CN101251175A - 一齿差内啮合齿轮传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一齿差内啮合齿轮传动装置，其由一具有圆弧共轭齿形内轮齿的齿圈和一具有圆弧齿形外轮齿的转子构成，该齿圈的齿数比转子的齿数多一个，该转子的轴心与齿圈的轴心之间存在一固定的偏心距，其外轮齿由圆柱形滚针和滚针槽构成，该滚针容置于滚针槽内且能够在滚针槽内自由转动，其转子的齿数N₁、滚针直径d、偏心距e以及滚针分布圆直径BC的数值满足关系式：BC≤(d－2e)N₁。本发明能够确保传动过程中滚针的自转方向与齿圈和转子的转动方向一致，从而改善润滑条件、减少摩擦、延长工作寿命，能够用于各种齿轮传动，尤其适用于需要可变容积腔的机械装置中。

Description

一齿差内啮合齿轮传动装置

技术领域：

本发明涉及内啮合齿轮传动装置，尤其涉及一种一齿差内啮合齿轮传动装置。

背景技术：

与外啮合渐开线齿轮传动装置相比，一齿差内啮合圆弧齿轮传动装置综合了一齿差、内啮合、圆弧齿轮各形式机构的长处，具有如下诸多优点：

1、结构紧凑。

圆弧齿轮无根切，所以转子上的轮齿数N最小可以为1，再加上内啮合形式，因此体积能够尽量小。

2、传动精度高、噪音低。

从理论上说，一齿差内啮合齿轮副中所有的轮齿全部参与啮合，其瞬时传动比恒定，无传动比脉动；同时由于多点啮合传动，避免了可能的传动冲击，因而齿轮传动运转平稳。

3、轮齿强度高、承载能力强。

圆弧齿轮齿形的曲率半径大，齿面承载能力高出渐开线齿轮近2倍，而一齿差啮合中的全部轮齿参与啮合，提高了啮合系数、分散了载荷，因此进一步提高了承载能力，使一齿差内啮合圆弧齿轮可用于大扭距传动。

4、齿面摩擦小、传动效率高。

圆弧齿形有利于共轭齿面间动压油膜的形成，润滑条件好，因此减小了摩擦、提高了效率，从而延长了机构的工作寿命。

5、适用范围广。

一齿差内啮合圆弧齿轮传动装置的转子和齿圈之间能够形成若干个各自封闭的独立容积腔，各容积腔的大小随齿轮的啮合转动而发生周期性变化，因而其不仅能用于一般普通机械传动装置中，而且还特别适用于许多液体变容式机械中，如液压泵等。

由于上述许多优点，一齿差内啮合圆弧齿轮传动装置近年来得到了较快的发展并得到广泛应用。

之前本申请人在中国专利申请《内啮合齿轮泵或马达》(公开号：CN101082336A)中提出了一种内啮合齿轮泵或马达，其包括有由一齿圈和一转子构成的内啮合齿轮副，齿圈具有圆弧共轭齿形的内轮齿，转子具有圆弧齿形的外轮齿，齿圈的齿数比转子的齿数多一个，该转子的轴心与齿圈的轴心之间存在有一定的偏心距；转子的外轮齿由圆柱形滚针和设置于转子体上的滚针槽构成，该滚针的内侧部容置于滚针槽内，其外侧部与齿圈的内轮齿相啮合，所述滚针能够在滚针槽内自由转动且沿转子径向作微量移动。上述将滚针用作转子外轮齿的结构在运转过程中动态地消除了内啮合齿轮副的齿顶间隙，同时将轮齿的啮合接触转化为滚动接触，减少了磨损，因此当该内啮合齿轮副应用于内啮合齿轮泵或马达中时，就具有内泄漏小、容积效率高和使用寿命长的优点，从而可广泛地用于各种高低压的液压系统中。

