熊鎮(zhèn)芹非圓行星齒輪液壓馬達的配流設(shè)計研究熊鎮(zhèn)芹1高本河2吳序堂1（1西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，西安710049；2清華大學(xué)深圳研究生院，深圳流設(shè)計中的配油孔這一瓶頸問題的配油孔個數(shù)、配油孔的位置以及它的分布特性作了詳細的分析研究，推導(dǎo)出了配油孔的面積計算公式，荻得了設(shè)計非圓行星齒輪液壓馬達的幾個關(guān)鍵因素的處理方法，為液壓馬達的配流設(shè)計提供了強有力的理論依據(jù)。

　　將非圓行星齒輪機構(gòu)與液壓馬達技術(shù)結(jié)合起來組成的低速大扭矩液壓馬達具有以下特點112：結(jié)構(gòu)簡單。重量輕、外形尺寸??；容積效率、機械效率、起動扭矩效率高；零件少，易于加工和裝配，造價低；抗污染能力強，易于實現(xiàn)與其他設(shè)備配套。因而在工業(yè)應(yīng)用中具有很強的競爭力。隨著非圓齒輪數(shù)控加工技術(shù)的日漸成熟|341，這種非圓行星齒輪液壓馬達肯定會在很多方面得到更為廣泛的應(yīng)用。

　　液壓馬達結(jié)構(gòu)簡圖非圓行星傳動式液壓馬達由非圓外齒輪、非圓內(nèi)齒輪及多個行星輪組成，見所示。

　　非圓行星齒輪液壓馬達根據(jù)工作方式可以分為兩種。

　　一種是非圓內(nèi)齒輪固定，非圓外齒輪在液壓油的推動下旋轉(zhuǎn)，記為I型；另一種是非圓外齒輪固定，非圓內(nèi)齒輪在液壓油的推動下旋轉(zhuǎn)，記為O型。

　　在工作過程中，液壓油由配油器經(jīng)配油孔輸入工作腔，工作腔內(nèi)液壓油的壓力使非圓齒輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，當非圓齒輪旋轉(zhuǎn)時，又推動行星輪產(chǎn)生自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)。此時，非圓外齒輪、非圓內(nèi)齒輪及行星輪組成的工作腔容積產(chǎn)生變化，供油時工作腔的容積逐漸增大，排油時則減小。當行星輪公轉(zhuǎn)時，行星輪各自依次封閉或接通配油孔，造成工作腔進排油循環(huán)變化，使其輸出軸不間斷地旋轉(zhuǎn)。

　　要使非圓行星齒輪液壓馬達獲得最佳的性能，配流設(shè)計顯得尤其重要。非圓行星齒輪液壓馬達的配流設(shè)計是影響液壓馬達機械效率、容積效率以及低速穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。配流設(shè)計包括配流流道和配流窗口的設(shè)計計算。無論是配流流道還是配流窗口，在工作時都會對流過的液體產(chǎn)生阻力損失，它們的尺寸越小，所產(chǎn)生的阻力損失越大。在產(chǎn)生阻力損失的瓶頸環(huán)節(jié)。因為對于配流流道來說，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中總會有辦法使其開的比較大一些，而配流孔則不同，它是受非圓行星齒輪機構(gòu)類型所限制的。在非圓行星齒輪機構(gòu)中，由于行星輪較小，而高低壓容積腔的隔離又是靠行星輪的齒根圓來遮蓋配流窗口完成的，所以配流孔的尺寸不能隨意增加，否則將會出現(xiàn)高低壓腔竄通，這是設(shè)計所不允許的。本文對非圓行星齒輪液壓馬達的配流設(shè)計中的配油孔這一瓶頸問題的幾個關(guān)鍵因素做了比較詳細的分析研究，為配流設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。

　　1配油孔的存在原理與基本參數(shù)分析1.1配油孔的存在原理如（a）所示，當非圓外齒輪處在實線所示位置時，由非圓外齒輪、非圓內(nèi)齒輪及行星輪1和2包圍而成的密閉腔的容積達到最小，當非圓外齒輪轉(zhuǎn)到虛線位置時，密閉腔容積達到最大。在最小容積位置，行星輪2的齒根圓應(yīng)該處在剛好能使進油孔打開的位置，而在最大容積位置，行星輪1的齒根圓應(yīng)該處在剛好能使進油孔關(guān)閉的位置，因此，實線位置的行星輪2的齒根圓的后端（和運動輪轉(zhuǎn)向相反的方向）和虛線位置的行星輪1的齒根圓的前端就組成了進油孔。

　　同理，在最大容積位置處行星輪2的齒根圓的后端與下一個最小容積位置處行星輪1的齒根圓的前端所組成的部分就是排油孔，如（b）所示。

　　并非所有的非圓行星齒輪機構(gòu)都能使進油孔和排油孔存在。如（c）所示，在最小容積位置處，行星輪2的齒根圓與最大容積位置處行星輪1的齒根圓是不能相交的，那么這種機構(gòu)就不能用做液壓馬達。

