CN102052447B - 齿轮传动液压装置中具有能够半密封啮合轮廓的齿轮 - Google Patents

Abstract

一种齿轮传动的液压装置，包括一组能够相互半密封啮合的齿轮。每个齿轮具有多个轮齿，其齿廓处于公差在关于所述轮齿高度的±1/15、更好地在±1/20、更好地在±1/30范围内，其齿廓类似于贯穿多个结点上的预定的样条函数所定义的齿廓，所述结点具有从旋转轴上预先建立的坐标{X，Y}。

Description

齿轮传动液压装置中具有能够半密封啮合轮廓的齿轮

技术领域

本发明涉及齿轮，尤其涉及齿轮传动液压装置中具有能够半密封啮合齿廓的类型的齿轮。

本发明的齿轮所在的，以及下文中会特别参考的齿轮传动液压装置的典型例子，所应用的是转式变容真空泵，但是，本发明的齿轮也可以类似地应用于齿轮式液压马达，因此也将其认为包括在本发明的保护范围内。

转式变容真空泵一般由两个齿轮组成，在大部分情况中，其中一个是直齿齿轮，称作驱动器，该齿轮连接到传动轴并旋转另一个齿轮，也称为从动器。

上述传统的齿轮泵，一般具有渐开线齿廓，尤其会显示出的缺点在于用泵汲送的流体是密封(即，滞留、压缩或者经受体积变化)在相啮合的区域中齿廓之间密封的间隔中，因此导致损坏和不可控的局部压力峰值，这也是直接运转噪声的根源。

除了上面指出的直接运转噪声，在导致直接运转噪声的流体转移中，还有一个已知的由不规则现象(或者称作“波纹”)引起的问题，称为波纹电压噪声，与流速脉冲和因此在用户电路产生的压力脉冲有关联。

换句话说，流体流速中的振荡产生脉冲波，它通过流体本身传播到周围空气中，尤其是传播到泵壁、管道和输出管上。

在前述因素与所述振荡或波纹频率共振的情况中，感应噪声还会达到不可预测的水平。

背景技术

一系列的研究和经验已经显示了这样的振荡本质上是由于上述泵的转子或齿轮的配置产生的，它们的连续啮合产生了体积变化上的不连续性，造成流体从入口到输送口的转移。

换句话说，波纹是由于与时间有关，尤其是与转子的相互角位置有关的所述体积变化的不连续性造成的。

前述现象已经在Oleodinamica Pneumatica MORSELL Mario Antonio于2005年1月的“Mechanical and hydraulic noise in geared pumps”第54-59页和2005年2月的第42-46页中清楚并完整的描述了，也出现在Fluides&Transmissions 2005年4月No.7534-37页和2005年3月No.7720-26页中。

已知一些解决方案或多或少地成功解决了上面举例说明的问题。

其中一些解决方案是关于具有传统齿轮的泵，采用直齿齿轮类型或更少地用螺旋齿轮类型的轮齿，所述轮齿绝大部分但不是必须地具有渐开线的齿侧轮廓，具有空隙(也就是，一个齿轮的轮齿与另外一个齿轮的相应轮齿单面接触)或理论上没有空隙(也就是，具有双面接触，所述轮齿的两面理论上总是处于接合状态，比如在Bosch Rexroth AG的名为SILENCE的泵产品中，或CasappaS.p.A的名为WHISPER的泵产品中)。

在这些解决方案中，轮齿之间滞留的流体至少部分地被“排出”，也就是通过侧面邻接装置的表面上提供的合适的排水口、收纳容器或管道排出，或者也可以是齿轮的支架或衬套，也是位于面向齿轮端平面侧面的壁上，使得可以将密封在内部的流体体积向适当的、相对较高或较低压力的水门或闸门排出(或吸入)。但是，当希望生产螺旋齿轮以减轻波纹电压噪声问题时，在侧面邻接装置的表面上提供收纳容器就变得更复杂。

此外，使用螺旋齿轮本身就会带来一系列额外的问题，因为在这种情况中，每个流体截留区域也会扩展，就像齿轮的轮齿会以蠕虫式的螺旋形过程扩展到整个齿轮的宽度上，因此如果不采取特定的解决方案，则会在入水口和输出口之间表现出潜在的传播路径和旁路。

实际上，或者使用齿轮的较小的螺旋角，或者强迫其中一个使用从结构的角度来说非常复杂和昂贵的解决方案，例如Brown David Hydraulics Ltd.的文档EP-0769104中所描述的，其中，所述齿轮的每个横截面具有至少两个同时啮合的轮齿。

但是，这样的解决方案是非常复杂并且本质上没有多少效率的，因为它们是在更接近于数学抽象而不是实践和技术可行性的概念的基础上开发出来的，实际上，所述收纳容器的几何形状总是不能完全令人满意的折中方案。

