的液压马达渐开线少齿 差液压齿轮马达( 简称少齿差马达) 。并且渐开线少齿差结构的轮齿加工简单，只 需在普通的滚齿机和插齿机上应用普通刀具采取变位加工即可，无需专用机床加 工。便于广泛推广。 本课题的少齿差马达是一种渐开线齿轮马达( 如图3 所示) ，与传统的内齿轮 液压马达相比可知液i e 内齿轮马达输出扭矩远小于少齿差液压齿轮其主要原因 有： 1 、前者仅利用了由齿轮啮合产生的扭矩，后者不仅利用了由齿轮啮合产生的扭矩 还利用了沿齿轮圆胤液体压力所产生的径向力c 引起的d ，绕d 的扭矩，其中出径 安徽理 。人学颂十学位论文 向力产生的扭矩远大于由齿轮啮合产生的扭矩。 2 、后者马达输出扭矩的过程中出于少遗差传动时产生的大的传动比进一步增大输 出扭矩，降低转速。 少齿差马达的主要优点： 1 、结构紧凑 利用一对内啮合齿轮就完成了将液压力转化成机械力并迸一步减速、增大其 输出力矩。将原本有害的径向力转化为输出的机械力。可以在很小的空间里完成 从中低压的液压力到大扭矩的转速的机械力的转化。 2 、加工制造方便 本马达所示用齿轮为普通的变位渐开线齿轮，设计、加工技术比较成熟，在 一般的小厂用普通的插齿机就可完成关键零件的加工，无需专用的机床，有利于 成本控制和广泛推广。 3 、低压启动性能好，输出扭矩脉动小。 由于马达的输出扭矩主要由径向力产生所以其启动扭矩大。另外由于轮齿啮 合产生的扭矩脉动比较径向力产生的扭矩来说就很小。 1 4 2 论文的主要研究内容 本课题研究的内容是在普通齿轮马达工作原理的基础上，对少凿差马：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、 内部泄漏等方面进行深入、详细的分析和研究。 具体地说，本论文主要包括以下内容： 1 ) 运用液压马达和少齿差的理论完成少齿差马达的理论可行性研究 2 ) 完成少齿差马达的结构设计 3 ) 少齿差马达的瞬态扭矩及其脉动和容积效率 4 ) 少齿差马达的流量特性 5 ) 少齿差啮合时的多齿啮合情况分析 5 ) 对某一特定参数的少齿差液压齿轮马达的结构设计( 并争取能制成实体) 2 齿轮马达概述 2 齿轮马达基本理论和发展方向 2 1 液压马达的分类 液压马达是把液体的压力转换为机械能的装置。液压马达输出的是扭矩m 与 转速n ，其大小取决于液压马达的儿何排量、压力及流量。几何排量越大、压力越 高，则扭矩越人：儿何排量越小、输入流量越多，则转速越高。 液压马达可分为高速和低速两大类。一般认为，额定转速高于5 0 0 “m i n 的属 于高速液压马达；额定转速低于5 0 0 ，m i n 属于低速液压马达。 高速液压马达的基本形式有齿轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式等。它们 的主要特点是转速较高( 在5 0 0 “m i n 以上) ，转动惯量小，便于启动和制动，调节 ( 调速及换向) 灵敏度高。通常高速液压马达输出扭矩不大( 仅几十牛米到几力 牛- 米) ，所以又称为高速小扭矩液压马达。 低速液压马达的基本形式是柱塞式，例如单作用曲轴连杆式、静压平衡式和 多作用内曲线式等。此外，在轴向柱塞式、叶片式和齿轮式中也有低速的结构形 式。低速马达速特点是排量大，体积大，转速低( 在5 0 0 m i n 以下，有的可低到 每分钟几转甚至零点几转) ，因此可直接和工作机构连接，不需要减速装置，使传 动机构大大简化。