齿轮型多泵多马达传动系统设计与试验

闻德生 商旭东 潘为圆 马光磊 顾 攀 石滋洲

(燕山大学机械工程学院， 秦皇岛 066004)

齿轮型多泵多马达传动系统设计与试验

闻德生 商旭东 潘为圆 马光磊 顾 攀 石滋洲

(燕山大学机械工程学院， 秦皇岛 066004)

为了使定量泵输出多级定流量以及定量马达输出多级定转速和定转矩，在比例型和并联型齿轮多泵/多马达的基础上提出了齿轮型多泵多马达传动理论。基于1-1比例型和3并联型齿轮多泵/多马达设计了2种齿轮型多泵多马达传动系统，并阐述了其工作原理和特点，且对2种齿轮型多泵多马达传动系统在不同工作方式下的输出特性进行了理论分析和拓展，并搭建了齿轮型多泵多马达传动系统试验平台。试验结果表明：齿轮型多泵多马达传动系统在不同工作方式下可输出多级定转速和定转矩，且各级转速和转矩存在一定的比例关系。试验结果与理论分析基本一致，验证了理论分析的正确性，为齿轮型多泵多马达传动系统的设计与研究奠定了基础。

传动系统； 比例型； 并联型； 齿轮； 多泵多马达； 输出特性

引言

液压传动以其功率质量比大、控制灵活、调速方便等优点被广泛应用于航天、工程机械、农业机械等行业中，液压传动的应用与发展水平已成为衡量一个国家工业水平的重要标志[1]。液压泵和液压马达作为液压传动系统中的动力元件和执行元件，是其重要组成部分，而齿轮泵和齿轮马达作为液压传动领域应用较为广泛的液压元件，其具有结构简单、加工工艺性好、耐污染等特点[2-4]。但因齿轮泵和齿轮马达排量不能调节，在很大程度上限制了它的应用范围[5]。

目前各行业广泛应用的液压传动系统均是由单泵和单马达组成[6-8]，这种传动系统在实际应用中存在着一定的不足：一个系统需要多级定流量时，一个定量泵无法实现；现有定量马达难以实现多级定转速和定转矩的输出等。为解决上述问题，本文在比例型齿轮多泵/多马达和并联型齿轮多泵/多马达的基础上，设计齿轮型多泵多马达传动系统，并对该传动系统的输出特性进行理论分析和试验研究，以期为多泵多马达传动系统的设计与应用奠定基础。

1 齿轮型多泵/多马达工作原理

多泵/多马达是指一个转子对应2个定子或一个定子对应2个转子，在一个壳体内形成多个相互独立的泵(马达)。而齿轮型多泵/多马达根据其壳体内所含子泵、子马达的特点，分为比例型和并联型。

1.1 比例型齿轮多泵/多马达工作原理

比例型齿轮多泵/多马达是指一个壳体内有2组相互独立的内泵和外泵(内马达和外马达)，其排量不等且成一定比例关系，比例系数取决于齿轮泵(马达)的结构尺寸，实现了一体多泵(马达)[9-16]。比例型齿轮多泵原理图如图1所示，该泵是集内啮合齿轮泵(简称内泵)和外啮合齿轮泵(简称外泵)于一个壳体内，其中内泵由共齿轮的内齿轮、小齿轮、月牙板、内泵进出油口组成；外泵由共齿轮的外齿轮、大齿轮、外泵进出油口组成。内、外泵既可单独工作，又可以同时工作。

图1 比例型齿轮多泵原理图Fig.1 Principle diagram of proportional gear multi-pump1.壳体 2.大齿轮 3.共齿轮 4.小齿轮 5.月牙板 6.定位销a.外泵出油口 b.外泵进油口 c.内泵进油口 d.内泵出油口

