基于液压力矩对非圆齿轮马达配流规律的研究

刘光辉，李殿起，魏 爽,陈平亮，尚志强

(沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110023)



基于液压力矩对非圆齿轮马达配流规律的研究

刘光辉，李殿起，魏 爽,陈平亮，尚志强

(沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110023)

在研究非圆齿轮液压马达各容腔液压力矩的存在状态及作用规律的基础上,采用分析各容腔力矩存在状态的方法，结合配油盘的设计理论，对马达的配流规律进行研究，得到马达的具体配流规律。使得对配流盘的分析及配流规律的研究有理有据且结果更加直观，为非圆齿轮液压马达的研究提供理论支持。

非圆齿轮液压马达；力矩；配流规律

0 前言

目前，非圆齿轮液压马达是非圆齿轮应用较为成功的一项成果，非圆齿轮液压马达具有结构简单、效率高、低速大扭矩、调速性能良好、抗污染能力强等优点，使其在各种工况下，尤其是恶劣环境中得到广泛的应用。非圆齿轮液压马达是由非圆齿轮轮系(内齿圈、太阳轮、行星轮)、配流盘、输出轴、轴承等零件组成(如图1所示)。太阳轮、内齿圈及两个相邻的行星轮组成密闭的工作容腔。工作油液经进油口进入密封容腔，作用在行星轮上产生液压力矩，推动行星轮与太阳轮啮合旋转运动。在旋转过程中，密闭容腔进排油腔循环变化，太阳轮不断旋转带动输出轴旋转输出力矩。目前，大部分的研究着重在对非圆齿轮轮系的研究上，而对非圆齿轮液压马达性能方面研究比较少，尤其是马达液压力矩和配流规律方面的研究更少。由于非圆齿轮液压马达的配流盘具有多个配流口和多个密闭的容腔，其通过行星轮的运动控制着配流口的开闭，太阳轮和行星轮的旋转使得配流口处于打开和关闭的交替状态。直接通过太阳轮旋转不同的角度来判断配流口的工作状态是较为困难的，很容易混淆各配流口，无法真实准确地对马达的配流规律进行研究。本文通过对马达各容腔液压力矩的分析，结合马达配流盘设计理论，对马达的配流规律进行研究。

1.进油盘 2.进油口 3.密封环 4.出油口 5.排油盘 6.太阳轮 7.行星轮 8.内齿圈 9.输出轴图1 非圆齿轮马达及其齿轮轮系Fig.1 Non-circular gear hydraulic motor and non-circular gear

1 马达液压力矩作用规律研究

以图2中太阳轮的位置定义为初始位置，并对各个容腔进行编号，如图2所示。给定太阳轮特殊的旋转角度，研究各容腔之间力矩相互作用的关系，更有利于对该类马达的力矩进行研究与分析。

根据配流盘的设计过程，当太阳轮旋转到图2位置时，3号和8号容腔处于进油口刚要打开，排油口刚刚闭合的位置，其腔内力矩为0。给定太阳轮运转特殊角度，研究各腔力矩的变化规律，进而对马达力矩进行分析。由于马达的对称性，相对的两个容腔(图2中1和6、2和7、3和8、4和9、5和10)的力矩状态是相同的，所以只分析1-5容腔的力矩状态即可。分析结果如表1所示。

图2 容腔编号Fig.2 The cavity number

太阳轮旋转角度容腔1容腔2容腔3容腔4容腔500(排油)1(有)0+(临界)0(排油)1(有)π/120(排油)0-(临界)1(有)0(排油)1(有)π/60+(临界)0(排油)1(有)0(排油)1(有)π/41(有)0(排油)1(有)0(排油)0-(临界)π/31(有)0(排油)1(有)0+(临界)0(排油)5π/121(有)0(排油)0-(临界)1(有)0(排油)π/21(有)0+(临界)0(排油)1(有)0(排油)7π/120-(临界)1(有)0(排油)1(有)0(排油)2π/30(排油)1(有)0(排油)1(有)0+(临界)3π/40(排油)1(有)0(排油)0-(临界)1(有)5π/60(排油)1(有)0+(临界)0(排油)1(有)

