專利名稱：平衡式行星齒輪泵的制作方法
齒輪泵結(jié)構(gòu)簡單，但齒輪所受徑向液壓使輪軸易彎、軸承負(fù)荷過大，是限制它的總效率及功率密度提高的主要障礙。專利文獻(xiàn)美國4872536、中國86106471的說明書構(gòu)成了使齒輪泵無級變量的方法，使液壓無級變速除具有原有一系列優(yōu)點之外，尚能夠低成本制造，但仍未能很好解決液壓結(jié)構(gòu)的總效率不夠高這一問題。本發(fā)明的方法，是使其壓力作用于齒輪輪齒的高液壓區(qū)能夠圍繞齒輪轉(zhuǎn)軸均勻分布，所產(chǎn)生之徑向壓力相互抵消，達(dá)到齒輪的徑向液壓平衡。對于齒輪馬達(dá)，本發(fā)明的方法同樣成立。
象示意1那樣，1～4代表4只相互嚙合的齒輪，徑向密封由其兩端與齒頂液密貼合的徑向密封塊(以下簡稱徑密塊)5～7完成，按圖示齒輪轉(zhuǎn)向，點陰影區(qū)為高液壓區(qū)，高、低壓液體均經(jīng)完成軸向密封的側(cè)板(

圖1未示出)上的軸向通口流出、流入，構(gòu)成3個等效外齒輪泵。8代表外殼。對于齒輪2、3，高壓區(qū)繞其轉(zhuǎn)軸均勻分布，所受徑向液壓相互抵消。齒輪1、4仍受單向液壓。顯然，串聯(lián)嚙合的齒輪越多，齒輪組承受的總的平均徑向液壓越低。因此，進(jìn)一步地使用內(nèi)齒輪使嚙合的齒輪系統(tǒng)封閉，此方法可得到徑向壓力完全平衡的齒輪泵。
象示意2那樣，10代表內(nèi)齒輪，9代表外齒輪太陽輪，11～14代表4只勻布的外齒輪行星輪，15～22代表8個徑密塊，構(gòu)成8個等效泵。按圖示齒輪轉(zhuǎn)向，點陰影區(qū)為高壓區(qū)。側(cè)板及開于其上的高、低壓油通口圖中未標(biāo)出。由于作用于每一齒輪輪齒上之高壓區(qū)都是圍繞齒輪轉(zhuǎn)軸均勻分布的，故每一齒輪都是徑向液壓平衡的。調(diào)整齒輪周遭高壓區(qū)的分布及其對齒輪的包角的大小，也可以有意地實現(xiàn)徑向液壓力不平衡，以使徑向液壓力的合力所具有的指向和大小恰能抵消齒輪、輪軸及軸承所受其它機(jī)械作用力，如嚙合力、負(fù)荷中的徑向推力等等，可使軸承負(fù)荷等于零。如何分析其分布及包角一定的高壓區(qū)的液壓對齒輪產(chǎn)生的徑向合力的大小及指向，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計，屬于傳統(tǒng)力學(xué)及公知技術(shù)的范疇，這里不贅述。行星輪的數(shù)量視需要與可能確定，數(shù)量為n時，等效泵數(shù)量為2n，可大幅度提高功率密度。
行星輪可以是定軸的，也可以如機(jī)械行星傳動那樣，是動軸線的，即行星輪之軸線繞太陽輪之軸線運(yùn)轉(zhuǎn)，此時各徑密塊均和各行星輪的軸線一起隨行星架運(yùn)轉(zhuǎn)，即各徑密塊相對于行星輪軸線位置不變但卻繞太陽輪軸線轉(zhuǎn)動，軸向密封側(cè)板也隨行星架一起轉(zhuǎn)動，分設(shè)于兩側(cè)板的進(jìn)、出油口各與一匯油室連通，所形成的高、低壓匯油室作為泵的出、入油口與外部油路連通。改變太陽輪、行星架及內(nèi)齒輪三者間的相對轉(zhuǎn)速。泵的流量就發(fā)生變化，可以用于無級變流量、機(jī)械差速及減速。因此，當(dāng)這種平衡式動軸線行星齒輪泵(或馬達(dá))的油路與另一同結(jié)構(gòu)或不同結(jié)構(gòu)的馬達(dá)(或泵)的油路連通，并且同時其太陽輪、行星架和內(nèi)齒輪三者中有一者或二者與后面的馬達(dá)(或泵)系統(tǒng)有直接或間接的機(jī)械聯(lián)動時，就構(gòu)成了液壓-機(jī)械的分流傳動或閉合傳動，可以實現(xiàn)較為復(fù)雜的傳動目的。