比例型齿轮多泵/多马达理论上可实现在一个壳体内形成X个内泵(马达)和Y个外泵(马达)，可以实现齿轮泵的多输出和齿轮马达的多输入。

1.2 并联型齿轮多泵/多马达工作原理

并联型齿轮多泵/多马达是指在一个壳体内有多个排量相等且相互独立的子泵(马达)[17-18]。并联型齿轮多马达原理图如图2所示，该并联型齿轮多马达主要由中心齿轮、3个对称布置的空转齿轮、壳体及端盖等组成。中心齿轮和3个空转齿轮分别构成3个排量相等且相互独立的外啮合齿轮泵。并联型齿轮多泵/多马达理论上可实现在一个壳体内形成Z个相同排量的子泵(马达)。可通过控制并联型齿轮多泵/多马达进出油口的连接方式，来改变工作子泵(马达)的数量，扩大了工作方式和应用范围。

图2 并联型齿轮多马达原理图Fig.2 Principle diagram of parallel gear multi-motor

2 齿轮型多泵多马达传动概述

2.1 齿轮型多泵/多马达的符号规定

对齿轮型多泵/多马达的名称和职能符号作出如下规定：

(1)由X个内泵(马达)和Y个外泵(马达)组成的比例型齿轮多泵/多马达称为X-Y比例型齿轮多泵/多马达(简称X-Y型多泵/多马达)；由Z个子泵(马达)组成的并联型多泵/多马达称为Z并联型齿轮多泵/多马达(简称Z型多泵/多马达)。

(2)比例型齿轮多泵/多马达的内、外泵(马达)采用同轴的符号，外泵(马达)与传统的定量单泵(马达)的圆圈符号相同，内泵(马达)用同心的2个圆圈来表示，圆圈内三角个数表示内、外泵(马达)数；并联型齿轮多泵/多马达壳体内有几个子泵(马达)，就在圆圈内画几个三角。

1-1型多泵见图3a，3型多马达见图3b。

图3 多泵/多马达的职能符号Fig.3 Symbol figures of multi-pump and multi-motor

在齿轮型多泵多马达传动系统中，通过切换该系统不同的连接方式，齿轮型多泵可以实现向一个系统提供多级定流量，也可以不用减压阀分别给多个不同压力执行机构供油；齿轮型多马达可输出多级定转速和定转矩[19-20]。且齿轮型多泵/多马达理论容积效率较高，径向受力较小，由其组成的齿轮型多泵多马达传动系统不仅有多种输出特性，且具有低脉动、低噪声等特点，该传动系统具有很强的实用性。齿轮型多泵/多马达部分连接方式如图4所示。

图4 齿轮型多泵/多马达部分连接方式Fig.4 Partial connection methods of gear multi-pump and gear multi-motor

2.2 齿轮型多泵多马达传动系统的分类

齿轮型多泵多马达传动是一种新型传动方式，该传动系统按照齿轮型多泵/多马达的特点可分为：①并联型齿轮多泵-并联型齿轮多马达传动。②比例型齿轮多泵-比例型齿轮多马达传动。③比例型齿轮多泵-并联型齿轮多马达传动。④并联型齿轮多泵-比例型齿轮多马达传动。本文只对后2种传动系统进行设计与分析。

3 比例型齿轮多泵-并联型齿轮多马达传动系统设计

以1-1型多泵和3型多马达所形成的比例型齿轮多泵-并联型齿轮多马达传动系统为例，对该传动系统进行设计与分析，并对其理论拓展得出该类传动的输出规律。

3.1 1-1型多泵-3型多马达传动系统设计与分析

3.1.1 多泵多马达传动系统工作原理

图5为1-1型多泵-3型多马达传动系统原理图。在该传动系统中，换向阀6、7分别控制1-1型多泵中内、外泵的工作情况，换向阀8、9、10分别控制3型多马达中的3个子马达的工作情况，1-1型多泵在内泵单独工作、外泵单独工作、内外泵同时工作3种工作方式下的系统压力分别由溢流阀2、4、1调定。该多泵多马达传动系统可通过换向阀5、6、7实现多种工作方式，具体情况如表1所示。