无论如何，所有已知的泵解决方案，无论是直齿齿轮或螺旋齿轮类型、单面或双面接触，在侧面邻接装置上采用排水容器无论如何都会有剩余的可能变化的滞留体积无法排出，因此除了有明显的和损坏性的波纹外还会产生一定的剩余噪声。

其它已知的针对上述直接和非直接噪声问题的解决方案涉及具有非传统齿廓的轮齿的泵，可以将其定义为“连续接触”类型，这种类型不会将流体滞留在轮齿的顶部和底部之间。实际上，相互啮合的齿轮的齿廓在轮齿顶部具有圆齿形和理论上的单点接触，该接触点从齿轮的一侧连续地移动到另一侧，以便在啮合过程中在齿轮的整个宽度上不产生任何滞留流体的密封区域。

这一原则的理论已经在文档US-2159744、US-3164099、US-3209611中宽泛地并且一般地阐明了，但是没有找到任何实际的应用，在相同发明者和本发明共同的申请人的文档EP-A-1132618、EP-B-1371848、US-6769891中和上面提到的技术文档中已经完整地扩展并进行了描述，并且已经在名为Settima Flow Mechanisms的泵产品中得到了实际应用。

本发明者所发明的轮齿类型在泵的入口和输出口之间没有旁路，其具有最小化的流振荡和显著的安静啮合。

这最后一种解决方案虽然已经从相比传统泵更安静的角度证明了明显更为优秀，但是相对于已知的有流体滞留的泵解决方案，这种方案的缺陷是轻微的较低的排水量性能。

主要原因在于，鉴于相同数量的轮齿，可以用根据“非密封”概念的齿廓设计生产低轮齿高度，因此得到相应的每一体积单元的低效流速率。为了具有有效统一的流速率，与传统文献相反，本发明为这种解决方案确定的理想范围在5到10个轮齿之间，最好是7个轮齿，这样虽然轮齿数量低，但是会由于高压输出口和低压入口之间较低的密封件导致更大的体积损失，因为轮齿还作为曲径密封垫片。

上面讨论的所有问题在意在用高压差运行的液压装置的情况中会更加突出，例如在压差大于几十巴时，甚至更多地压力大于80-100巴时的齿轮泵的情况中。

相同申请人的国际专利申请WO 2008/111017已经完整地并入本申请作为参考，该申请涉及改进的齿轮液压装置，包括一对啮合齿轮，在流体的入口端和出口端之间的套管内相互旋转，该流体在使用中具有相对于齿轮的旋转轴基本上横向的流，所述啮合齿轮在其相互旋转中在分别协作的轮齿之间提供渐进的相互配置，这已经在至少一个所述渐进的啮合配置中、所述齿轮的至少一个横截面中、各个齿轮之间的至少一个密封流体滞留区域中进行了详细说明，所述密封流体滞留区域一直减小直到充分地可以抵消上述分别协作的轮齿之间的大约至少另一个单独的渐进啮合配置。

总的来说，依照相同申请人的专利申请WO 2008/111017的齿轮的运行状况是，使得相啮合的两个齿轮的轮齿之间形成的流体的滞留或密封区域在所述齿轮的旋转运动中逐渐减小，直到齿轮的轮齿顶部接触到另一个齿轮的底部时减少到基本上消失。关于本发明的描述，这样的运行状况应该称为“半密封”。

上述液压装置中所采用的本申请人在各种啮合方案上的执行经验显示了轮齿齿廓的界定区域可以有效地降低泵的噪声，同时保证相对简单的结构，这对降低生产液压装置，尤其是应用了“半密封”原则的正排量泵的成本很有帮助。

此外，这一系列特别指出的轮廓具有较高使用可靠性的优点，使得它在用于针对高压的正排量泵的情况中尤其有优势。在这一系列轮廓中，在先前所知的解决方案中较高的轮齿比例使得能获取相当大的性能提升。

发明内容

为了达到上述目标，本发明的对象是具有多个轮齿的齿轮，能够与另一个相应齿轮的轮齿啮合，齿轮的每个轮齿在横截面的齿廓在下面的权利要求中定义。

具体而言，所述两个转子中的一个的至少一个轮齿的齿廓是由具有预先建立的坐标的多个结点上的样条函数定义的，公差范围是多个优选结点所定义的理论齿廓上的齿轮轮齿高度的±1/15、更好的是±1/20、以及更好的是±1/30。