當(dāng)高壓區(qū)對徑密塊的壓力方向是使徑密塊離開齒輪時，要實現(xiàn)徑向密封間隙補(bǔ)償，可按圖3b中所示的方法去做。按圖示外齒輪48內(nèi)齒輪51的旋轉(zhuǎn)方向，油通口38處之高壓區(qū)欲推徑密塊離開齒輪?？煞謴矫軌K為28、32兩部分，兩部沿軸向(經(jīng)楔塊)液密貼合，并分別與一對互嚙的齒輪的齒頂液密貼合，叫做“半徑密塊”。它們各繞其芯軸35、36旋轉(zhuǎn)，芯軸則兩端支承于兩側(cè)板上。楔塊37是彈性材料的(例如可用尼龍制造)，其背部在高壓區(qū)液壓作用下向28、32之間楔入，推擠28、32向齒輪壓迫，實現(xiàn)徑向密封間隙補(bǔ)償。芯軸35、36可加彈性襯套(圖中未示)。半徑密塊對齒輪接觸壓力的大小，可用兩個芯軸的位置及其間距離、楔塊背部接觸高壓液體的厚度來調(diào)節(jié)，正確設(shè)計下，該軸距及厚度越大，則半徑密塊對齒輪的接觸壓力越大。在一些場合，楔塊及芯軸可以取消，也可采取適合的其它截面形狀。
平衡式齒輪泵也可實現(xiàn)每轉(zhuǎn)排量的無級變量，方法是改變齒輪間的軸向嚙合長度以改變齒輪泵的工作容積，同時實現(xiàn)正確的密封。一種基本結(jié)構(gòu)可參看圖3a～圖3e。圖3a是軸向剖視圖，圖3b是圖3a的A-A剖視圖，圖3c是圖3a的右視圖，圖3d是圖3a的左視圖的下部局部，圖3e說明補(bǔ)償軸向間隙的一種方式。為了清楚地表達(dá)原理，對諸圖的一些次要細(xì)節(jié)做了省略。圖3a的剖視是移去了半徑密塊25的。23～34共12個半徑密塊構(gòu)成6組徑密塊，每組均包括2個半徑密塊和前述35、36那樣的約束半徑密塊的兩個芯軸及一個前述37那樣的楔塊，各芯軸均支承于兩個側(cè)板58及52上，原理及結(jié)構(gòu)亦同前述，和所接觸齒輪一道完成對38～43所指6個出油口處的高壓區(qū)的徑向密封。構(gòu)成左側(cè)(圖3a中)軸向密封的，是滑動側(cè)板58及液密地套裝于外園上的外齒圈55及液密地套裝于內(nèi)園上的內(nèi)齒圈60、55、60分別與內(nèi)齒輪51、太陽輪50按齒形凹凸緊密配合并可隨之一起轉(zhuǎn)動，并分別在齒隙鑲有彈性材料的齒形密封圈56和59，當(dāng)滑動側(cè)板軸向滑動時，55、60、56、59隨之移動并保持轉(zhuǎn)動，完成了滑動側(cè)板一側(cè)的軸向密封。構(gòu)成右側(cè)(圖3a)軸向密封的是與殼體52一體的固定側(cè)板，內(nèi)部液密地套裝有3個形如53的內(nèi)齒圈，其內(nèi)齒分別與行星輪49(配53)及48、47的外齒緊密配合，齒隙處均裝有54那樣的彈性材料齒形密封圈。可軸向滑動的行星輪47～49與軸向固定的太陽輪50，內(nèi)齒輪51保持行星式嚙合，每個行星輪左端以軸承(圖3a中57，共3個)支承于滑動側(cè)板，右端通過內(nèi)齒圈53(共3個)支承于固定側(cè)板，故可隨滑動側(cè)板一起軸向滑動。離行星輪較遠(yuǎn)的一組半徑密塊23～28是以其芯軸將一端固定在滑動側(cè)板上的，另一端可通過固定側(cè)板通孔伸出，這些半徑密塊可隨之一起軸向移動，叫做滑動半徑密塊。離行星輪較近的一組半徑密塊29～34是以其芯軸將一端固定在固定側(cè)板上的，另一端可通過滑動側(cè)板通孔伸出，叫做固定半徑密塊。每個半徑密塊與對應(yīng)的側(cè)板通孔間可鑲?cè)胍蝗椥圆牧?，以保證密封。楔塊可隨滑動半徑密塊一體移動(如本例，圖3c)，也可與固定半徑密塊一體。這樣，滑動側(cè)板向固定側(cè)板滑近時，密封總是隨時保證的，齒輪之軸向的嚙合長度縮短，泵的每轉(zhuǎn)排量無級地減小;反之，兩側(cè)板之距離由零滑至最大時，每轉(zhuǎn)排量從零增至最大。