当上述内啮合齿轮泵或马达中的一齿差内啮合圆弧齿轮副作定速啮合旋转时，齿圈和转子的转动方向是相同的，而滚针作为转子上的可旋动的圆弧外轮齿与齿圈上的内轮齿作相互啮合运动。由于滚针中心速度和啮合点的切向线速度不等，而在啮合点上滚针与齿圈的内轮齿齿面之间发生的是滚动摩擦，因此啮合磨擦力会使滚针绕其自身中心作自转。也就是说，滚针同时作两种转动，一是其绕转子轴心的公转，二是其绕自身的轴心在滚针槽内作自转。当齿轮副作定速、定向转动时，滚针的自转速度和方向是随瞬时啮合点的切向线速度的大小而变化的，其自转方向可能与齿圈和转子的转动方向相同，也可能不同。滚针的自转方向与齿圈和转子的转动方向是否相同，对该一齿差内啮合圆弧齿轮副的润滑条件有很大的影响：当滚针的自转方向与齿圈和转子的转动方向相反时，滚针与齿圈内轮齿之间的油膜以及滚针与滚针槽之间的油膜会产生“破离”现象，从而恶化润滑条件，减少齿轮副的工作寿命；而当滚针的自转方向与齿圈和转子的转动方向一致时，就能够避免上述情况的发生，改善齿轮副的润滑条件，减少滚针与齿圈、滚针槽之间的摩擦。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中无法控制滚针的自转方向而导致润滑条件恶化的缺陷，提供一种一齿差内啮合齿轮装置，其结构参数的取值能够确保传动过程中滚针的自转方向与齿圈和转子的转动方向一致，从而改善润滑条件、减少摩擦、延长该装置的工作寿命。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下：

一种一齿差内啮合齿轮传动装置，由一具有圆弧共轭齿形内轮齿的齿圈和一具有圆弧齿形外轮齿的转子构成，该齿圈的齿数比转子的齿数多一个，该转子的轴心与齿圈的轴心之间存在一固定的偏心距，其外轮齿由圆柱形滚针和滚针槽构成，该滚针容置于滚针槽内且能够在滚针槽内自由转动，其特征在于：所述转子的齿数N₁、所述滚针直径d、所述偏心距e以及滚针分布圆直径BC的数值满足关系式：BC≤(d-2e)N₁。

本发明所述的一齿差内啮合齿轮传动装置，其结构参数的取值范围为：所述转子的齿数N₁＝3～9，所述滚针直径d＝4～28mm，所述偏心距e＝0.74～6.8mm；其结构参数的几组具体数值为：N₁＝9，d＝16mm，e＝3.6mm，BC＝77.4mm；N₁＝7，d＝12mm，e＝2.6mm，BC＝47.6mm；N₁＝5，d＝4mm，e＝0.74mm，BC＝9.8mm；N₁＝3，d＝28mm，e＝6.8mm，BC＝39.6mm；所述转子的齿数最佳为N₁≥5；所述滚针与齿圈的内轮齿齿面之间存在有间隙或过盈，该间隙不大于1mm，该过盈不大于0.5mm；所述滚针槽的内表面上还喷涂有低摩擦系数的涂层。

与现有的一齿差内啮合圆弧齿轮传动装置相比，本发明根据导出的避免滚针双向自转的条件，恰当地选取所述一齿差内啮合齿轮传动装置的结构尺寸参数，使其在传动过程中滚针的自转方向与齿圈和转子的转动方向始终保持一致，避免了滚针与齿圈内轮齿之间的油膜以及滚针与滚针槽之间的油膜产生“破离”现象，从而改善了齿轮副的润滑条件，减少了滚针与齿圈、滚针槽之间的摩擦，达到了提高传动效率、延长工作寿命的有益效果。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明啮合状态之一的示意图。

图3为本发明啮合状态之二的示意图。

图4为应用本发明的容积泵或马达的转子齿数与流量脉动的关系示意图。

具体实施方式：

现结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1本发明的结构示意图，图示一齿差内啮合齿轮传动装置由一转子1和一与之内啮合的齿圈2构成。

