平衡式行星齿轮泵的制作方法

专利名称：平衡式行星齿轮泵的制作方法齿轮泵结构简单，但齿轮所受径向液压使轮轴易弯、轴承负荷过大，是限制它的总效率及功率密度提高的主要障碍。专利文献美国4872536、中国86106471的说明书构成了使齿轮泵无级变量的方法，使液压无级变速除具有原有一系列优点之外，尚能够低成本制造，但仍未能很好解决液压结构的总效率不够高这一问题。本发明的方法，是使其压力作用于齿轮轮齿的高液压区能够围绕齿轮转轴均匀分布，所产生之径向压力相互抵消，达到齿轮的径向液压平衡。对于齿轮马达，本发明的方法同样成立。象示意1那样，1～4代表4只相互啮合的齿轮，径向密封由其两端与齿顶液密贴合的径向密封块(以下简称径密块)5～7完成，按图示齿轮转向，点阴影区为高液压区，高、低压液体均经完成轴向密封的侧板(图1未示出)上的轴向通口流出、流入，构成3个等效外齿轮泵。8代表外壳。对于齿轮2、3，高压区绕其转轴均匀分布，所受径向液压相互抵消。齿轮1、4仍受单向液压。显然，串联啮合的齿轮越多，齿轮组承受的总的平均径向液压越低。因此，进一步地使用内齿轮使啮合的齿轮系统封闭，此方法可得到径向压力完全平衡的齿轮泵。象示意2那样，10代表内齿轮，9代表外齿轮太阳轮，11～14代表4只匀布的外齿轮行星轮，15～22代表8个径密块，构成8个等效泵。按图示齿轮转向，点阴影区为高压区。侧板及开于其上的高、低压油通口图中未标出。由于作用于每一齿轮轮齿上之高压区都是围绕齿轮转轴均匀分布的，故每一齿轮都是径向液压平衡的。调整齿轮周遭高压区的分布及其对齿轮的包角的大小，也可以有意地实现径向液压力不平衡，以使径向液压力的合力所具有的指向和大小恰能抵消齿轮、轮轴及轴承所受其它机械作用力，如啮合力、负荷中的径向推力等等，可使轴承负荷等于零。如何分析其分布及包角一定的高压区的液压对齿轮产生的径向合力的大小及指向，进而进行相应的设计，属于传统力学及公知技术的范畴，这里不赘述。行星轮的数量视需要与可能确定，数量为n时，等效泵数量为2n，可大幅度提高功率密度。行星轮可以是定轴的，也可以如机械行星传动那样，是动轴线的，即行星轮之轴线绕太阳轮之轴线运转，此时各径密块均和各行星轮的轴线一起随行星架运转，即各径密块相对于行星轮轴线位置不变但却绕太阳轮轴线转动，轴向密封侧板也随行星架一起转动，分设于两侧板的进、出油口各与一汇油室连通，所形成的高、低压汇油室作为泵的出、入油口与外部油路连通。改变太阳轮、行星架及内齿轮三者间的相对转速。泵的流量就发生变化，可以用于无级变流量、机械差速及减速。因此，当这种平衡式动轴线行星齿轮泵(或马达)的油路与另一同结构或不同结构的马达(或泵)的油路连通，并且同时其太阳轮、行星架和内齿轮三者中有一者或二者与后面的马达(或泵)系统有直接或间接的机械联动时，就构成了液压-机械的分流传动或闭合传动，可以实现较为复杂的传动目的。当高压区对径密块的压力方向是使径密块离开齿轮时，要实现径向密封间隙补偿，可按图3b中所示的方法去做。按图示外齿轮48内齿轮51的旋转方向，油通口38处之高压区欲推径密块离开齿轮。可分径密块为28、32两部分，两部沿轴向(经楔块)液密贴合，并分别与一对互啮的齿轮的齿顶液密贴合，叫做“半径密块”。它们各绕其芯轴35、36旋转，芯轴则两端支承于两侧板上。楔块37是弹性材料的(例如可用尼龙制造)，其背部在高压区液压作用下向28、32之间楔入，推挤28、32向齿轮压迫，实现径向密封间隙补偿。芯轴35、36可加弹性衬套(图中未示)。半径密块对齿轮接触压力的大小，可用两个芯轴的位置及其间距离、楔块背部接触高压液体的厚度来调节，正确设计下，该轴距及厚度越大，则半径密块对齿轮的接触压力越大。在一些场合，楔块及芯轴可以取消，也可采取适合的其它截面形状。平衡式齿轮泵也可实现每转排量的无级变量，方法是改变齿轮间的轴向啮合长度以改变齿轮泵的工作容积，同时实现正确的密封。一种基本结构可参看图3a～图3e。