44～46是開在低壓區(qū)的進(jìn)油口，同38～43出油口一樣，都開在固定側(cè)板上，其位置應(yīng)能讓開有關(guān)做軸向密封用的齒圈，其形狀可有多種，如是園形的，內(nèi)攻有螺紋，可讓油管接頭旋入。一端固接于滑動側(cè)板的桿61，另一端與控制機(jī)構(gòu)做適當(dāng)連接，用以推、拉滑動側(cè)板使之軸向滑動，并防止滑動側(cè)板的繞軸線轉(zhuǎn)動，這樣的桿可以不止一個。為防止半徑密塊與相應(yīng)側(cè)板通孔間摩擦阻力大使軸向滑動變得費(fèi)力，可將各滑動半徑密塊伸出固定側(cè)板的端固定在一個端板，各固定半徑密塊伸出滑動側(cè)板的端固定在一個端板上，使各半徑密塊所受液壓通過端板基本抵消，半徑密塊與通孔間摩擦阻力變得很小，滑行變得輕快。半徑密塊的長度應(yīng)保證前述端板不妨礙兩側(cè)板距離在變量時拉到最大。
為進(jìn)一步提高平衡式齒輪泵的效率及壽命，需做軸向間隙補(bǔ)償。這一點只需利用彈簧等彈性元件將齒輪壓向側(cè)板即可。例如用圖3e的方式加裝的軸向間隙補(bǔ)償裝置，行星輪49之軸端加裝小推力軸承63，壓力彈簧62裝于63和滑動側(cè)板58之間，將49之左端壓向側(cè)板58及其上的密封用齒圈55等，使該處軸向間隙在熱態(tài)及磨損狀態(tài)下亦保持最小?；谏鲜鲈砑敖Y(jié)構(gòu)，使行星輪軸向固定而軸向移動內(nèi)齒輪、太陽輪的作法同樣可構(gòu)成平衡式變量齒輪泵。
本說明書所述關(guān)于變量和不變量的平衡式齒輪泵原理及結(jié)構(gòu)同樣適用于相應(yīng)的齒輪馬達(dá)。變量的平衡式齒輪泵或馬達(dá)也可如前述定量泵(馬達(dá))那樣，搞成行星架連同行星輪軸線及各半徑密塊是繞太陽輪軸線轉(zhuǎn)動的，此時“固定側(cè)板”不再與殼體一體，而是與行星架一體可轉(zhuǎn)動的。上述原理及結(jié)構(gòu)也可使其它型式的由2個以上互嚙齒輪組成的泵(馬達(dá))無級變量，如使圖1型式的多齒輪外嚙合泵無級變量，或使無太陽輪的多行星輪內(nèi)齒輪泵無級變量，但效果均不如圖3形式的好。
由于本發(fā)明可以使變量或定量的齒輪泵或馬達(dá)的齒輪軸及軸承負(fù)荷接近于零，故使機(jī)械損失可降低一至兩個數(shù)量級采用徑向、軸向的全面間隙補(bǔ)償，可提高容積效率;多個等效泵及允許工作壓力提高可允許流量降低及使用小模數(shù)齒輪。因此，本發(fā)明可使定量或變量齒輪泵(馬達(dá))的總效率提高到95%～97%，功率密度提高到普通結(jié)構(gòu)的2～4倍，噪聲及流量脈動大幅度降低，易于實現(xiàn)低造價，容易構(gòu)成性能優(yōu)良的液壓無級變速器。
權(quán)利要求
1.一種使齒輪泵或馬達(dá)的齒輪所受的徑向液壓力相互平衡的方法，其特征是，使多個泵油齒輪相互嚙合，使側(cè)板、徑向密封塊與齒輪所圍成的高液壓區(qū)圍繞齒輪轉(zhuǎn)軸均勻分布，使這些高壓區(qū)對齒輪輪齒作用的液壓所產(chǎn)生的徑向力能夠相互平衡，或?qū)@些高壓區(qū)是以其分布和對齒輪包角的變化而設(shè)計成徑向液壓力不平衡的，其合力的大小和方向能夠抵消齒輪、齒輪軸及軸承所受之嚙合力，負(fù)荷徑向力等機(jī)械作用力。
2.一種齒輪泵或馬達(dá)，包括完成軸向密封的側(cè)板，完成徑向密封的徑密塊，齒輪，開于側(cè)板上的進(jìn)、出油口及殼體，密封件與齒輪隔出的高液壓區(qū)及低液壓區(qū)，其特征是，用來泵油的相互嚙合的齒輪有2個以上，其中至少有一個這樣的齒輪，在它的輪齒周遭的高液壓區(qū)繞其轉(zhuǎn)軸是均勻分布的，這些高壓區(qū)對齒輪的包角的大小是一致的或不一致的，它們對齒輪所產(chǎn)生之徑向液壓力能夠自相抵消，或兼能抵消齒輪、輪軸及軸承上所受其它機(jī)械作用力。