结点可以由笛卡尔坐标系统中表示的一对值{X′，Y′}来定义，坐标原点在齿轮的齿节圆的圆心。

虽然接下来的描述中很清楚，还是要详细指出坐标系统x，y的原点是垂直于齿轮的轴向的平面的转动轴的一条线，与齿轮本身的齿节圆的圆心一致。

在本发明的描述中，术语“样条函数”一般指的是任何不会造成误差的样条函数，或具有足够小的、不会引入关于所述结点的明显误差的平滑参数的平滑样条。

在本发明的优选但非限定性实施例中，所采用的样条函数是三次自然样条函数，即三次自然样条插值函数。

虽然自然样条有一些理论上的优点，但是样条类型的选择不是绑定的，而是依赖于各种情况，例如工具机器所要求的数据格式，本领域的技术人员会发现采用不同的样条函数或平滑样条会更方便，还因为这些样条函数中的一些是在CAD和CAD-CAM系统中通用的。

所述齿轮是有利的螺旋形，螺旋轮齿的齿轮重合度包含在0.4和1.2之间，更好地是在0.5和1.2之间，更好地在0.6和1.2之间，更好地在0.7和1.1之间，更好地在0.8和1.1之间，更好地在0.9和1.1之间。在本发明的优选但非限制性实施例中，螺旋轮齿的齿轮重合度等于或接近于1。

有利的是，依照本发明的齿轮的高度和齿节圆大小比率包含在0.5和2之间，更好地在0.6和1.8之间，更好地在0.65和1.5之间，更好地在0.7和1.25之间。在本发明的优选但非限制性实施例中，高度和齿节圆大小比率接近于1。

本发明还以齿轮液压装置为对象，该装置包括一对啮合齿轮，具有如上所述类型的齿廓。具体而言，这样的液压装置可以是液压泵或液压马达。

从下面对优选实施例的描述，本发明的其它特性将会显而易见，参考仅仅以非限制性示例的形式提供的单个附图，相比于先前针对没有密封的齿轮的技术的齿廓，解释说明了依照本发明的齿轮的齿廓。

附图说明

附图1为本发明的齿廓示意图。

具体实施方式

虽然下面的描述是参考泵提供的，但是，相同的原理和注意事项也可以应用于类似的液压马达。

现在，参照附图，依照本发明的齿轮10(图中只示出了一部分)意在与另一个相应齿轮(未示出)啮合以供旋转式正排量泵使用，更适宜用于入口和输出口之间压差大于几十巴，更具体地大于50巴甚至大于80-100巴的高运转压力的类型。

齿轮10包括多个轮齿11，具有高度H和适于与其它相应齿轮的轮齿半密封啮合的齿廓。

轮齿11的齿廓没有描述为一系列简单的几何曲线，而是由贯穿多个结点的三次自然样条函数(即使根据前面指出的条件，使用其它样条函数或平滑样条也是可能的)定义的，所述结点是由从齿轮10的齿节圆的圆心开始的笛卡尔坐标系统中表示的一对值定义的。

无论如何，所得到的齿廓应该是共轭的，如果并不是完全从分析的角度，至少从实践的角度应该是共轭的，即所述齿廓必须能够在服从本发明的液压装置的实际使用中准确地啮合。考虑到这一点，需要指出即使在当前的技术领域，无法根据“纯粹的”渐开线几何学得到传统的“渐开线形”齿轮，但是采用关于其的一些变化可以得到不同命名的齿廓，例如“K”字形齿廓、齿形修缘等。

申请人用的执行经验确定了尤其适合于提供具有7个、8个、9个或10个轮齿的齿轮的一系列齿廓。轮齿11的实际齿廓可以处于宽度公差在所述齿轮的轮齿高度H的±1/15、更好地在±1/20、更好地在±1/30范围内。

附图示出了依照本发明获得的齿轮的轮齿11的齿廓和先前技术的根据“非密封”概念设计的轮齿D的齿廓之间的比较，以点划虚线画出。可以立即发现的是，轮齿11明显高于先前技术的齿轮D，因此可以理解具有依照本发明的“半密封”原则的轮齿11的齿轮相比于依照“非密封”原则得到的齿轮如何得出更高的正排量性能，至少是因为考虑相同的容量和整体尺寸，可以采用更高的轮齿数量。

下面是关于本发明的具有不同数量轮齿的齿轮的一些示例。

示例1

轮齿数量等于7的齿轮具有贯穿多个结点的三次自然样条函数(如果需要，可以用另一种样条函数或平滑样条来替代)所定义的理论轮齿齿廓，所述结点是由从所述齿轮的齿节圆P的圆心O开始的笛卡尔坐标系统中表示的一对值{X′，Y′}定义的。该结点坐标接近于下面表1中再现的成对值{X，Y}列表。

