CN101709729B - 匀隙啮合全液压转向器摆线啮合副及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全液压转向器中的匀隙啮合摆线啮合副，同时还涉及其加工方法，属于液压传动技术领域。该摆线啮合副由构成无系杆行星轮系的圆柱形针轮和摆线轮配合构成，其中的摆线轮外廓为由特定曲线方程确定的封闭曲线，在进行修形展成磨齿时，修整磨削砂轮半径至等于针轮半径与匀隙啮合修形量之和，保证砂轮与花键芯轴中心距等于针轮分度圆半径。采用本发明的技术方案后，表明转子转动更加灵活。同时密封性能提高，取得了一举两得的效果。因此，本发明有助于解决全液压转向器摆线副摆线轮转动不灵活、甚至卡死的问题，可以使啮合质量提高，转向器工作更平稳，使用寿命更长。并且在生产过程中，只需调整一个工艺参数，而不增加设备，切实可行。

Description

匀隙啮合全液压转向器摆线啮合副及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种全液压转向器中的摆线啮合副(以下简称摆线副)，尤其是一种匀隙啮合摆线啮合副，同时还涉及其加工方法，属于液压传动技术领域。 

背景技术

1921年美国学者Myron F.Hill(Jeffrey X.Dong et al.2004)对摆线齿廓几何特性与摆线泵工作原理进行详细研究，并申请了专利，二十世纪三十年代，制造出了第一台摆线液压泵。1955年，美国查林公司首先研制成功摆线液压马达，经过几年的研究和完善，于1960年取用“查林”商标正式投入生产。1961年，查林公司又研制出摆线式全液压转向器，并申请获得专利。从六十年代初起，各国其他公司先后购买专利，转而大量生产。随着液压技术和制造工艺的发展，不断出现摆线液压马达和液压转向器新产品和新设计，由于其结构紧凑，扭矩大，单位重量功率大等的显著优点而获得广泛的应用。 

目前，摆线马达和全液压转向器主要国外生产商为美国Sauer-Danfoss公司、Eaton公司、Parker公司和White公司等，代表了摆线马达先进水平。虽然公开的文献中有关摆线马达和转向器方面基础理论的资料比较多，真正的技术资料则比较少，核心技术的保密性很强，很难获得第一手的技术文件。所以国外产品经过长期发展，无论是在数量，还是在在质量上，都占据明显的优势。 

摆线副作为全液压转向器的核心元件，在实际生产中，难免存在制造误差，因此存在转动不灵活、甚至卡死的问题，尤其在高精度的传动中更是如此。为了补偿制造误差，保证合理的侧隙以利于装拆方 便和摆线轮在针轮中灵活转动，及避免齿廓之间的润滑油膜被破坏，必须对摆线副进行修形。 

现有文献(关天民2005，蒙运红等2008)提出正等距加负移距修形方法，如能选择合适修形量，可使组合修形后齿廓与转角修形齿廓接近一致，而转角修形齿廓为共轭齿廓，可以增加啮合区间，提高摆线副承载能力，适用于无特殊回转精度要求的通用传动；负等距加正移距齿廓法向变动量小，齿廓的中间部分明显隆起，回转角小，可提高回转精度。 

上述文献得到的结论主要针对的是摆线传动，也可以应用于全液压转向器摆线副的设计中。然而，在无系杆液压摆线副中，承载能力与回转精度都不是追求的目标，所以上述的修形方法不适合此类摆线副。 

发明内容

本发明的目的是：提供一种匀隙啮合全液压转向器摆线啮合副，同时给出其加工方法，从而可以进一步改善摆线副的啮合性能，使摆线轮转动更加灵活。 

理论和实践证明，在工作状态下，全液压转向器摆线副的摆线轮靠其两个啮合点来确定本身的位置(秦维谦等1983，R.Maiti 1991)，实现其在针轮中的转动。摆线轮在针轮中的转动是否灵活，主要取决于摆线副非接触齿的间隙分布。因此，提高接触齿承载能力或回转精度的修形方法不适于全液压转向器摆线副的设计。对这类摆线副齿廓修形的设计，与传动摆线副修形设计不同，通过改变摆线副外廓形状，实现非接触齿的间隙分布均匀是设计的关键目标。 

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：匀隙啮合全液压转向器摆线啮合副，由构成无系杆行星轮系的圆柱形针轮和摆线轮配 合构成，其改进之处在于：所述摆线轮的外廓为由以下曲线方程确定的封闭曲线： 