3.權(quán)項2所述的泵或馬達(dá)，其特征是，作為泵油的齒輪，至少包括一個內(nèi)齒輪，一個外齒輪太陽輪及一個以上的外齒輪行星輪，構(gòu)成行星式嚙合，至少含有一件由兩個液密地相互貼合的半徑密塊組成的徑密塊，兩個半徑密塊分別與一對互嚙的齒輪的齒頂液密地貼合。
4.權(quán)項3所述的由兩個半徑密塊組成的徑密塊，其特征是每個徑密塊各可繞一個具有某種截面形狀的芯軸旋轉(zhuǎn)，芯軸上可套有彈性材料的襯套，兩個半徑密塊之間夾有一個楔塊，楔塊朝向高壓區(qū)的背部的厚度及兩個芯軸之間的距離越大，半徑密塊與齒輪輪齒之接觸壓力越大。
5.權(quán)利2或3所述的泵或馬達(dá)，其特征是，兩個側(cè)板，一為固定側(cè)板，一為可軸向滑動的滑動側(cè)板，側(cè)板上液密地裝有多個內(nèi)齒或外齒的齒圈，分別與相應(yīng)的外齒輪或內(nèi)齒輪按齒形凹凸緊密地配合，在齒隙可鑲有彈性材料齒形密封圈，可隨相配合的齒輪一起轉(zhuǎn)動，可隨相配合的側(cè)板一起軸向移動，離行星輪較遠(yuǎn)的半徑密塊(滑動半徑密塊)是隨滑動側(cè)板一起移動的，離行星輪較近的半徑密塊(固定半徑密塊)是以一端固定于固定側(cè)板的，行星輪是相對內(nèi)齒輪、太陽輪可軸向滑動的，當(dāng)兩側(cè)板滑近，齒輪軸向嚙合長度變短，泵或馬達(dá)的每轉(zhuǎn)排量減少，構(gòu)成無級變量齒輪泵或馬達(dá)。
6.權(quán)項5所述的泵或馬達(dá)，其特征是，滑動半徑密塊和固定半徑密塊的探出與之沒有固定關(guān)系的側(cè)板的端部，分別固定于兩個端板上，使半徑密塊所受液壓通過端板相互抵消，其軸行滑行變得輕快。
7.權(quán)項2或3或5或6所述的泵或馬達(dá)，其特征是帶有軸向間隙補(bǔ)償裝置，每個該裝置都有一個彈性元件(如彈簧)裝于一個與齒輪軸連接的推力軸承和相應(yīng)側(cè)板之間，產(chǎn)生把齒輪端部推向相應(yīng)側(cè)板的力，補(bǔ)償該處軸向間隙。
8.權(quán)項2或3或5所述的泵或馬達(dá)，其特征是還包括一個行星架，行星齒輪之軸線、各個半徑密塊，兩個側(cè)板及開于側(cè)板上的進(jìn)出油口均可隨行星架一起繞太陽輪軸線轉(zhuǎn)動，而各個半徑密塊相對于行星輪軸線是位置固定的，轉(zhuǎn)動的進(jìn)、出油口將油通到低、高壓匯油室再從匯油室與外部油路接通。
9.權(quán)項8所述的泵或馬達(dá)，其油路與另一馬達(dá)或泵系統(tǒng)的油路連通形成工作回路，其特征是，該泵或馬達(dá)的太陽輪、行星架或內(nèi)齒輪三者中之一者或兩者與后面的馬達(dá)或泵系統(tǒng)有直接的或間接的機(jī)械聯(lián)動，構(gòu)成液壓-機(jī)械的分流傳動或閉合傳動，可以實現(xiàn)較為復(fù)雜的傳動目的。
全文摘要
利用多個相互嚙合的外齒輪和內(nèi)齒輪，多個徑向密封元件和軸向密封元件，使一個泵或馬達(dá)內(nèi)含有多個等效泵或馬達(dá)，由之構(gòu)成的齒輪泵或馬達(dá)，所含的每個齒輪都是徑向液壓力平衡的，甚至是液壓力——機(jī)械力完全平衡的，軸承負(fù)荷可等于零，軸向間隙及徑向間隙均得到補(bǔ)償，泵或馬達(dá)可以無級變量。由之可造成低造價、高傳動效率、高功率密度的定量的或無級變量的齒輪泵或馬達(dá)，以及相應(yīng)的液壓無級變速器。
文檔編號F04C27/00GK1054297SQ90100918
公開日1991年9月4日 申請日期1990年2月21日 優(yōu)先權(quán)日1990年2月21日
發(fā)明者鄭悅 申請人:鄭悅