CN103742404B - 一种椭圆非圆齿轮驱动的六叶片差速泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种椭圆非圆齿轮驱动的六叶片差速泵。现有差速泵很难优化压力脉动、困液等问题。本发明的第一椭圆非圆齿轮和第二椭圆非圆齿轮均固定在输入轴上；第一共轭椭圆非圆齿轮和第一叶轮均固定安装在输出轴上，第一共轭椭圆非圆齿轮与第一椭圆非圆齿轮啮合；第二共轭椭圆非圆齿轮和第二叶轮均固结在轴套上，轴套活套在输出轴上；泵壳沿圆周方向依次开设有第一排液口、第一吸液口、第二排液口、第二吸液口、第三排液口和第三吸液口；第一叶轮和第二叶轮均设置有三片叶片，所有叶片内部均安装有一个单向泄压阀。本发明排量大、流量稳定，不等速规律易调整，有效解决困液问题。
Description
技术领域
本发明属于容积泵技术领域，涉及叶片差速泵，具体涉及一种椭圆非圆齿轮驱动的六叶片差速泵。
背景技术
通用机械常用的液泵有活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、滚子泵和离心泵，其中：活（柱）塞泵具有较高的出口压力，但要求活塞与缸筒之间的密封可靠，且压力波动大；隔膜泵在多缸时能产生一个较平稳的液流，但是结构复杂；滚子泵的排量在转速稳定时是均匀的，随着压力的提高，泄漏量增加，泵的排液量及效率相应减小；离心泵结构简单，容易制造，但是它的排量大，压力低，用于工作压力要求不高的场合。这些泵存在各自的缺陷，还不能很好地满足部分特种机械要求的恒定流量、高压力的需求。
现有的差速泵根据驱动机构的不同主要有以下几种：
转动导杆—齿轮式叶片差速泵，其驱动系统承受交变载荷，产生齿轮啮合噪声，且各运动副间隙较大时也会引起冲击噪声。
万向节齿轮机构驱动叶片差速泵，其万向节机构的输入轴与输出轴的夹角是影响泵的性能的一个关键参数。该角越大，泵的排量也越大，但是，随着该角的增大，泵的流量脉动加剧和万向节的传动效率降低。
变形偏心圆非圆齿轮驱动叶片差速泵，其偏心圆非圆齿轮节曲线调整参数主要是偏心率和变形系数，调整量有限，调整精度不高，造成传动比优化、调整不方便，设计不灵活，不利于进一步优化设计，很难优化压力脉动、困液等问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种椭圆非圆齿轮驱动的六叶片差速泵，该叶片差速泵排量大、压力高、流量稳定、结构紧凑；椭圆非圆齿轮节曲线有六个调整参数，其驱动机构的不等速规律容易调整，方便性能优化；通过在叶片内安装单向泄压阀，压力超限时打通邻近封闭腔，有效解决现有差速泵困液问题。
本发明包括驱动部件和差速泵部件。
所述的驱动部件包括驱动齿轮箱、输入轴、输出轴、第一椭圆非圆齿轮、第二椭圆非圆齿轮、第一共轭椭圆非圆齿轮、第二共轭椭圆非圆齿轮和轴套。电机通过联轴器与输入轴连接，输入轴通过两个轴承支撑在驱动齿轮箱的两侧壁；所述的第一椭圆非圆齿轮和第二椭圆非圆齿轮均固定安装在输入轴上；输出轴的两端分别通过轴承支撑在驱动齿轮箱和泵壳的箱壁上，第一共轭椭圆非圆齿轮安装在输出轴上，并与第一椭圆非圆齿轮啮合；第二共轭椭圆非圆齿轮和第二叶轮都固结在轴套上，轴套活套在输出轴上，第二共轭椭圆非圆齿轮与第二椭圆非圆齿轮啮合。
所述的差速泵部件包括泵壳、第一叶轮、第二叶轮和单向泄压阀。所述的泵壳沿圆周方向依次开设有第一排液口、第一吸液口、第二排液口、第二吸液口、第三排液口和第三吸液口；第一排液口、第二排液口和第三排液口沿圆周均布，第一吸液口、第二吸液口和第三吸液口沿圆周均布；第一叶轮固定在输出轴上；所述的第一叶轮和第二叶轮沿圆周方向均布有三片叶片，每片叶片的外弧面与泵壳的内壁贴合；沿圆周方向，第一叶轮的叶片与第二叶轮的叶片相间设置；所有叶片内部均安装一个单向泄压阀，单向泄压阀方向与叶轮转动方向一致。
