CN107701421A - 自由节曲线非圆齿轮驱动的滑动四叶片差速泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由节曲线非圆齿轮驱动的滑动四叶片差速泵，本发明的第一、第二自由节曲线非圆齿轮均固定安装在输入轴上；轴套上沿圆周方向均匀固定安装两个第二滑轨，每个第二滑轨上滑动设置一个第二滑动叶片；输出轴上沿圆周方向均匀固定安装两个第一滑轨，每个第一滑轨上滑动设置一个第一滑动叶片；本发明差速泵叶片是滑动叶片设计，可以防止由于泵外壳变形卡死，同时可以补偿叶片弧面磨损造成叶片和泵壳缝隙过大，滑动叶片在容积腔短暂困液时，叶片通过向轴心滑动实现短时泄压。本发明采用B样条曲线可以精确控制节曲线的每个点，可以进一步提高差速泵的性能。

Description

自由节曲线非圆齿轮驱动的滑动四叶片差速泵

技术领域

本发明属于容积泵技术领域，涉及多叶片差速泵，具体涉及一种自由节曲线非圆齿轮驱动的滑动四叶片差速泵。

背景技术

差速泵的吸液腔和排液腔始终对称，因此高压液体作用在叶片上的径向力始终平衡，泵的内壳表面与叶片形状较其他类型泵简单，摩擦副面单一(主要是叶片与泵壳)，运转可靠、容积效率高、排量体积比大、径向工作载荷平衡、脉动可控性好，适用于要求高压力、高效率的场合。

现有的差速泵根据驱动机构的不同，存在不同的不足之处。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。

傅里叶非圆齿轮驱动叶片差速泵，通过改变6个参数调整性能，但是由于傅里叶参数不能精确控制节曲线的每个点，导致不能进一步优化差速泵性能，如脉动率、齿轮不根切最大模数和排量等指标参数。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种自由节曲线非圆齿轮驱动的滑动四叶片差速泵，该叶片差速泵驱动非圆齿轮利用k次B样条曲线设计节曲线，由于是通过控制点确定节曲线形值点，且可以任意控制曲线形状，因此在这里定义为自由节曲线，由于控制点可以任意数量，因此驱动机构的不等速规律更容易调整，方便性能优化，从而可以进一步提高差速泵的性能；差速泵叶片是滑动叶片设计，可以防止由于泵外壳变形卡死，同时可以补偿叶片弧面磨损造成叶片和泵壳缝隙过大，滑动叶片在容积腔短暂困液时，叶片通过向轴心滑动实现短时泄压。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种自由节曲线非圆齿轮驱动的滑动四叶片差速泵，包括驱动部件和差速泵部件；

所述的驱动部件包括齿轮箱、输入轴、输出轴、第一自由节曲线非圆齿轮、第二自由节曲线非圆齿轮、第一共轭自由节曲线非圆齿轮、第二共轭自由节曲线非圆齿轮和轴套；输入轴支承在齿轮箱上，第一自由节曲线非圆齿轮和第二自由节曲线非圆齿轮均固定安装在输入轴上；输出轴的两端分别支承在齿轮箱和泵壳上，第一共轭自由节曲线非圆齿轮固定安装在输出轴上，并与第一自由节曲线非圆齿轮啮合；第二共轭自由节曲线非圆齿轮固定连接在轴套的一端，轴套套设在输出轴上；第二共轭自由节曲线非圆齿轮与第二自由节曲线非圆齿轮啮合；

所述的差速泵部件包括泵壳、第一滑动叶片、第二滑动叶片、第一滑轨、第二滑轨；所述泵壳安装在齿轮箱外壁上，泵壳沿圆周方向依次开设有第一排液口、第一吸液口、第二排液口和第二吸液口；轴套的另一端沿圆周方向均匀固定安装两个第二滑轨，每个第二滑轨上滑动设置一个第二滑动叶片；输出轴上沿圆周方向均匀固定安装两个第一滑轨，每个第一滑轨上滑动设置一个第一滑动叶片；沿圆周方向，第一滑动叶片的叶片与第二滑动叶片的叶片相间设置；

