CN108061032B - 无脉动高阶椭圆齿轮泵 - Google Patents

Abstract

无脉动高阶椭圆齿轮泵，主要包括电机，变速器和齿轮泵，齿轮泵由主动高阶椭圆齿轮、从动高阶椭圆齿轮、高阶椭圆齿轮泵主动轴、高阶椭圆齿轮泵从动轴以及泵体组成，变速器由主动非圆齿轮、从动非圆齿轮、变速器输入轴、变速器输出轴以及变速器壳体组成，变速器输入轴的一端延伸至变速器壳体的外部，变速器输入轴的一端通过联轴器B与电机的输出轴相连。本发明在不改变泵体结构的基础上，通过一对外置非圆齿轮机构驱动高阶椭圆齿轮转子变速转动实现流量脉动平抑，与将两个高阶椭圆齿轮泵并联的方式相比，本发明结构简单，安装方便，制造成本低，而且流量更加均匀；与改变高阶椭圆齿轮转子的几何参数或齿形等方法相比，本发明的脉动平抑效果显著提高。

Description

无脉动高阶椭圆齿轮泵

技术领域

本发明属于流体传动领域，具体涉及一种高阶椭圆齿轮泵。

背景技术

高阶椭圆齿轮泵采用一对共轭的高阶椭圆齿轮作为转子，当泵内腔半径一定时，高阶椭圆齿轮泵相对普通圆齿轮泵的排量，可以增大4倍以上，因此是一种大排量轻质量的高性能泵。但高阶椭圆齿轮泵在排量增大的同时流量脉动也随之增大，导致其振动和噪声大幅提高，无法正常应用，因此有效的平抑流量脉动成为制约高阶椭圆齿轮泵实用化的关键问题。

谭伟明等^[1]采用三个椭圆齿轮转子串联的结构，通过两个排油腔流量互补，使总输出流量脉动减小；另外,他还提出将两个卵形齿轮泵并联的方案，其本质也是通过流量互补实现平抑效果,这两种方法在降低脉动的同时还可增大排量^[2]，对椭圆齿轮泵的性能提升具有积极的意义，但引入新转子后，泵结构变得复杂，制造难度加大，整体重量也随之上升，内泄漏也随之增加。

林超等^[3]提出了高阶椭圆锥齿轮泵，通过对比发现该泵相对于圆柱齿轮泵和非圆柱齿轮泵的排量最大，但并没有对其流量脉动进行平抑。

除此之外，人们针对普通圆齿轮泵，提出通过改变齿数、压力角、齿高等几何参数或采用弧齿^[7]、斜齿^[8]及非对称齿^[9]等特殊齿形的方法来减小齿轮泵的流量脉动，但高阶椭圆齿轮泵的脉动主要来源于高阶椭圆转子的节曲线形状，这些方法的效果将十分有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种非圆齿轮变速器驱动的高阶椭圆齿轮泵，在不改变泵体结构的前提下，大幅平抑高阶椭圆齿轮泵的瞬时流量脉动，实现大排量稳定输出，进而有效抑制泵体的振动及噪声。

本发明主要包括电机，变速器和齿轮泵，其中齿轮泵由主动高阶椭圆齿轮、从动高阶椭圆齿轮、高阶椭圆齿轮泵主动轴、高阶椭圆齿轮泵从动轴以及泵体组成，在泵体内设有高阶椭圆齿轮泵主动轴和高阶椭圆齿轮泵从动轴，主动高阶椭圆齿轮转子和从动高阶椭圆齿轮转子置于泵体内，相互啮合，且主动高阶椭圆齿轮转子设在高阶椭圆齿轮泵主动轴上，从动高阶椭圆齿轮转子设在高阶椭圆齿轮泵从动轴上，高阶椭圆齿轮泵主动轴的一端延伸至泵体的外部，通过联轴器A与变速器的变速器输出轴一端相连。变速器由主动非圆齿轮、从动非圆齿轮、变速器输入轴、变速器输出轴以及变速器壳体组成，变速器输入轴、变速器输出轴置于变速器壳体内，在变速器输出轴上套接从动非圆齿轮，变速器输入轴上套接主动非圆齿轮，且主动非圆齿轮和从动非圆齿轮均置于变速器的内部，主动非圆齿轮和从动非圆齿轮相互啮合，变速器输入轴的一端延伸至变速器壳体的外部，变速器输入轴的一端通过联轴器B与电机的输出轴相连。