以上方程中 

x_c——摆线轮齿廓横坐标mm 

y_c——摆线轮齿廓纵坐标mm 

z_p——针轮齿数 

z_c——摆线轮齿数 

r_p——针轮分度圆半径mm 

r_rp——针轮半径mm 

——摆线轮相位角rad 

k₁——短幅系数 

a——偏心距mm 

Δr_rp——匀隙啮合修形量mm 

其中，z_p、z_c、r_p、r_rp、a为摆线副基本设计参数(参见卞学良《摆线泵和摆线马达齿形参数优化设计》河北工学院学报.1995，24(4)：103～107；张兰义等《摆线针轮啮合副齿形修正的初步探讨》吉林工业大学学报，1982(4)94～106；一机部全液压转向器联合设计组《摆线针轮啮合副理论与计算》1976.12版)。Δr_rp可以按照《机械传动》杂志，2009(1)：41～43)《摆线轮齿廓修形的优化设计》一文确定，或根据有限次实验确定。 

本发明匀隙啮合全液压转向器摆线啮合副制造时，摆线轮按以下 步骤加工： 

第一步、摆线轮坯加工——车端面及外圆，拉出内花键，制成摆线轮坯； 

第二步、摆线轮齿加工——将摆线轮坯装夹在花键芯轴上，依次铣齿、滚齿，制成摆线轮半成品； 

第三步、精磨两端面——磨削摆线轮半成品两端面； 

第四步、标准展成磨齿——将摆线轮半成品装夹在花键芯轴上，调整摆线磨床砂轮的偏心距至a；修整砂轮半径至等于针轮半径r_rp，调整砂轮与花键芯轴中心距等于针轮分度圆半径r_p，磨削工件至标准摆线轮； 

第五步、修形展成磨齿——修整磨削砂轮半径至等于针轮半径与匀隙啮合修形量之和r_rp+Δr_rp，保证砂轮与花键芯轴中心距等于针轮分度圆半径r_p，修形磨削标准摆线轮摆线轮，得到外廓为由以下曲线方程确定的封闭曲线的匀隙啮合摆线轮(其中字母含义同上)： 

采用本发明方法加工出的摆线轮在展成磨削精加工中采用的可以认为属于正等距修形范畴，但与摆线传动中进行等距修形不同的是，由于修形目的不同，摆线轮采用不同的曲线方程限定，实际形状发生了变化，且修形量较小；即在修形磨削摆线轮时，砂轮半径由标准的r_rp加大至r_rp+Δr_rp，磨出的摆线轮齿形短幅系数k₁没有改变，但与标准齿形相比，是同一短幅外摆线等距值不相同的两条曲线。当与标准针轮装配后，整体安装至转向器中，即可实现摆线副的匀隙啮合。 

理论和实验均表明，采用本发明的技术方案，经过匀隙修形后，摆线副传动时的机械阻力矩明显降低，表明转子转动更加灵活。同时，摆线副传动的内泄漏、压力损失等显著降低，表明密封性能提高，取得了意想不到的效果。因此，本发明有助于解决全液压转向器摆线副摆线轮转动不灵活、甚至卡死的问题，采用本发明可以使啮合质量提高，转向器工作更平稳，使用寿命更长。并且，在生产过程中，只需调整个别工艺参数，而不增加设备，切实可行。 

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。 

图1是本发明一个实施例的摆线轮展成磨削原理示意图。 

图2是本发明一个实施例的摆线啮合副啮合点图。 

图3是本发明一个实施例的等距加移距修形齿侧间隙分布图。 

图4是本发明一个实施例的匀隙啮合修形齿侧间隙分布图。 

图5针轮与修形摆线轮啮合仿真图。 

图6中(a)、(b)、(c)、(d)分别为修形摆线轮各阶段与现有技术啮合的仿真放大比较图。 

图中标号：1砂轮，2摆线轮，3针轮，4摆线轮，5高压油，6标准摆线轮，7匀隙啮合修形摆线轮，8等距加移距修形摆线轮。 

具体实施方式

实施例一 

本实施例以BZZ全液压转向器中的摆线副为例，其基本齿形参数：z_p＝7r_p＝34mm r_rp＝11.1mm α＝3.8mm。摆线轮如果采用正等距加负移距，则设计变量为等距加移距修形量，目标函数为逼近的转角修形量，根据《机械设计手册》机械工业出版社1991年版第3卷，可得Δδ＝0.005rad(Δδ为转角修形量)，约束条件为啮合间隙大于零，按照《机械传动》杂志，2009(1)：41～43《摆线轮齿廓修形的优化设计》一文，修形量可以求得Δr_rp＝0.0263mmΔr_p＝-0.0229mm(Δr_p表示移距修形量)。而采用本发明的匀隙啮合修形，匀隙啮合修形量为经优化确定等距加移距摆线副齿侧间隙的平均值，计算公式如下： 

$\mathrm{\Δ}{r}_{\mathrm{rp}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{L}_i}{n},n=\mathrm{1,2,3}...$

式中ΔL_i——每个啮合位置啮合点的齿侧间隙 

n——啮合点总数，本实施例中n＝6x7＝42 

最后可以计算求得Δr_rp＝0.01mm(数值计算过程略)。 

采用上述两种修形方法，摆线副在 

等六个瞬时的齿侧间隙计算结果分别见表1、2，间隙分布图分别如图3、4所示。 

表1等距加移距修形间隙计算(单位μm) 