所述第一自由节曲线非圆齿轮的节曲线和第二自由节曲线非圆齿轮的节曲线相同，第一自由节曲线非圆齿轮的节曲线F_(x,y)的表达式如下：

其中，(x,y)表示直角坐标系的一个点，t表示自变量，n表示控制点个数，P_i为第i个控制点，N_i,k(t)表示k阶B样条基函数，t_k-1表示自变量下限，t_n+1表示自变量上限；

根据第一自由节曲线非圆齿轮的表达式，通过调整控制点、控制多边形可以精确控制自由节曲线的形状，则第一自由节曲线非圆齿轮的节曲线向径的表达式为：

其中表示第一自由节曲线非圆齿轮旋转的角位移，表示节曲线上点的x轴数值，表示节曲线上点的y轴数值；

根据非圆齿轮啮合原理，第一自由节曲线非圆齿轮旋转时，第一共轭自由节曲线非圆齿轮的角位移为

第一自由节曲线非圆齿轮为一阶非圆齿轮，第一共轭自由节曲线非圆齿轮为二阶非圆齿轮，因此，第一自由节曲线非圆齿轮旋转2π时，第一共轭自由节曲线非圆齿轮旋转π，可得计算中心距a的迭代式：

给定中心距初值a₀，采用进退法搜索算出中心距a的精确值。

进一步的，所述输入轴与电机相连。

进一步的，所述第一排液口与第二排液口对称设置，第一吸液口与第二吸液口对称设置。

进一步的，所述第一自由节曲线非圆齿轮与第二自由节曲线非圆齿轮的初始安装相位差为π，第一共轭自由节曲线非圆齿轮与第二共轭自由节曲线非圆齿轮的初始安装相位差为

进一步的，第一自由节曲线非圆齿轮与第一共轭自由节曲线非圆齿轮的传动比i₂₁为：

第二自由节曲线非圆齿轮与第二共轭自由节曲线非圆齿轮的传动比i₄₃为：

由i₂₁等于i₄₃，可求得四个不同的 取最小值时，第一自由节曲线非圆齿轮的角位移为第二自由节曲线非圆齿轮的角位移为第一滑动叶片和第二滑动叶片的转角分别为：

ψ₁为第一滑动叶片的转角，ψ₂为第二滑动叶片的转角；

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+π、第二吸液口中心位置角ψ_吸2＝ψ_吸1+π；第一排液口、第一吸液口、第二排液口和第二吸液口的大小相等，且比叶片的叶片角θ_叶小2～5°；第一滑动叶片及第二滑动叶片的叶片角θ_叶的取值均为40°～45°。

本发明具有的有益效果是：本发明采用自由节曲线非圆齿轮机构，该叶片差速泵驱动非圆齿轮利用B样条曲线设计节曲线，由于是通过控制点确定节曲线形值点，且可以任意控制曲线形状，由于控制点可以任意数量，因此驱动机构的不等速规律更容易调整，方便性能优化；差速泵叶片是滑动叶片设计，可以防止由于泵外壳变形卡死，同时可以补偿叶片弧面磨损造成叶片和泵壳缝隙过大，滑动叶片在容积腔短暂困液时，叶片克服离心力通过向轴心滑动实现短时泄压。由于自由节曲线非圆齿轮机构驱动的差速泵吸液口和排液口对称，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自由节曲线非圆齿轮，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为本发明的叶片极限位置示意图；

图4为本发明自由节曲线控制点、控制多边形和形值点关系图；

图5为本发明差速泵非圆齿轮自由节曲线啮合图；

图6为本发明差速泵自由节曲线非圆齿轮齿廓图；

图7为本发明滑动叶片静止状态图；

图8为本发明滑动叶片中低速旋转状态图；

图9为本发明滑动叶片超高速旋转状态图；

图中：1、齿轮箱，2、输入轴，3、输出轴，4、第一自由节曲线非圆齿轮，5、第二自由节曲线非圆齿轮，6、第一共轭自由节曲线非圆齿轮，7、第二共轭自由节曲线非圆齿轮，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，12、第一滑动叶片，13、第二滑动叶片，14、第一滑轨，15、第二滑轨，16、控制点，17、控制多边形，18、自由节曲线。

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，一种自由节曲线非圆齿轮驱动的四叶片差速泵包括驱动部件和差速泵部件；