图5 1-1型多泵-3型多马达传动系统原理图Fig.5 Principle diagram of 1-1 multi-pump and 3 multi-motor driving system1、2、4.溢流阀 3.1-1型多泵 5.二位二通换向阀 6、7.二位三通换向阀 8、9、10.三位四通换向阀 11.3型多马达

3.1.2 系统输出特性分析

对于1-1型多泵，设内泵排量为V1，外泵排量为V2，由其结构可知V2>V1，则该泵中外泵与内泵的排量比例系数为c为

(1)

设电动机转速为nd，该泵在3种工作方式下输出的流量为

(2)

若不计流量及压力损失，当内泵和1个子马达工作时，系统输出的转速和转矩为

(3)

式中V3——3型多马达中1个子马达的排量 Δpin——内泵单独工作时多马达进出口压差

同理，当外泵和1个子马达工作时，系统输出的转速和转矩为

(4)

式中 Δpout——外泵单独工作时多马达进出口压差

内、外泵和1个子马达工作时，系统输出的转速和转矩为

(5)

式中 Δptog——内、外泵同时工作时多马达进出口压差

则1-1型多泵和3型多马达在不同工作方式下，该系统的输出特性如表1所示。

由表1可知，通过调节1-1型多泵和3型多马达的工作方式，该传动系统中可输出9级定转速和定转矩。

表1 系统的工作方式和输出特性

注：表中只给出了液压马达正转时电磁铁的得电情况。

3.1.3 系统功率特性分析

(1)恒功率工况

由表1可知，当多泵的工作方式不变时，在不考虑泄漏损失的情况下，多马达的输出功率为常数。如内泵单独工作时，多马达在3种工作方式下的输出功率Pin为

(6)

同理，当外泵单独工作或内、外泵同时工作时，多马达在3种工作方式下的输出功率也分别恒定。且在每种恒功率工况下，可通过改变多马达的工作方式，使多马达输出多级定转速和定转矩，且转速和转矩呈反比例函数关系。因此该系统可以根据工况需求，对外输出高速小转矩、中速中转矩和低速大转矩。

(2)恒转矩工况

在该系统中，通过调节溢流阀来控制系统压力，使系统在不同的工作方式下，多马达进出口压差相同。当系统中多马达的工作子马达数z(z可取1、2、3)恒定时，在不同的供油方式下多马达的输出转矩相同，即

Tz=zT11=zT21=zT31=zT1

(7)

则在恒转矩工况下，通过调节多马达中3个子马达的工作情况而输出3级定转矩，且与系统中多泵的工作方式无关。

3.2X-Y型多泵-Z型多马达传动系统输出特性

在X-Y型多泵中，工作的内泵数量x可为0，1，2，…，X；工作的外泵数量y可为0，1，2，…，Y，则该泵共有XY+X+Y种工作方式。当输入轴转速nd一定时，该泵能输出XY+X+Y种定流量。则该泵的输出流量Q可表示为

Q=(x+cy)Vpnnd

(8)

式中Vpn——多泵中1个内泵的排量

而对于Z型多马达，工作的子马达数量z可为1，2，…，Z，则多马达的工作方式有Z种。由X-Y型多泵与Z型多马达所形成的齿轮型多泵多马达传动系统共有(XY+X+Y)Z种工作方式，在每种工作方式下系统输出的转速和转矩为

(9)

式中Vmz——Z型多马达中1个子马达的排量 Δp——Z型多马达进出口压差

4 并联型齿轮多泵-比例型齿轮多马达传动系统设计

以3型多泵和1-1型多马达所形成的并联型齿轮多泵-比例型齿轮多马达传动系统为例，对该传动系统进行设计与分析，并对其进行理论拓展得出该类传动的输出规律。

4.1 3型多泵-1-1型多马达传动系统设计

4.1.1 多泵多马达传动系统的工作原理

图6为3型多泵-1-1型多马达传动系统原理图。在该系统中，换向阀5、6、7分别控制3型多泵中3个子泵的工作情况，换向阀8和换向阀9共同控制1-1型多马达中内、外马达的工作情况，使该马达可实现4种工作方式。3型多泵在不同工作方式下的系统压力由溢流阀1、2、4调定。该多泵多马达传动系统可通过换向阀实现多种工作方式，具体情况如表2所示。