注：0+(临界)表示此位置力矩为0且处于容腔面积最小的位置。此后容腔的面积将逐渐增大;0-(临界)表示此位置力矩为0且处于容腔面积最大的位置。此后容腔的面积将逐渐减小;0(排油)表示该位置容腔与排油口接通，力矩为0;1(有)表示该位置与进油口接通，有力矩产生。

对表1进行分析：

(1)对单腔来说，力矩循环以太阳轮旋转(5π)/6为周期。从0+(临界)位置到0-(临界)位置有力矩产生，在此期间，太阳轮旋转5π/12。从0-(临界)位置到0+(临界)位置由于与排油口接通，故力矩都为0。

(2)当太阳轮旋转到表格中的固定角度时，除去临界状态的容腔，其他容腔处于0(排油)到1(有)或1(有)到0(排油)交替循环状态。而固定角度之间，0+(临界)与 0-(临界)也是处于交替循环状态。

2 液压力矩对马达配流规律的研究

设计配流盘时采用的是容腔面积最大与最小的方法，其中最大面积与最小面积的位置是太阳轮旋转到某些特定的角度时的位置。在这些特定的角度位置，配流盘是处于开始进油或者开始排油的临界状态，无法对其配流规律做出研究。因此，太阳轮旋转角度都是处于打开区间的范围内，不考虑端点值。各个容腔的力矩在端点值时都为0，所以力矩为0的临界状态也不考虑。力矩存在时也不考虑该状态时力矩数值的大小。进油口和排油口也只考虑接通或不接通的状态，而不考虑配流口由于行星轮的作用而所接通的面积大小。由于配流口的数目较多，所以只考虑起作用的配流口的数目，而先不考虑具体起作用的配流口。

在以上假设条件下，对太阳轮旋转一个周期内进油口和排油口的工作状态进行研究，达到对马达配流机构的配流规律进行研究的目的。该种研究方法是对马达配流口瞬时配流规律的研究，只是不包括若干特殊点位置即处于进油或排油的临界状态的位置。通过分析得到如表2所示的太阳轮旋转一个周期内6个进油口与6个排油口之间的作用规律。

表2 非圆齿轮液压马达配流规律

从表2可以得到：

(1)非圆齿轮液压马达在进油时只存在4个进油口同时进油或6个进油口同时进油的两种情况；排油时也只存在6个排油口同时排油或4个排油口同时排油的两种情况。

(2)6进4排和4进6排的两种状态交替存在，且太阳轮每旋转π/12完成一次交替。

液压马达在旋转的过程中配流盘始终是固定的，6个进油口和6个排油口就分别存在着固定的位置关系。由于进油口和排油口具有对称性，所以在对具体的配油口作用规律进行研究时，只针对马达正转时工作状态进行研究。如图3和图4所示，对进油口和排油口单独编号且油口按照装配时的固定位置进行编号。

图3 进油口排序Fig.3 The sorting of oil inlet

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

由于内齿圈和太阳轮的对称性，所以处在同一条过旋转轴心直线上的配油口具有相同的配流作用。1和4，2和5 ，3和6分别具有完全一致的作用规律。因此只对1、2、3进油口进行具体配流规律的研究。进油口和排油口都只存在4个或6个油口同时配流的状态，结合表2的力矩状态，得到具体的配流口作用规律，如表3所示。

表3 非圆齿轮液压马达具体配流规律

注：①表中空白地方表示1～3号配油口全部进行工作;②表中仅对1～3号配流口进行研究， 4～6号也分别对应1～3号配流口一起工作。

从表3中可以得到：

3 结论

非圆齿轮液压马达具有体积小、脉动小、机构简单、低速大扭矩的特点，在煤矿机械、工程机械等多种领域得到应用，具有较高的研究价值。但国内对于该类马达研究并不成熟，正处于起步阶段，尤其是在该类马达性能方面的研究。本文提出的分析各容腔力矩存在状态的方法来研究配流规律，再结合配流盘设计思路，使得对马达的配流规律有更加直观的认识，为以后更好的研究该类马达具有一定的参考价值。

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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

国家自然科学基(51105257,51310105025)；辽宁省高等学校杰出青年学者成长计划(LQJ2014012)；中国博士后科学基金(2015M571327)

刘光辉(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为非圆齿轮液压马达性能。

TH132.424

A

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