图3a是轴向剖视图，图3b是图3a的A-A剖视图，图3c是图3a的右视图，图3d是图3a的左视图的下部局部，图3e说明补偿轴向间隙的一种方式。为了清楚地表达原理，对诸图的一些次要细节做了省略。图3a的剖视是移去了半径密块25的。23～34共12个半径密块构成6组径密块，每组均包括2个半径密块和前述35、36那样的约束半径密块的两个芯轴及一个前述37那样的楔块，各芯轴均支承于两个侧板58及52上，原理及结构亦同前述，和所接触齿轮一道完成对38～43所指6个出油口处的高压区的径向密封。构成左侧(图3a中)轴向密封的，是滑动侧板58及液密地套装于外园上的外齿圈55及液密地套装于内园上的内齿圈60、55、60分别与内齿轮51、太阳轮50按齿形凹凸紧密配合并可随之一起转动，并分别在齿隙镶有弹性材料的齿形密封圈56和59，当滑动侧板轴向滑动时，55、60、56、59随之移动并保持转动，完成了滑动侧板一侧的轴向密封。构成右侧(图3a)轴向密封的是与壳体52一体的固定侧板，内部液密地套装有3个形如53的内齿圈，其内齿分别与行星轮49(配53)及48、47的外齿紧密配合，齿隙处均装有54那样的弹性材料齿形密封圈。可轴向滑动的行星轮47～49与轴向固定的太阳轮50，内齿轮51保持行星式啮合，每个行星轮左端以轴承(图3a中57，共3个)支承于滑动侧板，右端通过内齿圈53(共3个)支承于固定侧板，故可随滑动侧板一起轴向滑动。离行星轮较远的一组半径密块23～28是以其芯轴将一端固定在滑动侧板上的，另一端可通过固定侧板通孔伸出，这些半径密块可随之一起轴向移动，叫做滑动半径密块。离行星轮较近的一组半径密块29～34是以其芯轴将一端固定在固定侧板上的，另一端可通过滑动侧板通孔伸出，叫做固定半径密块。每个半径密块与对应的侧板通孔间可镶入一圈弹性材料，以保证密封。楔块可随滑动半径密块一体移动(如本例，图3c)，也可与固定半径密块一体。这样，滑动侧板向固定侧板滑近时，密封总是随时保证的，齿轮之轴向的啮合长度缩短，泵的每转排量无级地减小;反之，两侧板之距离由零滑至最大时，每转排量从零增至最大。44～46是开在低压区的进油口，同38～43出油口一样，都开在固定侧板上，其位置应能让开有关做轴向密封用的齿圈，其形状可有多种，如是园形的，内攻有螺纹，可让油管接头旋入。一端固接于滑动侧板的杆61，另一端与控制机构做适当连接，用以推、拉滑动侧板使之轴向滑动，并防止滑动侧板的绕轴线转动，这样的杆可以不止一个。为防止半径密块与相应侧板通孔间摩擦阻力大使轴向滑动变得费力，可将各滑动半径密块伸出固定侧板的端固定在一个端板，各固定半径密块伸出滑动侧板的端固定在一个端板上，使各半径密块所受液压通过端板基本抵消，半径密块与通孔间摩擦阻力变得很小，滑行变得轻快。半径密块的长度应保证前述端板不妨碍两侧板距离在变量时拉到最大。为进一步提高平衡式齿轮泵的效率及寿命，需做轴向间隙补偿。这一点只需利用弹簧等弹性元件将齿轮压向侧板即可。例如用图3e的方式加装的轴向间隙补偿装置，行星轮49之轴端加装小推力轴承63，压力弹簧62装于63和滑动侧板58之间，将49之左端压向侧板58及其上的密封用齿圈55等，使该处轴向间隙在热态及磨损状态下亦保持最小。基于上述原理及结构，使行星轮轴向固定而轴向移动内齿轮、太阳轮的作法同样可构成平衡式变量齿轮泵。本说明书所述关于变量和不变量的平衡式齿轮泵原理及结构同样适用于相应的齿轮马达。变量的平衡式齿轮泵或马达也可如前述定量泵(马达)那样，搞成行星架连同行星轮轴线及各半径密块是绕太阳轮轴线转动的，此时“固定侧板”不再与壳体一体，而是与行星架一体可转动的。上述原理及结构也可使其它型式的由2个以上互啮齿轮组成的泵(马达)无级变量，如使图1型式的多齿轮外啮合泵无级变量，或使无太阳轮的多行星轮内齿轮泵无级变量，但效果均不如图3形式的好。由于本发明可以使变量或定量的齿轮泵或马达的齿轮轴及轴承负荷接近于零，故使机械损失可降低一至两个数量级采用径向、轴向的全面间隙补偿，可提高容积效率;多个等效泵及允许工作压力提高可允许流量降低及使用小模数齿轮。