基于液壓力矩對非圓齒輪馬達配流規律的研究

劉光輝，李殿起，魏 爽,陳平亮，尚志強

(沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110023)

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基于液壓力矩對非圓齒輪馬達配流規律的研究

劉光輝，李殿起，魏 爽,陳平亮，尚志強

(沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110023)

在研究非圓齒輪液壓馬達各容腔液壓力矩的存在狀態及作用規律的基礎上,采用分析各容腔力矩存在狀態的方法，結合配油盤的設計理論，對馬達的配流規律進行研究，得到馬達的具體配流規律。使得對配流盤的分析及配流規律的研究有理有據且結果更加直觀，為非圓齒輪液壓馬達的研究提供理論支持。

非圓齒輪液壓馬達；力矩；配流規律

0 前言

目前，非圓齒輪液壓馬達是非圓齒輪應用較為成功的一項成果，非圓齒輪液壓馬達具有結構簡單、效率高、低速大扭矩、調速性能良好、抗污染能力強等優點，使其在各種工況下，尤其是惡劣環境中得到廣泛的應用。非圓齒輪液壓馬達是由非圓齒輪輪系(內齒圈、太陽輪、行星輪)、配流盤、輸出軸、軸承等零件組成(如圖1所示)。太陽輪、內齒圈及兩個相鄰的行星輪組成密閉的工作容腔。工作油液經進油口進入密封容腔，作用在行星輪上產生液壓力矩，推動行星輪與太陽輪嚙合旋轉運動。在旋轉過程中，密閉容腔進排油腔循環變化，太陽輪不斷旋轉帶動輸出軸旋轉輸出力矩。目前，大部分的研究著重在對非圓齒輪輪系的研究上，而對非圓齒輪液壓馬達性能方面研究比較少，尤其是馬達液壓力矩和配流規律方面的研究更少。由于非圓齒輪液壓馬達的配流盤具有多個配流口和多個密閉的容腔，其通過行星輪的運動控制著配流口的開閉，太陽輪和行星輪的旋轉使得配流口處于打開和關閉的交替狀態。直接通過太陽輪旋轉不同的角度來判斷配流口的工作狀態是較為困難的，很容易混淆各配流口，無法真實準確地對馬達的配流規律進行研究。本文通過對馬達各容腔液壓力矩的分析，結合馬達配流盤設計理論，對馬達的配流規律進行研究。

1.進油盤 2.進油口 3.密封環 4.出油口 5.排油盤 6.太陽輪 7.行星輪 8.內齒圈 9.輸出軸圖1 非圓齒輪馬達及其齒輪輪系Fig.1 Non-circular gear hydraulic motor and non-circular gear

1 馬達液壓力矩作用規律研究

以圖2中太陽輪的位置定義為初始位置，并對各個容腔進行編號，如圖2所示。給定太陽輪特殊的旋轉角度，研究各容腔之間力矩相互作用的關系，更有利于對該類馬達的力矩進行研究與分析。

根據配流盤的設計過程，當太陽輪旋轉到圖2位置時，3號和8號容腔處于進油口剛要打開，排油口剛剛閉合的位置，其腔內力矩為0。給定太陽輪運轉特殊角度，研究各腔力矩的變化規律，進而對馬達力矩進行分析。由于馬達的對稱性，相對的兩個容腔(圖2中1和6、2和7、3和8、4和9、5和10)的力矩狀態是相同的，所以只分析1-5容腔的力矩狀態即可。分析結果如表1所示。

圖2 容腔編號Fig.2 The cavity number

太陽輪旋轉角度容腔1容腔2容腔3容腔4容腔500(排油)1(有)0+(臨界)0(排油)1(有)π/120(排油)0-(臨界)1(有)0(排油)1(有)π/60+(臨界)0(排油)1(有)0(排油)1(有)π/41(有)0(排油)1(有)0(排油)0-(臨界)π/31(有)0(排油)1(有)0+(臨界)0(排油)5π/121(有)0(排油)0-(臨界)1(有)0(排油)π/21(有)0+(臨界)0(排油)1(有)0(排油)7π/120-(臨界)1(有)0(排油)1(有)0(排油)2π/30(排油)1(有)0(排油)1(有)0+(臨界)3π/40(排油)1(有)0(排油)0-(臨界)1(有)5π/60(排油)1(有)0+(臨界)0(排油)1(有)

注：0+(臨界)表示此位置力矩為0且處于容腔面積最小的位置。此后容腔的面積將逐漸增大;0-(臨界)表示此位置力矩為0且處于容腔面積最大的位置。此后容腔的面積將逐漸減小;0(排油)表示該位置容腔與排油口接通，力矩為0;1(有)表示該位置與進油口接通，有力矩產生。