所述的第一椭圆非圆齿轮和第二椭圆非圆齿轮的参数和结构完全一致，第一共轭椭圆非圆齿轮和第二共轭椭圆非圆齿轮的参数和结构完全一致，第一椭圆非圆齿轮、第二椭圆非圆齿轮、第一共轭椭圆非圆齿轮和第二共轭椭圆非圆齿轮均为三阶非圆齿轮；第一椭圆非圆齿轮与第二椭圆非圆齿轮的初始安装相位差、第一共轭椭圆非圆齿轮与第二共轭椭圆非圆齿轮的初始安装相位差均为60°。
第一椭圆非圆齿轮的节曲线表达式为：
其中，n1为第一椭圆非圆齿轮的阶数，取值为3；A为椭圆的长轴半径，k1为椭圆的偏心率，为第一椭圆非圆齿轮的转角，为第一椭圆非圆齿轮对应转角的向径。
第一椭圆非圆齿轮和第一共轭椭圆非圆齿轮均为三阶非圆齿轮，根据非圆齿轮啮合原理，第一椭圆非圆齿轮旋转360°时，第一共轭椭圆非圆齿轮也旋转360°，可得计算中心距a的迭代式：
取中心距初值a0采用进退法搜索算出中心距a的精确值。
第一椭圆非圆齿轮与第一共轭椭圆非圆齿轮的传动比为：
其中，n2为第一共轭椭圆非圆齿轮及第二共轭椭圆非圆齿轮的阶数，取值为3；
第二椭圆非圆齿轮与第二共轭椭圆非圆齿轮的传动比为：
其中，θ为第一椭圆非圆齿轮与第二椭圆非圆齿轮的相位差，取值为60°。
令第一椭圆非圆齿轮与第一共轭椭圆非圆齿轮的传动比i21等于第二椭圆非圆齿轮与第二共轭椭圆非圆齿轮的传动比i43，可求得四个不同的转角转角取最小值时，第一椭圆非圆齿轮的角位移为第二椭圆非圆齿轮的角位移为第一叶轮和第二叶轮的转角分别为：
第一叶轮及第二叶轮的叶片角θ叶的取值均为25°～35°；第一排液口、第一吸液口、第二排液口、第二吸液口、第三排液口和第三吸液口的圆心角大小相等，且比叶片的叶片角θ叶小2～5°。泵壳的第一排液口中心位置角第一吸液口中心位置角第二排液口中心位置角第二吸液口中心位置角第三排液口中心位置角第三吸液口中心位置角
本发明具有的有益效果是：
本发明采用椭圆非圆齿轮机构，椭圆非圆齿轮节曲线有六个调整参数，相比已有的变形偏心圆非圆齿轮可调参数多，因此椭圆非圆齿轮不等速传动规律容易调整，容易实现差速泵的排量、压力、流量等性能的优化。通过在叶片内安装单向泄压阀，压力超限时打通邻近封闭腔，有效解决现有差速泵困液问题。由于椭圆非圆齿轮机构驱动的差速泵吸液口和排液口沿圆周均布，径向平衡性好，非等速传动为旋转运动，因此运行平稳可靠、径向工作载荷平衡、脉动可控性好；叶片多、排量大，泵壳的内表面及叶片形状简单，容积效率高。
本发明的核心机构为两对不同安装相位的椭圆非圆齿轮，部件少、结构紧凑。
附图说明
图1为本发明的机构运动简图；
图2为本发明中差速泵部件的整体结构剖视图；
图3为本发明中椭圆非圆齿轮节曲线在初始安装位置时的啮合关系示意图；
图4为本发明的叶片极限位置示意图。
图中：1、驱动齿轮箱，2、输入轴，3、输出轴，4、第一椭圆非圆齿轮，5、第二椭圆非圆齿轮，6、第一共轭椭圆非圆齿轮，7、第二共轭椭圆非圆齿轮，8、轴套，9、联轴器，10、电机，11、泵壳，11-1、第一排液口，11-2、第一吸液口，11-3、第二排液口，11-4、第二吸液口，11-5、第三排液口，11-6、第三吸液口，12、第一叶轮，13、第二叶轮，14、单向泄压阀。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，一种椭圆非圆齿轮驱动的六叶片差速泵包括驱动部件和差速泵部件。