　　1.2配油孔的個數(shù)如所示，對于外齒輪周期數(shù)為ni，內(nèi)齒輪周期數(shù)為3（3>1）的非圓行星輪系。若內(nèi)齒輪為運動輪，則在運動輪轉(zhuǎn)動時，密閉腔I在從起始位置轉(zhuǎn)過一周的過程中共達到最大和最小面積各《3次。根據(jù)配油孔的存在性分析，在密閉腔面積最大位置處的行星輪2的齒根圓和相鄰的最小位置處的行星輪1的齒根圓所組成的部分就是配油孔。

　　因此，對于外齒輪為運動輪的非圓行星輪系，共有23個配油孔。

　　同理，當內(nèi)齒輪為運動輪時，密閉腔I在從起始位置轉(zhuǎn)過一周的過程中共達到最大和最小面積各《1次，因此，對于內(nèi)齒輪為運動輪的非圓行星輪系，共有21個配油孔。

　　1.3配油孔的位置為非圓行星輪系的起始位置。分析由非圓外齒輪、非圓內(nèi)齒輪及行星輪1和2包圍而成的密閉腔I.若非圓外齒輪為運動輪，則在運動輪轉(zhuǎn)過角n時，非圓外齒輪的最大向徑和非圓內(nèi)齒輪的最小向徑重合，密閉腔I達到最小面積；當運動輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動到轉(zhuǎn)角為i+（n+ n）時，非圓外齒輪的最小向徑和非圓內(nèi)齒輪的最大向徑重合，型腔I達到最大面積。實際上，由配油孔的存在性分析可知，配油孔是由密閉腔達到最大和最小面積時行星輪的齒根圓相交的部分組成。密閉腔達到最大面積是非圓外齒輪的最小向徑和非圓內(nèi)齒輪的最大向徑重合的地方，而密閉腔達到最小面積是非圓外齒輪的最大向徑和非圓內(nèi)齒輪的最小向徑重合的地方，因此，由幾何知識可知，當非圓外齒輪的周期數(shù)為⑴、非圓內(nèi)齒輪的周期數(shù)為n3時，密閉腔從最大面積位置到相鄰的最小面積位置時，運動輪需要轉(zhuǎn)過的角度為（n因此，對于密閉腔I，若運動輪為非圓外齒輪，則當運動輪的轉(zhuǎn)角，13數(shù)時，密閉腔I的面積達到最大值。

　　若運動輪為非圓內(nèi)齒輪，則當運動輪的轉(zhuǎn)角，31：當j為奇數(shù)時，密閉腔I的面積達到最大值，當j為偶數(shù)時，密閉腔I的面積達到最小值。

　　因此，配油孔的位置就是當i和j取相鄰的值時，組成密閉腔I的行星輪1、2的齒根圓的位置就是配油孔的位置。如a、2b和所示。

　　2配油孔的分布特性分析前一位置的行星輪2的齒根圓的后側(cè)和后一位置的行星輪1的齒根圓的前側(cè)，組成了配油孔，如（a）、（b）和即對由行星輪1、2組成的密閉腔來說，行星輪1總是使配油孔接通，而行星輪2則總是使配油孔關(guān)閉（只針對相應(yīng)的密閉腔）。

　　對運動輪為非圓外齒輪的行星輪系，由各行星輪的安裝特性可知，行星輪2是在運動輪轉(zhuǎn)過角2：后，行星輪1所處的位置，而配油孔卻是在運動輪轉(zhuǎn)過角（n+i）行星輪1所處的位置。因為n1<N、+ n，所以前一有最大（或最?。┟娣e處的行星輪2的公轉(zhuǎn)角比后一有最?。ɑ蜃畲螅┟娣e處的行星輪1的公轉(zhuǎn)角大。由配油孔的存在性分析可知，配油孔總是由前一位置行星輪2的齒根圓的后端和后一位置行星輪1的齒根圓的前端組成，因此，對運動輪為非圓外齒輪的行星輪系，其配油孔是由相鄰的面積最大、最小處的行星輪齒根圓的交集，如所示。　　對運動輪為非圓內(nèi)齒輪的行星輪系，同樣，由行星輪的安裝特性可知，行星輪2是在運動輪轉(zhuǎn)過角2后，行星輪1所處的位置，而配油孔卻是在運動輪轉(zhuǎn)過角（n+n）后行星輪1所處的位置，~~~+n，所以，前一有最大（或最?。┟娣e處的行星輪2的公轉(zhuǎn)角要比后一有最?。ɑ蜃畲螅┟娣e處的行星輪1的公轉(zhuǎn)角小。由配油孔的存在性分析可知，配油孔總是由前一最大（或最?。┟娣e處的行星輪2的齒根圓的后端與下一最?。ɑ蜃畲螅┟娣e處的行星輪1的齒根圓的前端組成。因此，對運動輪為非圓內(nèi)齒輪的行星輪系集，如所示。