所述转子1的外周具有圆弧齿形的外轮齿，该外轮齿由圆柱形滚针3和滚针槽4构成，该滚针槽4均匀地设置于转子1周边上，其凹形的槽面为内圆弧形且与滚针3的直径为d的外圆柱面相吻合，该滚针3的内侧部容置于滚针槽4之内，其轴心分布于直径为BC的滚针分布圆上，该滚针3能够在滚针槽4内绕自身轴线作自由转动，并且能够沿转子1的径向作微量移动。

所述齿圈2的内环面具有圆弧共轭齿形的内轮齿，该内轮齿与转子1的圆弧齿形的外轮齿，即滚针3相啮合，齿圈2内轮齿的齿数N₂比转子1外轮齿的齿数N₁多一个，即N₂＝N₁+1。转子1的轴心O₁与齿圈2的轴心O₂之间存在有一固定的偏心距e。

当转子1与齿圈2作啮合传动时，作为圆弧外轮齿的全部滚针3以其外侧部同时与齿圈2上的所有内轮齿相啮合，此时转子1和齿圈2同时以各自轴心作定轴转动。滚针3与齿圈2啮合时，两者在啮合点A发生滚动摩擦，由于齿圈2在啮合点A上的瞬时线速度与转子1在滚针3轴心上的瞬时线速度不可能始终保持相等，因此当齿轮副啮合时，滚针3在滚针槽4内所作自转的方向有时与齿圈2和转子1的转动方向相同，有时却相反。当滚针3的自转方向与齿圈2和转子1的转动方向相反时，滚针3与齿圈2内轮齿之间的油膜以及滚针3与滚针槽4之间的油膜会产生“破离”现象，从而恶化齿轮副的润滑条件；而当滚针3的自转方向与齿圈2和转子1的转动方向一致时，就能够避免上述情况的发生，改善润滑条件，减少滚针3与齿圈2、滚针槽4之间的摩擦和磨损，从而延长齿轮传动装置的工作寿命。

以下对所述一齿差内啮合齿轮传动装置作一运动分析。

请结合参阅图1、图2和图3，在齿轮副啮合过程中，滚针3与齿圈2内轮齿之间的啮合点会经过两处极端的位置：一处是滚针3的顶点啮合于齿圈2内轮齿的齿顶点A(见图2)，另一处是滚针3的顶点啮合于齿圈2内轮齿的齿根点A₁(见图3)。前一种啮合状态请参阅图2，该状态下齿圈2在啮合点A处的瞬时转矩达到整个啮合过程中的最小，即r_min；同理，后一种啮合状态请参阅图3，该状态下齿圈2在啮合点A1处的瞬时转矩达到整个啮合过程中的最大，即r_max。请结合参阅图1和图2，由图可以得知，最小瞬时转矩r_min与滚针分布圆直径BC、滚针3的直径d、转子1的轴心O₁与齿圈2的轴心O₂之间的偏心距e存在有下列尺寸关系：

$r_{\min }=\frac{1}{2}\mathrm{BC}+\frac{1}{2}d-e=\frac{1}{2}(\mathrm{BC}+d-2e)$

同理，由图1和图3可以导出：

$r_{\max }=\frac{1}{2}\mathrm{BC}+\frac{1}{2}d+e=\frac{1}{2}(\mathrm{BC}+d+2e)$

请参阅图1、图2，当齿轮副啮合时，转子1、齿圈2和滚针3分别以角速度ω₁、ω₂和ω旋转。由于滚针3与齿圈2在啮合点A发生滚动摩擦，根据机械原理的运动分析可以得到，只要齿圈2在啮合点A处的线速度Va不小于滚针3轴心O的线速度V_O，滚针3角速度ω的方向就能够与转子1的角速度ω₁、齿圈2的角速度ω₂保持一致。也就是说，若要滚针3在啮合过程中始终保持与转子1、齿圈2的旋转方向一致，则必须满足下列条件：