通常低速液压马达的输出扭矩较大( 可达几千牛米到几万 牛米) ，所以又称为低速人扭矩液压马达“”。 2 2 外啮合齿轮马达的工作原理 少齿差马达的主要理论是建立在液压齿轮马达的基础上的，所以要首先了解 齿轮马达的特征。 外齿轮马达工作原理“7 1 如图4 示意。当左腔供入高压液p 。时，马达顺时针 转动，低压液从右腔排出。当主动轮1 ( 输出扭矩的齿轮) 与从动轮2 ( 非输出扭 矩，仅作转动) 在c 点啮合时，分析知，主动轮上沿圆周方向的液压力为 = p ，b ( r 。l r “) = p h b ( 月。1 一胄。1 ) ( 2 1 ) 式中： 印。马达进出门 力差，卸。= “一p f ，p 。为进口压力，p ，为回油口压 力，p 7 = 0 ； b 齿轮宽度； 只。齿顶圆半径： 月啮合点c 到( ) 瞬念距离( 半径) 。 安徽珲i 人学硕士学位论文 p r 幽4 外齿轮马达的j ：作原理 f i g 4o p e r a t i n gp r i n c i p l eo f e x t e m a ig e a rm o t o r e 的作用点至00 t 的距离p = ( r 。+ r 。) 2 ，则主动轮上的扭矩为互 五= e p = p b ( r ：，一r 二) 2 ( 2 _ 2 ) 类似可得从动轮上的液压力e 和扭矩兀为 e = p h b ( r 。2 一r ，2 ) ( 2 3 ) 疋= p ，b ( r ：2 一r 轰) ( 2 4 ) 式中： 尺。，从动轮齿顶半铎； r ，啮合点c 到o ：的距离( 半径) 。 由机械动力学理论知，外齿轮马达的输出扭矩既不是z ，也不是瓦，也不是 二者之和，可根据能量守恒原理折算或叠加到同一轴上。设叠加到同一轴上扭矩 为乙，角速度为。，则有 国m = 瓦珊l + 疋2 ( 2 5 ) 式中： 折算轴上的扭矩； ，折算轴上的角速度； 戗主动轮角速度； 甜，从动轮角速度。 取。= ，即折算到主动轮上的扭矩或马达输出扭矩巧，为 ：瓦+ 堕互：7 ；+ 粤疋 ( 2 q ) 0 2 齿轮马达概述 式中： 尉一一主动轮节圆半径，詹净r lc o s 2 0 。c o s 口，r i 为分度圆半径， r 。= 眦，2 ，m 为模数，z ，为齿数，a 为啮合( 压力) 角； 从动轮2 节圆半径，月；= r 2c o s 2 0 。c o s 口，月2 为分度圆半径， 矗2 = m 2 2 ，z 2 为齿数。 将正( 式( 2 2 ) ) 和t ( 式( 2 4 ) ) 代入式( 2 刊) ，则有 耻譬卜) + 蔷( 砭川三) l 娌叫) 式( 2 7 ) 中的两个变量r 。和r 。可根据几何关系简化之。参看图5 ，啮 合点c 在轴线q q 上投影为m ，啮合点c 到节点p 距离c p = f ，c 到0 l d 2 距 离c 礁= e ，投影点m 到节点p 距离帕= k ，由几何关系知 f 厂2 = p 2 + 七2 矗j = ( r ：一) 2 + e 2 ( 2 8 ) 1 月三= ( 月；+ 七) 2 + p 2 另外，齿顶圆半径也，、胄。与节圆半径r i 、及齿顶高舛、琏有如下关系 由浆瓮毪可得 尺j i 上正一彳 ，忿彳d i p 嘎 图5 啮合点位移 f i 9 5 m 胡o no f m e s h j 鸣p o j n l 脬2 【r ：+ 埘) 2( 2 卅) 【r ：2 = 【r ；+ 矗；) 2 将式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 代入式( 2 7 ) 整理，则有 = 譬枷”蚴州2 州! 