驱动部件包括齿轮箱1、输入轴2、输出轴3、第一自由节曲线非圆齿轮4、第二自由节曲线非圆齿轮5、第一共轭自由节曲线非圆齿轮6、第二共轭自由节曲线非圆齿轮7和轴套8；电机10经过联轴器9将动力传给输入轴2，输入轴2通过两个轴承支撑在齿轮箱1的两侧壁；第一自由节曲线非圆齿轮4和第二自由节曲线非圆齿轮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齿轮箱1和泵壳11的箱壁上，第一共轭自由节曲线非圆齿轮6固定安装在输出轴3上，并与第一自由节曲线非圆齿轮4啮合传动；第二共轭自由节曲线非圆齿轮7固定连接在轴套8的一端上，轴套8套设在输出轴3上；第二共轭自由节曲线非圆齿轮7与第二自由节曲线非圆齿轮5啮合传动。

差速泵部件包括泵壳11、第一滑动叶片12、第二滑动叶片13、第一滑轨14、第二滑轨15；所述泵壳11安装在齿轮箱1的外壁上，泵壳11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和第二吸液口11-4；第一排液口11-1与第二排液口11-3对称设置，第一吸液口11-2与第二吸液口11-4对称设置；轴套8的另一端沿圆周方向均匀固定安装两个第二滑轨15，每个第二滑轨15上滑动设置一个第二滑动叶片13；输出轴2上沿圆周方向均匀固定安装两个第一滑轨14，每个第一滑轨14上滑动设置一个第一滑动叶片12；沿圆周方向，第一滑动叶片12的叶片与第二滑动叶片13的叶片相间设置。

如图2、5所示，第一自由节曲线非圆齿轮4和第二自由节曲线非圆齿轮5的节曲线相同，第一共轭自由节曲线非圆齿轮6和第二共轭自由节曲线非圆齿轮7的节曲线相同，第一自由节曲线非圆齿轮4、第二自由节曲线非圆齿轮5为一阶非圆齿轮；第一共轭自由节曲线非圆齿轮6和第二共轭自由节曲线非圆齿轮7为二阶非圆齿轮；第一自由节曲线非圆齿轮4与第二自由节曲线非圆齿轮5初始安装相位差为π；第一共轭自由节曲线非圆齿轮6与第二共轭自由节曲线非圆齿轮7的初始安装相位差为实现第一滑动叶片12和第二滑动叶片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和第二排液口11-3产生排液，在第一吸液口11-2和第二吸液口11-4产生吸液。

该自由节曲线非圆齿轮驱动的滑动四叶片差速泵的工作原理：

电机10通过联轴器9和输入轴2将动力传给第一自由节曲线非圆齿轮4和第二自由节曲线非圆齿轮5。第一自由节曲线非圆齿轮4与第一共轭自由节曲线非圆齿轮6啮合，第二自由节曲线非圆齿轮5与第二共轭自由节曲线非圆齿轮7啮合，第一共轭自由节曲线非圆齿轮6将动力通过输出轴3传给第一滑动叶片12，第二共轭自由节曲线非圆齿轮7将动力通过轴套8传给第二滑动叶片13。两对自由节曲线非圆齿轮副的安装相位不同，实现第一叶片12与第二叶片13的差速转动，从而实现吸液和排液。由于第一滑动叶片12和第一滑轨14之间、第二滑动叶片13和第二滑轨15之间均是滑动连接，随着转速增加，在离心力的作用下，第一滑动叶片12、第二滑动叶片13分别与泵壳11的间隙减少，具有自动补偿叶片磨损作用。同时在部分容积腔困液时，容积腔压力克服叶片离心力，增加第一滑动叶片12、第二滑动叶片13和泵壳11的间隙，实现前后容积腔贯通，图7为本发明滑动叶片静止状态图；图8为本发明滑动叶片中低速旋转状态图；图9为本发明滑动叶片超高速旋转状态图。

如图4所示，根据自由曲线生成原理，本实施例选择26个控制点16(由于是封闭曲线，其中一个重复)，26个控制点16依次首尾相连形成控制多边形17，控制多边形17内形成自由节曲线18，从而确定第一自由节曲线非圆齿轮4的节曲线，再给定第一自由节曲线非圆齿轮4与第一共轭自由节曲线非圆齿轮6的中心距初值a₀，根据节曲线封闭条件和啮合条件，采用进退法搜索获得中心距a的精确值。具体计算如下：