        V_a≥V_O

推导该关系式，得

$r_{\min }\·{\mathrm{\ω}}_2\≥\frac{1}{2}\mathrm{BC}\·{\mathrm{\ω}}_1,$

即 $\frac{1}{2}(\mathrm{BC}+d-2e)\·{\mathrm{\ω}}_2\≥\frac{1}{2}\mathrm{BC}\·{\mathrm{\ω}}_1,$

得ω₂/ω₁≥BC/(BC+d-2e)，

∵齿轮副的传动比为ω₂/ω₁＝N₁/N₂，

又∵N₂＝N₁+1，

∴N₁/(N₁+1)≥BC/(BC+d-2e)，

∴(N₁+1)/N₁≤(BC+d-2e)/BC，

即1/N₁≤(d-2e)/BC，

最后得

    BC≤(d-2e)N₁，

式中，

d滚针直径，              BC滚针分布圆直径，

e转子与齿圈的偏心距，    N₁转子齿数。

这就是滚针3在啮合中欲与转子1、齿圈2的旋转方向始终保持一致所必须满足的条件。这就是说，所述一齿差内啮合齿轮传动装置在啮合传动过程中若要滚针3始终与转子1、齿圈2的旋转方向一致，则其结构参数的取值必须满足上述关系式。如果所述一齿差内啮合齿轮传动装置的结构参数取值能够满足上述关系式，则如上所述，轮齿间啮合的润滑条件将得到极大的改善，就能避免滚针3与齿圈2内轮齿之间以及滚针3与滚针槽4之间的油膜产生“破离”现象，减少轮齿之间的摩擦和磨损，从而延长该齿轮传动装置的工作寿命。

为了进一步改善滚针3与相邻构件间的润滑条件，所述滚针3与齿圈2的内轮齿齿面之间存在有间隙或过盈，该间隙不大于1mm，该过盈不大于0.5mm。所述滚针槽4的内表面上还喷涂有低摩擦系数的涂层以降低滚针槽4与滚针3间的摩擦力和提高其耐热性能，涂层材料可以是诸如聚四氟乙烯的工程树脂、碳石墨、铜合金或其他电镀低摩擦涂层。

本发明所述一齿差内啮合齿轮传动装置的结构参数可以在下列范围中选取：所述转子的齿数N₁＝3～9，所述滚针直径d＝4～28mm，所述偏心距e＝0.74～6.8mm；当选定上述各参数后，再在满足BC≤(d-2e)N₁条件的前提下，根据应用场合的具体条件选取滚针3分布圆直径BC的数值。