驱动部件包括驱动齿轮箱1、输入轴2、输出轴3、第一椭圆非圆齿轮4、第二椭圆非圆齿轮5、第一共轭椭圆非圆齿轮6、第二共轭椭圆非圆齿轮7和轴套8。输入轴2和输出轴3分别设置在齿轮箱1的两端；输入轴2通过两个轴承支撑在驱动齿轮箱1的两侧壁，电机10通过联轴器9将动力传给输入轴2，第一椭圆非圆齿轮4和第二椭圆非圆齿轮5均固定安装在输入轴2上；输出轴3的两端分别通过轴承支撑在驱动齿轮箱1和泵壳11的箱壁上，第一共轭椭圆非圆齿轮6固定安装在输出轴3上，并与第一椭圆非圆齿轮4啮合；第二共轭椭圆非圆齿轮7和第二叶轮13都固结在轴套8上，轴套8活套在输出轴3上，第二共轭椭圆非圆齿轮7与第二椭圆非圆齿轮5啮合。
差速泵部件包括泵壳11、第一叶轮12、第二叶轮13和单向泄压阀14。泵壳11上沿圆周方向依次开设有第一排液口11-1、第一吸液口11-2、第二排液口11-3、第二吸液口11-4、第三排液口11-5和第三吸液口11-6；第一排液口11-1、第二排液口11-3和第三排液口11-5沿圆周均布，第一吸液口11-2、第二吸液口11-4和第三吸液口11-6沿圆周均布；第一叶轮12固定安装在输出轴3上；第一叶轮12和第二叶轮13沿圆周方向均布有三片叶片，每片叶片的外弧面与泵壳11的内壁贴合；沿圆周方向，第一叶轮12的叶片与第二叶轮13的叶片相间设置，每相邻两片叶片之间均形成一个封闭腔；所有叶片均安装有一个单向泄压阀14，单向泄压阀14的两头分别与该叶片两侧的封闭腔连通；所有单向泄压阀14方向与叶轮转动方向一致。
如图3所示，第一椭圆非圆齿轮4和第二椭圆非圆齿轮5的结构完全一致，第一共轭椭圆非圆齿轮6和第二共轭椭圆非圆齿轮7的结构完全一致，第一椭圆非圆齿轮4、第二椭圆非圆齿轮5、第一共轭椭圆非圆齿轮6和第二共轭椭圆非圆齿轮7均为三阶非圆齿轮；第一椭圆非圆齿轮4的初始安装相位角为θ1，第二椭圆非圆齿轮5的初始安装相位角为θ2；第一椭圆非圆齿轮4与第二椭圆非圆齿轮5、第一共轭椭圆非圆齿轮6与第二共轭椭圆非圆齿轮7的初始安装相位差均为θ1-θ2，其值为60°，实现第一叶轮12和第二叶轮13的差速转动，使得差速泵封闭腔的容积周期性变化，在第一排液口11-1、第二排液口11-3和第三排液口11-5产生排液，在第一吸液口11-2、第二吸液口11-4和第三吸液口11-6产生吸液。由于椭圆非圆齿轮的非匀速传动是连续的，在封闭腔处于完全密闭时，叶片仍有差速转动，这将使封闭腔压力超过限定值，单向泄压阀14将邻近封闭腔打通泄压，防止困液。
该椭圆非圆齿轮驱动的六叶片差速泵的工作原理：
电机10通过联轴器9和输入轴2将动力传给第一椭圆非圆齿轮4和第二椭圆非圆齿轮5。第一椭圆非圆齿轮4与第一共轭椭圆非圆齿轮6啮合，第二椭圆非圆齿轮5与第二共轭椭圆非圆齿轮7啮合，第一共轭椭圆非圆齿轮6将动力通过输出轴3传给第一叶轮12，第二共轭椭圆非圆齿轮7将动力通过轴套8传给第二叶轮13，轴套8与第二共轭椭圆非圆齿轮7固结并活套在输出轴3上。两对椭圆非圆齿轮副的安装相位不同，实现第一叶轮12与第二叶轮13的差速转动，从而实现吸液和排液。
第一椭圆非圆齿轮4的节曲线表达式为：
其中，n1为第一椭圆非圆齿轮的阶数，取值为3；A为椭圆的长轴半径，取值为100mm；k1为椭圆的偏心率，取值为0.5；为第一椭圆非圆齿轮的转角，为第一椭圆非圆齿轮对应转角的向径。
第一椭圆非圆齿轮4和第一共轭椭圆非圆齿轮6均为三阶非圆齿轮，根据非圆齿轮啮合原理，第一椭圆非圆齿轮4旋转360°时，第一共轭椭圆非圆齿轮6也旋转360°，可得计算中心距a的迭代式：
取中心距初值a0=120mm，采用进退法搜索算出中心距a的精确值为120mm。
第一椭圆非圆齿轮与第一共轭椭圆非圆齿轮的传动比为：
其中，n2为第一共轭椭圆非圆齿轮及第二共轭椭圆非圆齿轮的阶数，取值为3；
第二椭圆非圆齿轮与第二共轭椭圆非圆齿轮的传动比为：
其中，θ为第一椭圆非圆齿轮与第二椭圆非圆齿轮的初始安装相位差，取值为60°。