　　配油孔的配油面積分析壓油進出液壓馬達的通道，配油孔的面積大小直接影響到液壓馬達的配油性能。配油孔的面積越大，工作油的壓力損失越小，配油性能也就越好，反之配油性能就差。馬達的配油孔的數(shù)量及面積的大小與節(jié)曲線的周期數(shù)有關(guān)。當配油孔的個數(shù)和位置確定以后，配油孔的面積就確定了。設(shè)組成配油孔的兩個行星輪的齒根圓坐標為（X1，y）（X2乃），半徑為f如所示。

　　當非圓外齒輪為運動輪時，配油孔為圖中的陰影部分，是由兩弓形面積組成。

　　用1表示兩行星輪齒根圓的中心距則弓形面積弓單個配油孔的面積因此非圓外齒輪為運動輪時配油孔的總面積當非圓內(nèi)齒輪為運動輪時，配油孔是由兩齒根圓的并集組成，即是由兩齒根圓的面積之和減去圖中的陰影部分，此時單個配油孔的面積因此配油孔的總面積為雖然非圓內(nèi)齒輪和非圓外齒輪為運動輪時，配油孔在數(shù)量、大小和位置上均不相同，但由于不論哪個齒輪為運動輪，非圓行星輪系在最大和最小面積處各齒輪的相對位置是相同的，因此，在面積公寸，這樣才能實現(xiàn)布料系統(tǒng)合量地將物料充填入料腔中，而Z的大小由其它PP限制。

　　1增加概念約束性根據(jù)3個準則形成的概念依存圖每個圖雖然表示了一定的含義，但都是單獨地、毫無聯(lián)系地，因此，需進行綜合。

　　2.3概念依存圖的綜合表達：將子概念圖中主概念與修正其的輔概念替換初始概念依存圖中同名的主概念，以實現(xiàn)系統(tǒng)概念的綜合。

　　~2中分別表達“圖案”、“物料‘、”料腔“和’料斗”的主概念，根據(jù)綜合為如2所示。由2可以得出，布料系統(tǒng)的總功能用自然語言表述成‘按照一定的速度，將粉狀物料需順暢地、正確地、合量地從料斗中充填入一定內(nèi)腔尺寸且由模腔與底板組成的料腔中，并形成一定的圖案“。由此布料系統(tǒng)功能表達就可知布料系統(tǒng)至少包含有四個子功能：送料功能、限位功能、充填功能和形成圖案功能。

　　3結(jié)論機械產(chǎn)品的功能來源于產(chǎn)品任務(wù)書，而產(chǎn)品概念設(shè)計的目的是生成滿足功能要求的結(jié)構(gòu)肖解因此功能正確地抽象表達為概念設(shè)計后續(xù)階段求解具有重要作用。本文首次提出用概念依存圖理論表達產(chǎn)品任務(wù)書的要求根據(jù)相關(guān)準則，構(gòu)造了概念依存總圖，生成了布料系統(tǒng)功能的完整表達。

　　W張直明譯工程設(shè)計學(xué)北京：機械工業(yè)出版社，1992（上接第511頁）4結(jié)論液壓馬達的配油孔是液壓油進出液壓馬達的通道，配油孔的面積大小直接影響到液壓馬達的配油性能。配油孔的面積越大，工作油的壓力損失越小，配油性能也就越好，反之配油性能就差。馬達的配油孔的數(shù)量及面積的大小與節(jié)曲線的周期數(shù)有關(guān)。

　　對于外齒輪為運動輪的非圓行星輪系共有23個配油孔；對于內(nèi)齒輪為運動輪的非圓行星輪系，共有2i個配油孔。

　　配油孔總是由前一最大（或最小）面積處的行星輪2的齒根圓的后端與下一最?。ɑ蜃畲螅┟娣e處的行星輪1的齒根圓的前端組成。因此，對運動輪為非圓外齒輪的行星輪系，其配油孔是由相鄰的面積最大、最小處的行星輪齒根圓的交集；而對運動輪為非圓內(nèi)齒輪的行星輪系來說，其配油孔是由相鄰的最大、最小面積處齒根圓的并集。

　　因為配油孔是由行星輪的齒根圓形成為了增大配油孔的尺寸，在參數(shù)合適的情況下盡可能把行星輪的齒數(shù)選大些。

　　如果單純從配油孔這方面來講，不考慮其他條件，非圓內(nèi)齒輪為運動輪時的配油性能遠比非圓外齒輪為運動輪時配油性能要好。