知+ 耖 = p ，“吨n c z 圳， 式中： 垒塑堡! ：叁篓堡主堂堡笙壅 矗i 主动轮l 节圆半径； 琏从动轮2 节圆半径： 巧主动轮l 齿顶高； 蟛从动轮2 齿顶高； ，啮合点到节点的距离； q 撇2 酗似圳w 州2 刳： 口z 常数= 争争。 设齿轮马达供液压力为p “，排量梯度d ”= 篆，由= p 。d 。，可以确定 = p d 埘= p ( 口t 一2 ，2 ) ( 2 一1 1 ) 故可得排量梯度d 。及排量g 。为 d = n i n 2 ，2( z 1 2 ) 拿h = 2 万( q 一啦，2 ) ( 2 一1 3 ) 由式( 2 1 2 ) 和式( 2 一1 3 ) 知，d 。和q 。为啮合点位移，的函数，是变量， 有最大值和最小值，不是通常意义上的排量梯度和几何排量。本文称之瞬态排量 梯度和瞬态几何排量一个非流量q 2 詈的瞬态排液或供液体积或几何变化容 积以，) = v ( ，( f ) ) 。 当主动轮和从动轮均为标准齿轮时( 碍= r ，彤= 坞，啊= = 。m ) ，则 有 = 警( 4 即埘埘熹- ( 1 + 鲁) ，2 ) ：旦掣( 2 ”l + 互邓+ 丑) 乓) 。 22 7 巩：婴( 2 五十l + 三l _ ( 1 + 量) ) 2；2 册 q 。：砌z ( 2 毛+ l + 旦一( 1 + 玉) ) 2 ；2 m 当两齿轮齿麴相等时。删有 ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) ( 2 一1 6 ) 2 齿轮马选概述 l = p h 胁2 ( z + l 一) ( 2 一1 7 ) 巩= 砌2 ( z l + l 一与) ( 2 一1 8 ) ，r 2 q m = 2 庀8 2 ( z l + l 一了) ( 2 一1 9 ) 作为变量的碍。( 式( 2 一1 9 ) ) ，与作为常量的g 。= 2 翘m 2 z ( 丑= z ) 是有很 大的区别，这也是将q 。( 厂) ( 式( 2 2 1 9 ) ) 称为瞬态几何排量的由来。 根据齿轮理论知，当齿轮重叠系数= 1 时，啮合点到节点p 的最大值距离 和最小距离_ ，0 。为 k = 譬= 半。枷， 【，m 。= o 式中： 仇法向距离( 基节) ，仇= 删c o s 口，口= 2 0 。 这样g 。，d 。，就有最大值和最小值，在供液压力p 。= c d 珊r 条件，就产 生了扭矩脉动。这种扭矩脉动不是由于外因引起的，而是由于齿轮马达的啮合点 位移变化或自身结构特性引起的。 2 1 内啮合齿轮马达的工作原理 内齿轮马达如图6 所示当向上侧腔室供入高压油p 。时，则液压力产生的扭 矩使内外齿轮顺时针转动，低压油液从下侧腔室排出。 2 f 卫6 o p e r a t i n 2p r i n c i p l eo f c r e s c e n tg e a rm o t o r i 蝌6 内l 啮台齿轮马达 安徽理i ：人学硕士学位论文 在外齿轮马达中是通过作用力的直接分析而得出有关结论的，这罩按能量守 恒原理而导出有关结论。 参看图6 ，液压力p 。作用在轮齿上使内外齿轮转动。当外齿轮转角为鹕时， 内齿轮转角为d b ，所需供液体积依次为咖，和咖：，莓供液体积咖= 咖+ 咖：，则 供入的液压能施= p 。( 珈。+ 咖：) = p 。