令第一椭圆非圆齿轮4与第一共轭椭圆非圆齿轮6的传动比i21等于第二椭圆非圆齿轮5与第二共轭椭圆非圆齿轮7的传动比i43，可求得四个不同的转角转角取最小值时，第一椭圆非圆齿轮4的角位移为 第二椭圆非圆齿轮5的角位移为第一叶轮12和第二叶轮13的转角分别为：
如图4所示，第一叶轮12及第二叶轮13的叶片角θ叶的取值均为30°；第一排液口、第一吸液口、第二排液口、第二吸液口、第三排液口和第三吸液口的大小均比叶片的叶片角θ叶小2°。泵壳的第一排液口中心位置角第一吸液口中心位置角第二排液口中心位置角ψ排2=ψ排1+120°=180°、第二吸液口中心位置角ψ吸2=ψ吸1+120°=211°、第三排液口中心位置角ψ排3=ψ排2+120°=300°、第三吸液口中心位置角ψ吸3=ψ吸2+120°=331°。
Claims (1)
1.一种椭圆非圆齿轮驱动的六叶片差速泵，包括驱动部件和差速泵部件，其特征在于：
所述的驱动部件包括驱动齿轮箱、输入轴、输出轴、第一椭圆非圆齿轮、第二椭圆非圆齿轮、第一共轭椭圆非圆齿轮、第二共轭椭圆非圆齿轮和轴套；电机通过联轴器与输入轴连接，输入轴通过两个轴承支撑在驱动齿轮箱的两侧壁；所述的第一椭圆非圆齿轮和第二椭圆非圆齿轮均固定安装在输入轴上；输出轴的两端分别通过轴承支撑在驱动齿轮箱和泵壳的箱壁上，第一共轭椭圆非圆齿轮安装在输出轴上，并与第一椭圆非圆齿轮啮合；第二共轭椭圆非圆齿轮和差速泵部件的第二叶轮都固结在轴套上，轴套活套在输出轴上，第二共轭椭圆非圆齿轮与第二椭圆非圆齿轮啮合；
所述的差速泵部件包括泵壳、第一叶轮、第二叶轮和单向泄压阀；所述的泵壳沿圆周方向依次开设有第一排液口、第一吸液口、第二排液口、第二吸液口、第三排液口和第三吸液口；第一排液口、第二排液口和第三排液口沿圆周均布，第一吸液口、第二吸液口和第三吸液口沿圆周均布；第一叶轮固定在输出轴上；所述的第一叶轮和第二叶轮沿圆周方向均布有三片叶片，每片叶片的外弧面与泵壳的内壁贴合；沿圆周方向，第一叶轮的叶片与第二叶轮的叶片相间设置；所有叶片内部均安装一个单向泄压阀，单向泄压阀方向与叶轮转动方向一致；
所述的第一椭圆非圆齿轮和第二椭圆非圆齿轮的参数和结构完全一致，第一共轭椭圆非圆齿轮和第二共轭椭圆非圆齿轮的参数和结构完全一致，第一椭圆非圆齿轮、第二椭圆非圆齿轮、第一共轭椭圆非圆齿轮和第二共轭椭圆非圆齿轮均为三阶非圆齿轮；第一椭圆非圆齿轮与第二椭圆非圆齿轮的初始安装相位差、第一共轭椭圆非圆齿轮与第二共轭椭圆非圆齿轮的初始安装相位差均为60°；
第一椭圆非圆齿轮的节曲线表达式为：
其中，n1为第一椭圆非圆齿轮的阶数，取值为3；A为椭圆的长轴半径，k1为椭圆的偏心率，为第一椭圆非圆齿轮的转角，为第一椭圆非圆齿轮对应转角的向径；
第一椭圆非圆齿轮和第一共轭椭圆非圆齿轮均为三阶非圆齿轮，根据非圆齿轮啮合原理，第一椭圆非圆齿轮旋转360°时，第一共轭椭圆非圆齿轮也旋转360°，可得计算中心距a的迭代式：
取中心距初值a0采用进退法搜索算出中心距a的精确值；
第一椭圆非圆齿轮与第一共轭椭圆非圆齿轮的传动比为：
其中，n2为第一共轭椭圆非圆齿轮及第二共轭椭圆非圆齿轮的阶数，取值为3；
第二椭圆非圆齿轮与第二共轭椭圆非圆齿轮的传动比为：
其中，θ为第一椭圆非圆齿轮与第二椭圆非圆齿轮的相位差，取值为60°；
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第一叶轮及第二叶轮的叶片角θ叶的取值均为25°～35°；第一排液口、第一吸液口、第二排液口、第二吸液口、第三排液口和第三吸液口的大小相等，且比叶片的叶片角θ叶小2～5°；泵壳的第一排液口中心位置角第一吸液口中心位置角第二排液口中心位置第二吸液口中心位置角第三排液口中心位置角第三吸液口中心位置角
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