下面给出几个实施例结构参数的取值。

实施例1，

转子的齿数N₁＝9，滚针直径d＝16mm，偏心距e＝3.6mm，滚针分布圆直径BC＝77.4mm。

实施例2，

转子的齿数N₁＝5，滚针直径d＝4mm，偏心距e＝0.74mm，滚针分布圆直径BC＝9.8mm。

实施例3，

转子的齿数N₁＝3，滚针直径d＝28mm，偏心距e＝6.8mm，滚针分布圆直径BC＝39.6mm。

实施例4，

转子的齿数N₁＝8，滚针直径d＝22mm，偏心距e＝4.8mm，滚针分布圆直径BC＝90mm。

实施例5，

转子的齿数N₁＝7，滚针直径d＝12mm，偏心距e＝2.6mm，滚针分布圆直径BC＝47.6mm。

实施例6，

转子的齿数N₁＝6，滚针直径d＝8mm，偏心距e＝1.8mm，滚针分布圆直径BC＝20.8mm。

除了常规齿轮传动以外，本发明所述一齿差内啮合齿轮传动装置还可用于任何需要可变容积腔的机械装置中，如发动机、液压泵、液压马达、空气压缩机、液压分流阀等。对于容积泵或容积马达来说，降低流量的脉动是很重要的，一般常规渐开线内啮合齿轮泵或马达的脉动量最高可达20％。为了控制流量的脉动，本发明所述一齿差内啮合齿轮传动装置在用于容积泵或容积马达时，其转子1的滚针3数量设置为五个或五个以上，即转子1的齿数N₁≥5。图4是根据实验结果作出的应用本发明的容积泵或马达的转子齿数与流量脉动的关系示意图，由图中可以看出，当转子1的齿数N₁≥5时，泵的流量脉动率就低于10％，因此，应用本发明所述转子1齿数为五个或五个以上的一齿差内啮合齿轮传动装置的容积泵或容积马达，其流量脉动小于10％，因而有了明显的降低，这样不仅降低了泵或马达本身的工作噪声，而且还降低了液压系统中其它元件如阀、管道等零部件的噪声。

总之，本发明根据机械原理和数学理论，对所述一齿差内啮合齿轮传动装置进行了运动分析，导出了避免滚针双向自转的条件，并据此选取其结构尺寸参数，使滚针在传动过程中能够确保其自转方向与齿圈和转子的转动方向一致，从而改善了润滑条件、减少了摩擦、延长了工作寿命并提高了传动效率。

Claims (10)

1、一种一齿差内啮合齿轮传动装置，由一具有圆弧共轭齿形内轮齿的齿圈和一具有圆弧齿形外轮齿的转子构成，该齿圈的齿数比转子的齿数多一个，该转子的轴心与齿圈的轴心之间存在一固定的偏心距，其外轮齿由圆柱形滚针和滚针槽构成，该滚针容置于滚针槽内且能够在滚针槽内自由转动，其特征在于：所述转子的齿数N₁、所述滚针直径d、所述偏心距e以及滚针分布圆直径BC的数值满足关系式：BC≤(d-2e)N₁。

2、根据权利要求1所述的一齿差内啮合齿轮传动装置，其特征在于：所述转子的齿数N₁＝3～9，所述滚针直径d＝4～28mm，所述偏心距e＝0.74～6.8mm。

3、根据权利要求2所述的一齿差内啮合齿轮传动装置，其特征在于：所述转子的齿数N₁＝9，所述滚针直径d＝16mm，所述偏心距e＝3.6mm，所述滚针分布圆直径BC＝77.4mm。

4、根据权利要求2所述的一齿差内啮合齿轮传动装置，其特征在于：所述转子的齿数N₁＝7，所述滚针直径d＝12mm，所述偏心距e＝2.6mm，所述滚针分布圆直径BC＝47.6mm。

5、根据权利要求2所述的一齿差内啮合齿轮传动装置，其特征在于：所述转子的齿数N₁＝5，所述滚针直径d＝4mm，所述偏心距e＝0.74mm，所述滚针分布圆直径BC＝9.8mm。

6、根据权利要求2所述的一齿差内啮合齿轮传动装置，其特征在于：所述转子的齿数N₁＝3，所述滚针直径d＝28mm，所述偏心距e＝6.8mm，所述滚针分布圆直径BC＝39.6mm。

7、根据权利要求2所述的一齿差内啮合齿轮传动装置，其特征在于：所述转子的齿数N₁≥5。

8、根据权利要求1至6中任一项所述的一齿差内啮合齿轮传动装置，其特征在于：所述滚针与齿圈的内轮齿齿面之间存在有间隙，该间隙不大于1mm。

9、根据权利要求1至6中任一项所述的一齿差内啮合齿轮传动装置，其特征在于：所述滚针与齿圈的内轮齿齿面之间存在有过盈，该过盈不大于0.5mm。

10、根据权利要求1至6中任一项所述的一齿差内啮合齿轮传动装置，其特征在于：所述滚针槽的内表面上喷涂有低摩擦系数的涂层。

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