表2匀隙修形间隙计算(单位μm) 

两种修形方式齿侧间隙平均值、标准差、齿侧间隙平均变化率如表3所示。 

表3两种修形的间隙评价指标计算(单位μm) 

从表1～3可知，齿侧间隙平均值X₁＞X₂，说明匀隙啮合修形形成的齿侧间隙平均值略小，即在控制泄漏流量方面优于等距加移距修形。结合图3、4曲线变化可知，匀隙啮合修形齿廓的齿侧间隙变化缓和，标准差σ_X1＞σ_X2，表明在一个啮合周期内，匀隙啮合修形的齿侧间隙与平均值X的偏差小，齿侧间隙分布更加均匀；间隙平均变化率δ₁＞δ₂，可知在液压突变力作用下，匀隙啮合修形齿廓齿侧间隙变 化均匀。从上面分析可得出，摆线轮在针轮中转动更加灵活。 

在展成磨削摆线轮中，先按与标准摆线轮相同的方法，通过摆线轮坯加工、摆线轮齿加工、精磨两端面、标准展成磨齿步骤，加工出标准摆线轮，接着进行修形展成磨齿：修整磨削砂轮半径至等于针轮半径与匀隙啮合修形量之和r_rp+Δr_rp，保证砂轮与花键芯轴中心距等于针轮分度圆半径r_p，修形磨削标准摆线轮摆线轮，得到外廓为由以下曲线方程确定的封闭曲线的匀隙啮合摆线轮(参见图1)，本实施例中实际将磨削砂轮1的半径由11.1mm加大至11.11mm。这样磨出的摆线轮，与标准的针轮装配，然后整体安装至转向器中，即可实现摆线副的匀隙啮合。 

针轮与修形摆线轮的啮合仿真详见图5、图6。在图5和图6中，6为标准摆线轮的廓形，匀隙啮合修形摆线轮的廓形7为由以下方程确定的封闭曲线，8为等距加移距修形摆线轮的廓形。图6(a)～(e)分别为图5的I～IV号针轮与标准齿廓、匀隙齿廓、等距加移距摆线齿廓啮合仿真比较放大图。从图6(a)～(e)可以看出，匀隙修形摆线副的非接触齿的齿侧间隙要比等距加移距修形较小，且相对均匀，因此验证了采用匀隙啮合修形的合理性。 

将上述匀隙啮合的摆线啮合副用于制造BZZ1型、排量为250ml/r全液压转向器后，对其性能进行对比测试的试验项目与结果如表4所示。 

试验条件：试验用油N46，粘度41.4～50.6mm²/s(40℃时)，油温50±2℃。 

表4试验结果 

由表4可知，本实施例的摆线啮合副机械阻力矩降低约20％，转子转动明显更加灵活；同时终点扭矩提高，压力振摆、内泄漏、压力损失明显降低，表明密封性能显著提高；取得了一举两得的效果。由于动力转向扭矩与转向器的回位弹簧片变形量相关，与转子转动无关，所以对比数据基本相同。 

Claims (2)

1.一种匀隙啮合全液压转向器摆线啮合副，由构成无系杆行星轮系的圆柱形针轮和摆线轮配合构成，其特征在于：所述摆线轮的外廓为由以下曲线方程确定的封闭曲线：

以上方程中

x_c——摆线轮齿廓横坐标mm

y_c——摆线轮齿廓纵坐标mm

z_p——针轮齿数

z_c——摆线轮齿数

r_p——针轮分度圆半径mm

r_rp——针轮半径mm

——摆线轮相位角rad

k₁——短幅系数

a——偏心距mm

Δr_rp——匀隙啮合修形量mm

所述匀隙啮合修形量Δr_rp为经优化确定摆线副齿侧间隙的平均值，按以下计算公式确定：

n＝1，2，3... 

式中ΔL_i——每个啮合位置啮合点的齿侧间隙

n——啮合点总数。

2.一种加工权利要求1所述的匀隙啮合全液压转向器摆线啮合副的加工方法，包括以下步骤：

第一步、摆线轮坯加工——车端面及外圆，拉出内花键，制成摆线轮坯；

第二步、摆线轮齿加工——将摆线轮坯装夹在花键芯轴上，依次铣齿、滚齿，制成摆线轮半成品；

第三步、精磨两端面——磨削摆线轮半成品两端面；

第四步、标准展成磨齿——将摆线轮半成品装夹在花键芯轴上，调整摆线磨床砂轮的偏心距至a；修整砂轮半径至等于针轮半径r_rp，调整砂轮与花键芯轴中心距等于针轮分度圆半径r_p，磨削工件至标准摆线轮；

第五步、修形展成磨齿——修整磨削砂轮半径至等于针轮半径与匀隙啮合修形量之和r_rp+Δr_rp，保证砂轮与花键芯轴中心距等于针轮分度圆半径r_p，修形磨削标准摆线轮，得到封闭曲线的匀隙啮合摆线轮。 

Images