表1

示例2

轮齿数量等于8的齿轮具有贯穿多个结点的三次自然样条函数(如果需要，可以用另一种样条函数或平滑样条来替代)所定义的理论轮齿齿廓，所述结点是由从所述齿轮的齿节圆P的圆心O开始的笛卡尔坐标系统中表示的一对值{X′，Y′}定义的。该结点坐标接近于下面表2中再现的成对值{X，Y}列表。

表2

示例3

轮齿数量等于9的齿轮具有贯穿多个结点的三次自然样条函数(如果需要，可以用另一种样条函数或平滑样条来替代)所定义的理论轮齿齿廓，所述结点是由从所述齿轮的齿节圆P的圆心O开始的笛卡尔坐标系统中表示的一对值{X′，Y′}定义的。该结点坐标接近于下面表3中再现的成对值{X，Y}列表。

表3

示例4

轮齿数量等于10的齿轮具有贯穿多个结点的三次自然样条函数(如果需要，可以用另一种样条函数或平滑样条来替代)所定义的理论轮齿齿廓，所述结点是由从所述齿轮的齿节圆P的圆心O开始的笛卡尔坐标系统中表示的一对值{X′，Y′}定义的。该结点坐标接近于下面表4中再现的成对值{X，Y}列表。

表4

一旦知道或设置了正排量泵的啮合齿轮之间的齿节距，或齿轮圆的一个特性，例如齿节圆或顶部直径，则可以通过利用简单的变换计算就可以得到从上面提到的成对值{X，Y}开始的坐标值{X′，Y′}。这使得获得的代表齿轮的轮齿齿廓点的值可以与机器一起切割加工已知类型的齿轮，尤其为了控制数控机器工具的轨迹。

本发明齿轮的产品(和设计)公差必须保证切齿的齿廓处于公差在所述齿轮的轮齿高度的±1/15、更好地在±1/20、更好地在±1/30的范围内。

显然，在不损害本发明原则的前提下，只要不背离本发明的保护范围，关于仅仅通过示例所描述和举例说明的所述结构细节和实施例可以广泛地变化。

Claims (14)

1.一种齿轮传动液压装置中的具有多个用于啮合的螺旋齿的齿轮，其特征是，每个螺旋齿的轮廓相对于理论轮廓处于公差在所述齿轮的轮齿高度的±1/15范围内，所述理论轮廓由贯穿多个结点上的样条函数所定义的轮廓确定，所述结点具有下面包括表1至表4中所列出的坐标的集合中定义的预先建立的坐标{X，Y}，所述坐标{X，Y}建立在一个以齿轮的齿节圆的圆心为原点的笛卡尔坐标系统上，贯穿具有所述表1的坐标的结点的样条函数所定义的轮廓适合于所述齿轮具有的轮齿的数量等于7的理论轮廓，贯穿具有所述表2的坐标的结点的样条函数所定义的轮廓适合于所述齿轮具有的轮齿的数量等于8的理论轮廓，贯穿具有所述表3的坐标的结点的样条函数所定义的轮廓适合于所述齿轮具有的轮齿的数量等于9的理论轮廓，贯穿具有所述表4的坐标的结点的样条函数所定义的轮廓适合于所述齿轮具有的轮齿的数量等于10的理论轮廓：

表1

表2

表3

表4

2.如权利要求1所述的齿轮，其特征是，每个螺旋齿的轮廓处于公差在所述齿轮的轮齿高度的±1/20范围内。

3.如权利要求1所述的齿轮，其特征是，每个螺旋齿的轮廓处于公差在所述齿轮的轮齿高度的±1/30范围内。

4.如权利要求1-3任一项所述的齿轮，其特征是，所述样条函数是三次自然样条函数。

5.如权利要求1所述的齿轮，其特征是，所述螺旋齿的齿轮重合度包括在0.4和1.2之间。

6.如权利要求5所述的齿轮，其特征是，所述螺旋齿的齿轮重合度包括在0.5和1.2之间。

7.如权利要求5所述的齿轮，其特征是，所述螺旋齿的齿轮重合度包括在0.6和1.2之间。

8.如权利要求5所述的齿轮，其特征是，所述螺旋齿的齿轮重合度包括在0.7和1.1之间。

9.如权利要求5所述的齿轮，其特征是，所述螺旋齿的齿轮重合度包括在0.8和1.1之间。

10.如权利要求5所述的齿轮，其特征是，所述螺旋齿的齿轮重合度包括在0.9和1.1之间。

11.如权利要求5所述的齿轮，其特征是，所述螺旋齿的齿轮重合度等于1。

12.一种齿轮传动的液压装置，其特征是，包括两个依照上述权利要求中的任意一项所述的齿轮，所述两个齿轮半密封地相互啮合。

13.如权利要求12所述的液压装置，其特征是，所述液压装置是液压泵。

14.如权利要求12所述的液压装置，其特征是，所述液压装置是液压马达。