第一自由节曲线非圆齿轮4的节曲线F_(x,y)表达式为：

其中，(x,y)表示直角坐标系的一个点，t表示自变量，n表示控制点个数，n取26，P_i为第i个控制点，N_i,3(t)表示,3阶(2次)B样条基函数，t₂表示自变量下限，t₂取t₂₇表示自变量上限，取

3阶B样条基函数表达下：

根据第一自由节曲线非圆齿轮的表达式，如图4所示，通过调整控制点16、控制多边形17精确控制自由节曲线18的形状。则第一自由节曲线非圆齿轮的向径表达式为：

其中表示第一自由节曲线非圆齿轮旋转的角位移，表示节曲线上点的x轴数值，表示表示节曲线上点的y轴数值；

根据非圆齿轮啮合原理，第一自由节曲线非圆齿轮4旋转360°时，第一共轭自由节曲线非圆齿轮6的角位移：

第一自由节曲线非圆齿轮4为一阶非圆齿轮，第一共轭自由节曲线非圆齿轮6均为二阶非圆齿轮，因此，第一自由节曲线非圆齿轮4旋转360°时，第一共轭自由节曲线非圆齿轮6也旋转180°，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。

求得中心距a的精确值后，可求解泵壳的排、吸液口中心位置，四叶片差速泵的排量、瞬时流量变化表达式。具体计算如下：

第一自由节曲线非圆齿轮4与第一共轭自由节曲线非圆齿轮6的传动比为：

第二自由节曲线非圆齿轮5与第二共轭自由节曲线非圆齿轮7的传动比为：

第一自由节曲线非圆齿轮4与第二自由节曲线非圆齿轮5的初始安装相位差，取值为180°。

由i₂₁等于i₄₃，可求得四个不同的 取最小值时，第一自由节曲线非圆齿轮4的角位移为第二自由节曲线非圆齿轮5的角位移为第一叶片12和第二叶片13的转角分别为：

如图3所示，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+π、第二吸液口中心位置角ψ_吸2＝ψ_吸1+π；第一排液口、第一吸液口、第二排液口和第二吸液口的大小均比叶片的叶片角θ_叶小2°；第一叶片12及第二叶片13的叶片角θ_叶的取值均为45°。

相邻两叶片最小张角此时该封闭腔为最小容积：

其中，R为叶片半径，取值为90mm；r为叶片轴半径，取值为20mm；h为叶片厚度，取值为50mm。

相邻两叶片最大张角此时该封闭腔为最大容积：

四叶片差速泵的排量计算表达式：

Q＝4×(V_max-V_min)＝2(Δψ_max-Δψ_min)(R²-r²)×h×10^-6

四叶片差速泵的瞬时流量计算表达式：

其中，V为排液腔容积；ω为第一自由节曲线非圆齿轮4及第二自由节曲线非圆齿轮5的角速度，其计算式为

如图4所示，第一自由节曲线非圆齿轮4的节曲线表达式的控制点为26个(首尾点重复)，如图5所示，第一自由节曲线非圆齿轮4的阶数为1,第一共轭自由节曲线非圆齿轮6阶数为2。如图6所示，第二自由节曲线非圆齿轮5和第二共轭自由节曲线非圆齿轮7的齿廓相同，第一自由节曲线非圆齿轮4和第二自由节曲线非圆齿轮5的齿廓相同，第一共轭自由节曲线非圆齿轮6和二共轭自由节曲线非圆齿轮7的齿廓相同。中心距初值a₀＝35mm，可求得中心距a为108mm，第一排液口中心位置角ψ_排1为85°、第一吸液口中心位置角ψ_吸1为103°、第二排液口中心位置角ψ_排2为265°、第二吸液口中心位置角ψ_吸2为283°。该参数下，四叶片差速泵的双泵并联排量最大，其值为3655ml。

Claims (5)

