CN1029379C - 平衡式行星齿轮泵或马达 - Google Patents

Abstract

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。

Description

本发明涉及一种行星齿轮泵或马达，更具体地是涉及一种平衡式行星齿轮泵或马达。

齿轮泵（或马达）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。

US3483825公开了一种齿轮泵，该齿轮泵具有与各齿轮周边啮合和与邻近齿轮各侧面及它们的相关的可移动元件设置的分开的可移动的密封元件或摩擦块以提供泵送含有高磨损杂质的流体时在比较高的容积效率传送高的输出压力的泵。但是这些泵由于有比较大的径向负荷作用在轴承上，因此总效率受到限制。

为提高齿轮泵的效率，DE3333363公开了一种行星齿轮马达，高压区是沿着行星轮对称布置的，低压区也相应对称。这样，作用于齿轮轴上的径向力就达到相互抵消的目的。但是它涉及的只是定量的平衡齿轮泵。另外该元件也只涉及高压区的对称布置使齿轮径向力相互抵消，但还没涉及对齿轮所受的机械力（如啮合力）的抵消。

本发明的目的是对现有技术的齿轮泵作进一步改进，提供一种不但对定量齿轮泵而且对无级变量齿轮泵适合的能提高总效率的平衡齿轮泵。

为实现本发明的上述目的，本发明提供了一种齿轮泵（或马达），它包括壳体，至少一个内齿轮，至少一个外齿轮太阳轮及一个以上的外 齿轮行星轮，多个径向密封块与轴向密封侧板，这些密封元件与齿轮所围成的高液压区和低液压区围绕齿轮转轴大体上均匀分布，以使齿轮所受的径向力相互平衡，其特征是，轴向密封侧板包括一个固定侧板和一个轴向滑动侧板，侧板上液密地并可转动地装有多个内齿轮圈和外齿轮圈。分别与相应的太阳齿轮，行星齿轮和内齿轮按齿形的凹凸紧密地配合并可随相配合的齿轮一起转动，装在轴向滑动侧板上的内外齿圈可随滑动侧板一起轴向移动，固定侧板则固定在壳体上，行星齿轮相对于内齿轮和太阳齿轮是可轴向滑动的。

最好，在轴向密封侧板上的内齿圈和外齿圈与相配合的齿轮形成的齿间隙间镶有弹性材料的齿形密封圈。

最好，围绕齿轮的高液压区可设计成略偏离均匀分布的位置，其对齿轮的包角也可以是不一致的，使得这些高压区对齿轮产生的液压力能抵消齿轮所受到的其它径向的机械作用力。

本发明的其它优点，特点通过下面伴随附图对实施例的详细说明会更加清楚，附图中：

图1是本发明平衡式行星齿轮泵的一个示意图;

图2是本发明平衡式行星齿轮泵的另一个实施例的示意图;

图3a-3e是本发明实现无级变量的平衡式行星齿轮泵的示意图。其中图3a是一个轴向剖视图;图3b是沿图3a的A-A线的剖视图;图3c是图3a的右视图;图3d是图3a的左视图的下部局部视图;图3a说明补偿轴向间隙的一种方式。为表示清楚起见，图中一些次要细节省略了。

如示意图图1所示，标号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。标号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。

象示意图图2那样，标号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压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，此时各径密块相对于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），其背都在高压区液压作用下向半径密块28、32之间楔入，推挤半径密块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，在正确设计下，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。共12个半径密块23～34构成6组径密块，每组均包括2个半径密块和前述芯轴35、36那样的约束半径密块的两个芯轴及一个前述楔块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6个出油口38-43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及液密地套装于外圆上的外齿圈55及液密地套装于圆上的内齿圈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，内齿圈55、60、及齿形密封圈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个形如内齿圈53的内齿圈，其内齿分别与行星轮49（与内齿圈53配合）及48、47的外齿紧密配合，齿隙处均装有密封圈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（如图3a中标号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23～23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。

标号44～46表示开在低压区的进油口，同出油口38～43一样，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，如是圆形的，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装于轴承63和滑动侧板58之间，将行星轮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。变量的平衡式旋转泵（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。