4.1.2 系统的输出特性分析

在3型多泵-1-1型多马达传动系统中当电动机转速不变时，3型多泵可通过切换3种工作方式输出3种不同压力、不同流量的压力油，则该泵在不同工作方式下输出的流量关系为

(10)

若不计流量及压力损失，设1-1型多马达中内马达的排量为Vm1，外马达与内马达的排量比例系数为k。对于该传动系统，当1个子泵和内马达工作时，系统输出的转速和转矩为

(11)

式中 Δp1——1个子泵工作时多马达进出口压差

图6 3型多泵-1-1型多马达传动系统原理图Fig.6 Principle diagram of 3 multi-pump and 1-1 multi-motor driving system1、2、4.溢流阀 3.3型多泵 5、6、7、9.二位三通换向阀 8.三位四通换向阀 10.1-1型多马达

同理，当2个子泵和内马达工作时，系统输出的转速和转矩为

(12)

式中 Δp2——2个子泵工作时多马达进出口压差

当3个子泵和内马达工作时，系统输出的转速和转矩为

(13)

表2 系统的工作方式和输出特性

注：表中内马达数为-1表示内、外马达差动工作，此时内马达实现了泵的工作原理。

式中 Δp3——3个子泵工作时多马达进出口压差

该多泵多马达传动系统在不同工作方式下的输出特性如表2所示。

由表2可以得出，3型多泵-1-1型多马达传动系统可输出12级定转速和定转矩。

4.1.3 系统的功率特性分析

(1)恒功率工况

在3型多泵-1-1型多马达传动系统中，若不考虑流量损失，当多泵的工作方式不变时，多马达的输出功率恒定。如当1个子泵单独工作时，多马达在4种工作方式下输出的功率P1为

(14)

则多马达在每种恒功率下工作时，可输出多级转速和转矩，提高了系统的使用性能。

(2)恒转矩工况

在该传动系统中，当多泵在不同工作方式下，多马达进出口压差相同时，在不同的供油方式下多马达的输出转矩为

(15)

式中d——转矩系数

d与1-1型多马达的工作方式有关，多马达在内马达单独工作、外马达单独工作、内外马达同时工作、内外马达差动工作4种工作方式下，d的取值分别为1、k、k+1、k-1。

由上述分析可知，当多马达的工作方式不变时，在不同的供油方式下多马达的输出转矩恒定。则该系统在恒转矩工况下，可通过改变多马达的工作方式使其输出4级定转矩，且与多泵的工作方式无关。

4.2Z型多泵-X-Y型多马达传动系统的输出特性

在Z型多泵中，工作的子泵数量l可为1，2，…，Z，则多泵的工作方式有Z种，当输入轴转速nd一定时，能输出Z种流量。该泵的输出流量可表示为

Q*=lVpnnd

(16)

式中Vpn——Z型多泵中1个子泵的排量

对于X-Y型多马达，工作的内马达数量i可为0，1，2，…，X；工作的外马达数量j可为0，1，2，…，Y，该马达的工作方式有2XY+X+Y种。则该传动系统有Z(2XY+X+Y)种工作方式。在任意一种工作方式下系统输出的转速和转矩为

(17)

式中Vmn——X-Y型多马达中1个内马达排量

5 试验

因2种齿轮型多泵多马达传动系统有许多共同点，则本文只对1-1型多泵-3型多马达传动系统进行了原理性试验。为了更好地验证齿轮型多泵多马达传动系统的可行性，用已加工出的1-1型多泵和3型多马达样机搭建出试验测试平台，如图7所示。试验中各主要元件的参数如表3所示。