1.一种自由节曲线非圆齿轮驱动的滑动四叶片差速泵，其特征在于，包括驱动部件和差速泵部件；

所述的驱动部件包括齿轮箱、输入轴、输出轴、第一自由节曲线非圆齿轮、第二自由节曲线非圆齿轮、第一共轭自由节曲线非圆齿轮、第二共轭自由节曲线非圆齿轮和轴套；输入轴支承在齿轮箱上，第一自由节曲线非圆齿轮和第二自由节曲线非圆齿轮均固定安装在输入轴上；输出轴的两端分别支承在齿轮箱和泵壳上，第一共轭自由节曲线非圆齿轮固定安装在输出轴上，并与第一自由节曲线非圆齿轮啮合；第二共轭自由节曲线非圆齿轮固定连接在轴套的一端，轴套套设在输出轴上；第二共轭自由节曲线非圆齿轮与第二自由节曲线非圆齿轮啮合；

所述的差速泵部件包括泵壳、第一滑动叶片、第二滑动叶片、第一滑轨、第二滑轨；所述泵壳安装在齿轮箱外壁上，泵壳沿圆周方向依次开设有第一排液口、第一吸液口、第二排液口和第二吸液口；轴套的另一端沿圆周方向均匀固定安装两个第二滑轨，每个第二滑轨上滑动设置一个第二滑动叶片；输出轴上沿圆周方向均匀固定安装两个第一滑轨，每个第一滑轨上滑动设置一个第一滑动叶片；沿圆周方向，第一滑动叶片的叶片与第二滑动叶片的叶片相间设置。

所述第一自由节曲线非圆齿轮的节曲线和第二自由节曲线非圆齿轮的节曲线相同，第一自由节曲线非圆齿轮的节曲线F_(x,y)的表达式如下：

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>P</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>

其中，(x,y)表示直角坐标系的一个点，t表示自变量，n表示控制点个数，P_i为第i个控制点，N_i,k(t)表示k阶B样条基函数，t_k-1表示自变量下限，t_n+1表示自变量上限；

根据第一自由节曲线非圆齿轮的表达式，通过调整控制点、控制多边形可以精确控制自由节曲线的形状，则第一自由节曲线非圆齿轮的节曲线向径的表达式为：

其中表示第一自由节曲线非圆齿轮旋转的角位移，表示节曲线上点的x轴数值，表示节曲线上点的y轴数值；

根据非圆齿轮啮合原理，第一自由节曲线非圆齿轮旋转时，第一共轭自由节曲线非圆齿轮的角位移为

第一自由节曲线非圆齿轮为一阶非圆齿轮，第一共轭自由节曲线非圆齿轮为二阶非圆齿轮，因此，第一自由节曲线非圆齿轮旋转2π时，第一共轭自由节曲线非圆齿轮旋转π，可得计算中心距a的迭代式：

给定中心距初值a₀，采用进退法搜索算出中心距a的精确值。

2.根据权利要求1所述的一种自由节曲线非圆齿轮驱动的滑动四叶片差速泵，其特征在于，所述输入轴与电机相连。

3.根据权利要求1所述的一种自由节曲线非圆齿轮驱动的滑动四叶片差速泵，其特征在于，所述第一排液口与第二排液口对称设置，第一吸液口与第二吸液口对称设置。

4.根据权利要求1所述的一种自由节曲线非圆齿轮驱动的滑动四叶片差速泵，其特征在于，所述第一自由节曲线非圆齿轮与第二自由节曲线非圆齿轮的初始安装相位差为π，第一共轭自由节曲线非圆齿轮与第二共轭自由节曲线非圆齿轮的初始安装相位差为

5.根据权利要求4所述的一种自由节曲线非圆齿轮驱动的滑动四叶片差速泵，其特征在于，第一自由节曲线非圆齿轮与第一共轭自由节曲线非圆齿轮的传动比i₂₁为：

第二自由节曲线非圆齿轮与第二共轭自由节曲线非圆齿轮的传动比i₄₃为：

由i₂₁等于i₄₃，可求得四个不同的 取最小值时，第一自由节曲线非圆齿轮的角位移为第二自由节曲线非圆齿轮的角位移为第一滑动叶片和第二滑动叶片的转角分别为：

ψ₁为第一滑动叶片的转角，ψ₂为第二滑动叶片的转角；

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+π、第二吸液口中心位置角ψ_吸2＝ψ_吸1+π；第一排液口、第一吸液口、第二排液口和第二吸液口的大小相等，且比叶片的叶片角θ_叶小2～5°；第一滑动叶片及第二滑动叶片的叶片角θ_叶的取值均为40°～45°。