咖；若不计泄漏和机械损失，则输出机械功 d 讳= 五d 岛+ 疋d 只，按能量守恒原理，则有 扭= d w 亡= p h ( 咖l + 毗) ：正鹕+ 疋鸩 ( 2 2 1 ) 式中： z 外齿轮上扭矩； 兀内齿轮上扭矩； d 醴外齿轮转角； 掘内齿轮转角； 咖，外齿轮转动所需供液体积； 西，内齿轮转动所需供液体积； p 。供液压力。 参看图6 ，外齿轮转过嘏时所需供液体积西；等于齿顶圆也和啮合点矢径疋 之间的齿形线扫描过的面积与齿厚度之积，即 d 咖，= 芸( 月三一只三) d b ( 2 2 2 ) 同样可得内齿轮所需的供液体积咖： 砒= 詈( r 己一) 鸩 将式( 2 2 2 ) 和式( 2 2 3 ) 代入式( 2 2 1 ) ，则有 c 等，媚= 竽陋瑚郴三瑚等 咖 由于筹= 鬻= 簧= 三 则上式可表示为 娟+ e 分警卜瑚堋当越，期 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 式中： 一一内齿轮马达输出扭矩( 折算到外齿轮轴上的输出扭矩) ， = 正+ 疋熹，兄：、码分别为外内齿轮节瞬半径： r 口外齿轮齿顶圆半径； 4 2 齿轮马达概述 r 。：内齿轮齿顶圆半径： r 。啮合点到d l 的距离： 月。啮合点到o ，的距离。 内齿轮马达啮合点c 到酋点p 的距离 为c p = 厂，c 在0 l f ) ，延长线 ：投影点为m ， 高度c m = p ，m 到节点p 的距离归= t ； 如图2 4 所示。r 矿尺。2 与厂、e 、女之 闯有如下关系 c 已 m 除 r ： 一 u 2 彤 1 ) ， 幽7 内齿轮马达啮合点 f i g 7m e s h i n gp o i n to f c 嘲c e n tg e 盯m a 自d r 另外r 。、月。2 与r 彤、 i 、噬有如下关系 r 。l = r ：+ ：，r 。2 = r ；一磁 ( 2 2 7 ) 将式( 2 2 6 ) 和式( 2 2 7 ) 代入式( 2 2 5 ) 整理得 = 譬陋”岍n 簧班o - 耖卜( 6 1 w 2 ) ( 2 1 s ， 式中： r j 外齿轮节圆半径 碍内齿轮节圆半径 肘外齿轮齿顶高 噬内齿轮齿顶高 ，啮合点到节点的距离 岛一常数，6 l = 兰陬”蚴叫2 叫2 蔷i 丙：一常数 = 争争 由= p 。d ，根据式( 2 2 8 ) 可得内齿轮马达瞬态排量梯度d 。( 门为 d 。( i 厂) = 6 一6 2 厂2 ( 2 2 9 ) 则内齿轮马达瞬念几何排量g ，( 厂) 为 9 ，= 2 加 ，= 2 万( 6 1 6 2 厂2 ) ( 2 3 0 ) 当内齿轮为标准齿轮时，则有 耻譬m 2 i2 训一扣一剁 c z q - ， 撕一娌一 + 妒： 即灿 i l | i | i 如广 安徽理i ：火学硕士学位论文 巩= 詈m 2 z 毛+ ，一惫卅一鲁，铜 铲z t + 嚣”剁 2 4 类内啮合齿轮马达的分析 ( ：! 3 2 ) ( 2 3 3 ) 以上为内齿轮马达的基本参数分析。在近年的发展中不断出现了齿轮马达的 新的结构形式，在此将其归纳为一类，即基本的机构形式类似于内啮合齿轮马达， 简称为类内啮合马达。 类内啮合马达的主要发展方向和类型介绍如下。 由这些基本受力分析，加上各种齿轮传动形式、轮齿齿廓和输出方式的不同 组合可以转化成各种类内啮合齿轮马达。 2 4 1 定轴轮系齿轮马达 如前所述，普通齿轮马达结构简单是其显著的优点。