對表1進行分析：

(1)對單腔來說，力矩循環以太陽輪旋轉(5π)/6為周期。從0+(臨界)位置到0-(臨界)位置有力矩產生，在此期間，太陽輪旋轉5π/12。從0-(臨界)位置到0+(臨界)位置由于與排油口接通，故力矩都為0。

(2)當太陽輪旋轉到表格中的固定角度時，除去臨界狀態的容腔，其他容腔處于0(排油)到1(有)或1(有)到0(排油)交替循環狀態。而固定角度之間，0+(臨界)與 0-(臨界)也是處于交替循環狀態。

2 液壓力矩對馬達配流規律的研究

設計配流盤時采用的是容腔面積最大與最小的方法，其中最大面積與最小面積的位置是太陽輪旋轉到某些特定的角度時的位置。在這些特定的角度位置，配流盤是處于開始進油或者開始排油的臨界狀態，無法對其配流規律做出研究。因此，太陽輪旋轉角度都是處于打開區間的范圍內，不考慮端點值。各個容腔的力矩在端點值時都為0，所以力矩為0的臨界狀態也不考慮。力矩存在時也不考慮該狀態時力矩數值的大小。進油口和排油口也只考慮接通或不接通的狀態，而不考慮配流口由于行星輪的作用而所接通的面積大小。由于配流口的數目較多，所以只考慮起作用的配流口的數目，而先不考慮具體起作用的配流口。

在以上假設條件下，對太陽輪旋轉一個周期內進油口和排油口的工作狀態進行研究，達到對馬達配流機構的配流規律進行研究的目的。該種研究方法是對馬達配流口瞬時配流規律的研究，只是不包括若干特殊點位置即處于進油或排油的臨界狀態的位置。通過分析得到如表2所示的太陽輪旋轉一個周期內6個進油口與6個排油口之間的作用規律。

表2 非圓齒輪液壓馬達配流規律

從表2可以得到：

(1)非圓齒輪液壓馬達在進油時只存在4個進油口同時進油或6個進油口同時進油的兩種情況；排油時也只存在6個排油口同時排油或4個排油口同時排油的兩種情況。

(2)6進4排和4進6排的兩種狀態交替存在，且太陽輪每旋轉π/12完成一次交替。

液壓馬達在旋轉的過程中配流盤始終是固定的，6個進油口和6個排油口就分別存在著固定的位置關系。由于進油口和排油口具有對稱性，所以在對具體的配油口作用規律進行研究時，只針對馬達正轉時工作狀態進行研究。如圖3和圖4所示，對進油口和排油口單獨編號且油口按照裝配時的固定位置進行編號。

圖3 進油口排序Fig.3 The sorting of oil inlet

圖4 排油口排序Fig.4 The sorting of oil outlet

由于內齒圈和太陽輪的對稱性，所以處在同一條過旋轉軸心直線上的配油口具有相同的配流作用。1和4，2和5 ，3和6分別具有完全一致的作用規律。因此只對1、2、3進油口進行具體配流規律的研究。進油口和排油口都只存在4個或6個油口同時配流的狀態，結合表2的力矩狀態，得到具體的配流口作用規律，如表3所示。

表3 非圓齒輪液壓馬達具體配流規律

注：①表中空白地方表示1～3號配油口全部進行工作;②表中僅對1～3號配流口進行研究， 4～6號也分別對應1～3號配流口一起工作。

從表3中可以得到：

3 結論

非圓齒輪液壓馬達具有體積小、脈動小、機構簡單、低速大扭矩的特點，在煤礦機械、工程機械等多種領域得到應用，具有較高的研究價值。但國內對于該類馬達研究并不成熟，正處于起步階段，尤其是在該類馬達性能方面的研究。本文提出的分析各容腔力矩存在狀態的方法來研究配流規律，再結合配流盤設計思路，使得對馬達的配流規律有更加直觀的認識，為以后更好的研究該類馬達具有一定的參考價值。

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Study on assignment rule of non-circular gear motor based on hydraulic torque

LIU Guang-hui，LI Dian-qi, WEI Shuang，CHEN Ping-liang，SHANG Zhi-qiang

(School of Mechanical Engineering, Shenyang 110023,China)

The state of existence and the rule of action of hydraulic torque of each chamber of the non-circular gear hydraulic motor are studied，the assignment law of motor is studied and the specific assignment rule of motor is known. The designing theory of the port plate is considered. This makes the analysis of port plate and the study of assignment rules reasoned and the results more intuitive, providing theoretical support for the research of non-circular gear hydraulic motor.

non-circular gear hydraulic motor; torque; assignment rule

2016-06-21；

2016-08-03

國家自然科學基(51105257,51310105025)；遼寧省高等學校杰出青年學者成長計劃(LQJ2014012)；中國博士后科學基金(2015M571327)

劉光輝(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為非圓齒輪液壓馬達性能。

TH132.424

A

1001-196X(2016)05-0031-05