图7 多泵多马达传动系统试验平台Fig.7 Experimental platform of multi-pump and multi-motor driving system

元件参数数值比例型齿轮泵内泵理论排量V1/(mL·r-1)681外泵理论排量V2/(mL·r-1)2724并联型齿轮马达1个子马达理论排量V3/(mL·r-1)1832电动机电动机转速nd/(r·min-1)1000

测得该系统在不同工况下输出特性的试验数据如表4～6所示。

表4 内泵单独工作试验数据

由表4～6可知，该多泵多马达传动系统通过切换不同的工作方式可输出多级转速和转矩。当系统工作压力和多马达工作方式相同时，多马达的输出转矩近似相等，且多马达在内外泵分别单独供油时输出转速的比值与内外泵的排量比例系数近似。因样机加工精度、容积损失和人工操作的影响，试验结果和理论分析略有偏差，但基本一致，从而验证了理论分析的正确性。

表5 外泵单独工作试验数据

表6 内、外泵同时工作试验数据

6 结论

(1)比例型齿轮多泵/多马达在一个壳体内有多个相互独立的内、外泵(马达)，且内、外泵(马达)的排量成一定比例；并联型齿轮多泵/多马达是集多个排量相同且相互独立的子泵(马达)于一体。

(2)因齿轮型多泵/多马达的特殊结构，齿轮型多泵可输出多级定流量；齿轮型多马达可输出多级定转速和定转矩，且比例型齿轮多马达可实现马达的差动连接，齿轮型多泵/多马达不仅丰富了新型液压元件，且为新型液压传动奠定了基础。

(3)基于齿轮型多泵/多马达设计的齿轮型多泵多马达传动系统是一种新的传动方式，可实现多级定转速和定转矩的输出，且各级转速和转矩的大小由多泵和多马达的工作方式及排量比例系数决定。并在此基础上对齿轮型多泵多马达传动系统理论进一步拓展，将其输出特性规律化，为齿轮型多泵多马达传动系统的研究与应用提供了理论依据。

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Design and Experiment on Gear Multi-pump and Multi-motor Driving System

WEN Desheng SHANG Xudong PAN Weiyuan MA Guanglei GU Pan SHI Zizhou

(CollegeofMechanicalEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China)

In order to make constant displacement pump output of multi flows, and make constant displacement motor output of multi speeds and multi torques, the proportional type and parallel type of gear multi-pump (multi-motor) consisted of several single pumps and motors were designed, a theory of gear multi-pump and multi-motor driving system was presented based on the proportional type and parallel type of gear multi-pump (multi-motor). The principle of two multi-pump (multi-motor) was introduced, two gear multi-pump and multi-motor driving systems were designed based on 1-1 proportional type and 3 parallel type gear multi-pump (multi-motor), and the principle and characteristics of them were introduced, the output characteristics of the two gear multi-pump and multi-motor driving systems in different working ways were analyzed, and the output characteristics of two gear multi-pump and multi-motor driving systems consisted of X-Y proportional and Z parallel gear multi-pump (multi-motor) were expanded, the experimental platform of gear multi-pump and multi-motor driving system was built. The result showed that the driving system can output multi speeds and multi torques, and there was a certain ratio between the speed and torque levels. The experimental result was consistent with the theoretical analysis, which showed the correctness of theoretical analysis. The research provided a basis for design and research on multi-pump and multi-motor driving system.

driving system; proportional type; parallel type; gear; multi-pump and multi-motor; output characteristics

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.053

2016-09-12

2016-10-11

国家自然科学基金项目(50975246)

闻德生(1954—)，男，教授，博士生导师，主要从事液压元件和液压传动研究，E-mail： wendesheng@ysu.edu.cn

TH137

A

1000-1298(2017)06-0399-08