但其结构形式使其不可避 免地存在径向力不平衡、输出扭矩( 流量及压力) 脉动较大等缺陷。 在众多的传动机构中，轮系传动具有传动比大、结构紧凑、传动效率高等优 点。分析行星齿轮传动的结构可知，通过合理酌结构设计，可以使得各齿轮的受 力大为减小或完全平衡。将齿轮马达原理与轮系理论相结合的设计思路便诞生了 新一代齿轮马达复合齿轮马达“”。 内海轮 p l p 飓毋 、3 。”j 密封块 巾心轮 图8 二惰轮定轴轮系复合齿轮马达f ：作原理 f i 昌8c ，p 眦t i n gp r i n c i p l eo f h a l a n c i n gc o m p o u n dg e a rm 咖rw h hm r e ei d l e r s 复合齿轮马达按内齿轮的个数可分为单内齿轮和多内齿轮复合齿轮马达。参 6 2 齿轮马达概述 看图8 ，燎内齿轮的外蹦加一1 ：成外齿轮，按类似的结构再加上几个惰轮、密封块和 更大的内齿轮，就构成了双内齿轮复合齿轮马达。按惰轮的个数，可分为两、三 和多情轮式复合齿轮马达。 理论平均输出扭矩 这种齿轮马达利用的是定轴轮系传动原理，在很小的空问内形成了三个内齿 轮马达和三个外齿轮马达的组合，既提高了容积效率又减小了各轮上所受的轴向 力。运动平稳、噪声低。但总的来说这种马达还是利用了内啮合齿轮马达受力中 的由于齿轮啮合不平衡所产生的不平衡力矩。 由于三惰轮复合齿轮马达相当f3 个内和3 个外齿轮马达，所以可参照普通齿轮 马达的理论平均扭矩来计算复合齿轮马达的理论平均输出扭矩，则 m ，：鱼! 华= 3 a p m z 彪。”( n m ) ( 2 3 4 ) z 万 式中： 卸马达输入输出油口压力差； g 马达的理论平均排量，q = 2 刀m 2 b z ： 坍齿轮模数； 丑中心轮( 输出轮) 齿宽： z 。中心轮齿数： n 中心轮的转速。 几何排量和流量 定义复合齿轮泵的几何排量g 。为其中心轮旋转一周所排出液体的体积。复合 齿轮泵相当于三个内啮合齿轮泵和三个外啮合齿轮泵同时工作，其排量的计算方 法与普通齿轮泵相同。 则复合齿轮泵的几何排量为： q = 1 2 用能2 b z l ( 2 3 5 ) 式中： z 中心论的齿数： 口齿轮的宽度： m 齿轮的模数。 2 4 2 行星轮系齿轮马达 如正在研制中的少齿差液m 齿轮马达4 1 ( 如图9 所示) ， 安徽理j ：人学硕士学位论文 配油孔 0 2 0 l 、 豢墓基 图9 少齿差结构马达原理圈 f i 驴 s k e l e t o nd r a w i n go f t h ef e wd i 黼e n c e s0 f t e e t hm o t o r 月牙盘 这种马达利用的是行星轮系中的少齿差传动，期输出力矩不仅由齿轮啮合产 生而且还利用作用在类似于内啮合齿轮马达中d 2 轴所受的轴向力，并由少齿差传 动产生的大传动比特性输出大的转动力矩和低的转速 别k = = m 总 c = 二生一 一【珊。印( c o s 仍一仍) + ( c o s 仍一c o s 仍) 一( z b zg + 圭丑卸( r ；划) 式中： o 。d 2 两齿轮中心距d d ：= m ( “一) 。 r 。齿顶圆半径； b 齿轮的宽度； 朋齿轮的模数； 瓦内赤圈齿数； z 。外齿轮齿数； 吼、妒2 、仍、钆参看图2 0 ； s m 仍一s m 纯一钆 擘，4 s l n死一s m 仍 他一仍 ( 2 - 3 6 ) 盘油配 ：】n】；， 一 j z 6 2 街轮马达概述 卸高低压腔压蔗，卸= 职一