因此，本发明可使定量或变量齿轮泵(马达)的总效率提高到95%～97%，功率密度提高到普通结构的2～4倍，噪声及流量脉动大幅度降低，易于实现低造价，容易构成性能优良的液压无级变速器。权利要求1.一种使齿轮泵或马达的齿轮所受的径向液压力相互平衡的方法，其特征是，使多个泵油齿轮相互啮合，使侧板、径向密封块与齿轮所围成的高液压区围绕齿轮转轴均匀分布，使这些高压区对齿轮轮齿作用的液压所产生的径向力能够相互平衡，或对这些高压区是以其分布和对齿轮包角的变化而设计成径向液压力不平衡的，其合力的大小和方向能够抵消齿轮、齿轮轴及轴承所受之啮合力，负荷径向力等机械作用力。2.一种齿轮泵或马达，包括完成轴向密封的侧板，完成径向密封的径密块，齿轮，开于侧板上的进、出油口及壳体，密封件与齿轮隔出的高液压区及低液压区，其特征是，用来泵油的相互啮合的齿轮有2个以上，其中至少有一个这样的齿轮，在它的轮齿周遭的高液压区绕其转轴是均匀分布的，这些高压区对齿轮的包角的大小是一致的或不一致的，它们对齿轮所产生之径向液压力能够自相抵消，或兼能抵消齿轮、轮轴及轴承上所受其它机械作用力。3.权项2所述的泵或马达，其特征是，作为泵油的齿轮，至少包括一个内齿轮，一个外齿轮太阳轮及一个以上的外齿轮行星轮，构成行星式啮合，至少含有一件由两个液密地相互贴合的半径密块组成的径密块，两个半径密块分别与一对互啮的齿轮的齿顶液密地贴合。4.权项3所述的由两个半径密块组成的径密块，其特征是每个径密块各可绕一个具有某种截面形状的芯轴旋转，芯轴上可套有弹性材料的衬套，两个半径密块之间夹有一个楔块，楔块朝向高压区的背部的厚度及两个芯轴之间的距离越大，半径密块与齿轮轮齿之接触压力越大。5.权利2或3所述的泵或马达，其特征是，两个侧板，一为固定侧板，一为可轴向滑动的滑动侧板，侧板上液密地装有多个内齿或外齿的齿圈，分别与相应的外齿轮或内齿轮按齿形凹凸紧密地配合，在齿隙可镶有弹性材料齿形密封圈，可随相配合的齿轮一起转动，可随相配合的侧板一起轴向移动，离行星轮较远的半径密块(滑动半径密块)是随滑动侧板一起移动的，离行星轮较近的半径密块(固定半径密块)是以一端固定于固定侧板的，行星轮是相对内齿轮、太阳轮可轴向滑动的，当两侧板滑近，齿轮轴向啮合长度变短，泵或马达的每转排量减少，构成无级变量齿轮泵或马达。6.权项5所述的泵或马达，其特征是，滑动半径密块和固定半径密块的探出与之没有固定关系的侧板的端部，分别固定于两个端板上，使半径密块所受液压通过端板相互抵消，其轴行滑行变得轻快。7.权项2或3或5或6所述的泵或马达，其特征是带有轴向间隙补偿装置，每个该装置都有一个弹性元件(如弹簧)装于一个与齿轮轴连接的推力轴承和相应侧板之间，产生把齿轮端部推向相应侧板的力，补偿该处轴向间隙。8.权项2或3或5所述的泵或马达，其特征是还包括一个行星架，行星齿轮之轴线、各个半径密块，两个侧板及开于侧板上的进出油口均可随行星架一起绕太阳轮轴线转动，而各个半径密块相对于行星轮轴线是位置固定的，转动的进、出油口将油通到低、高压汇油室再从汇油室与外部油路接通。9.权项8所述的泵或马达，其油路与另一马达或泵系统的油路连通形成工作回路，其特征是，该泵或马达的太阳轮、行星架或内齿轮三者中之一者或两者与后面的马达或泵系统有直接的或间接的机械联动，构成液压-机械的分流传动或闭合传动，可以实现较为复杂的传动目的。全文摘要利用多个相互啮合的外齿轮和内齿轮，多个径向密封元件和轴向密封元件，使一个泵或马达内含有多个等效泵或马达，由之构成的齿轮泵或马达，所含的每个齿轮都是径向液压力平衡的，甚至是液压力——机械力完全平衡的，轴承负荷可等于零，轴向间隙及径向间隙均得到补偿，泵或马达可以无级变量。由之可造成低造价、高传动效率、高功率密度的定量的或无级变量的齿轮泵或马达，以及相应的液压无级变速器。文档编号F04C27/00GK1054297SQ90100918公开日1991年9月4日 申请日期1990年2月21日 优先权日1990年2月21日发明者郑悦 申请人:郑悦