Claims (11)

1、一种齿轮泵或马达，它包括壳体，至少一个内齿轮，至少一个外齿轮太阳轮及一个以上的外齿轮行星轮，多个径向密封块与轴向密封侧板，这些密封元件与齿轮所围成的高液压区和低液压区围绕齿轮转轴大体上的均匀分布，以使齿轮所受的径向力相互平衡，其特征是，轴向密封侧板包括一个固定侧板和一个轴向滑动侧板，侧板上液密地并可转动地装有多个内齿轮圈和外齿轮圈，分别与相应的太阳齿轮，行星齿轮和内齿轮按齿形的凹凸紧密地配合并可随相配合的齿轮一起转动，装在轴向滑动侧板上的内外齿圈可随滑动侧板一起轴向移动，固定侧板则固定在壳体上，行星齿轮相对于内齿轮和太阳齿轮是可轴向滑动的。

2、按照权利要求1所述的齿轮泵或马达，其特征在于，在轴向密封侧板上的内齿圈和外齿圈与相配合的齿轮形成的齿间隙间镶有弹性材料的齿形密封圈。

3、按照权利要求1所述的齿轮泵或马达，其特征在于，围绕齿轮的高液压区可设计成略偏离均匀分布的位置，其对齿轮的包角也可以是不一致的，使得这些高压区对齿轮产生的液压力能抵消齿轮所受的其它径向的机械作用力。

4、按照权利要求1所述的齿轮泵或马达，其特征在于，至少有一个径向密封块是由两个液密地相互贴合的半径向密封块组成的，两个半径向密封块分别与一对互啮的齿轮的齿顶液密地贴合。

5、按照权利要求4所述的齿轮泵或马达，其特征在于上述每一半径向密封块可分别绕其各自的芯轴转动，芯轴两端支承于两侧板上，上述两个半径向密封块之间有一个楔块，该楔块接触高压液体的背部厚度及径向密封块的两个芯轴间的距离可加大而使径向密封块与齿轮齿的接触压力增加，以实现对于不同压力进行径向间隙补偿。

6、按照权利要求4所述的齿轮泵或马达，其特征在于所述的半径向密封块中，离行星齿轮较远的是滑动半径向密封块，它们的一端固定到上述滑动侧板上，它们可随滑动侧板一起轴向移动，其另一端可通过固定侧板上相应的通孔;上述离相应行星齿轮较近的半径向密封块为固定半径向密封块，该固定半径向密封块一端固定到固定侧板上而另一端可滑动地通过侧板的相应通孔。

7、按照权利要求6所述的齿轮泵或马达，其特征在于滑动侧板的设置使得当滑动侧板滑动使两侧板间的距离变化时，行星齿轮与太阳齿轮及内齿轮的啮合长度变化，使得泵或马达的每转排量可无级变化。

8、按照权利要求7所述的齿轮泵或马达，其特征在于上述一端靠在滑动侧板的滑动半径向密封块和一端支承于固定侧板的固定半径向密封块均可以以其另一端分别固定到各自的平衡端板上，以使该两种半径向密封块所受液压力产生的变形减小，并能使半径向密封块所受液压力相互抵消，使滑动侧板能轻快滑动。

9、按照权利要求1所述的齿轮泵或马达，其特征在于还设有轴向间隙补偿装置，每一补偿装置有一个弹性元件和推力轴承，弹性元件装于与齿轮轴连接的上述推力轴承和相应侧板之间，以使把齿轮端部间隙推向相应侧板，从而补偿该处轴向间隙。

10、按照权利要求6所述的齿轮泵或马达，其特征在于还包括一个行星架，行星齿轮轴，各个半径向密封块，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，而各个半径向密封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。

11、按照权利要求10所述的齿轮泵或马达，其特征在于，还包括一个附属的马达或泵，二者的油路连通形成工作回路，该泵或马达的太阳轮、行星架和内齿轮三者中之一或二者与所述的附属的马达或泵有机械联动。

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