高阶椭圆齿轮泵中的相同高阶椭圆齿轮转子，其节曲线方程为：

式中，ε为高阶椭圆齿轮转子的偏心率，a为高阶椭圆齿轮转子节曲线的基轴，为主动高阶椭圆齿轮转子的节曲线极角，为从动高阶椭圆齿轮转子的节曲线极角，n为高阶椭圆齿轮的阶数，r₁、r₂分别为主动高阶椭圆齿轮转子和从动高阶椭圆齿轮转子的节曲线向径，主动高阶椭圆齿轮安装在高阶椭圆齿轮泵的输入轴上。

其中电机与高阶椭圆齿轮泵之间有一套非圆齿轮变速器，非圆齿轮副的节曲线方程为：

式中，A为主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的中心距，为主动非圆齿轮的节曲线极角，为从动非圆齿轮的节曲线极角，r₃、r₄分别为主动非圆齿轮3和从动非圆齿轮4的节曲线向径，i₃₄为主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的传动比，其中，R为非圆齿轮泵内腔半径，a为高阶椭圆齿轮转子节曲线的基轴，r₁为主动高阶椭圆齿轮转子的节曲线向径，ε为高阶椭圆齿轮转子的偏心率。

在一些实施方式中，主动非圆齿轮安装在变速机构输入轴上，从动非圆齿轮4安装在变速机构输出轴上，电动机与变速机构输入轴相连，变速机构输出轴与高阶椭圆齿轮泵输入轴相连，主动非圆齿轮与高阶椭圆齿轮节曲线上的长轴相互平行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在不改变泵体结构的基础上，通过一对外置非圆齿轮机构驱动高阶椭圆齿轮转子变速转动实现流量脉动平抑，与将两个高阶椭圆齿轮泵并联的方式相比，本发明结构简单，安装方便，制造成本低，而且流量更加均匀；与改变高阶椭圆齿轮转子的几何参数或齿形等方法相比，本发明的脉动平抑效果显著提高。

附图说明

图1是非圆齿轮变速器驱动的高阶椭圆齿轮泵机构简图；

图2是高阶椭圆齿轮泵的剖视图

图3是变速器中非圆齿轮和齿轮泵中高阶椭圆齿轮的节曲线

图4是齿轮泵转子偏心率e₁＝0.2时的瞬时流量曲线

附图标号1-主动高阶椭圆齿轮转子；2-从动高阶椭圆齿轮转子；3-主动非圆齿轮；4-从动非圆齿轮；5-泵体；6-变速器壳体；7-联轴器A；8-电机；9-联轴器B；10-变速器输入轴，11-变速器输出轴，12-高阶椭圆齿轮泵主动轴，13-高阶椭圆齿轮泵从动轴。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

非圆齿轮变速器驱动的高阶椭圆齿轮泵具体结构如图1所示，包括电机8，变速器和齿轮泵，其中齿轮泵由主动高阶椭圆齿轮1、从动高阶椭圆齿轮2、高阶椭圆齿轮泵主动轴12、高阶椭圆齿轮泵从动轴13以及泵体5组成，在泵体内设有高阶椭圆齿轮泵主动轴和高阶椭圆齿轮泵从动轴，主动高阶椭圆齿轮转子1和从动高阶椭圆齿轮转子2置于泵体内，相互啮合，且主动高阶椭圆齿轮转子设在高阶椭圆齿轮泵主动轴12上，从动高阶椭圆齿轮转子设在高阶椭圆齿轮泵从动轴13上，高阶椭圆齿轮泵主动轴的一端延伸至泵体的外部，通过联轴器A7与变速器的变速器输出轴11一端相连。变速器由主动非圆齿轮、从动非圆齿轮、变速器输入轴、变速器输出轴以及变速器壳体6组成，变速器输入轴、变速器输出轴置于变速器壳体内，在变速器输出轴上套接从动非圆齿轮4，变速器输入轴上套接主动非圆齿轮3，且主动非圆齿轮和从动非圆齿轮均置于变速器的内部，主动非圆齿轮和从动非圆齿轮相互啮合，变速器输入轴10的一端延伸至变速器壳体的外部，变速器输入轴的一端通过联轴器B9与电机8的输出轴相连。

齿轮泵中有一对形状相同的高阶椭圆齿轮转子，其剖视图如图2所示，高阶椭圆齿轮的节曲线方程为

式中，ε为高阶椭圆齿轮转子的偏心率，a为高阶椭圆齿轮转子节曲线的基轴，为主动高阶椭圆齿轮转子的节曲线极角，为从动高阶椭圆齿轮转子的节曲线极角，n为高阶椭圆齿轮的阶数，r₁、r₂分别为主动高阶椭圆齿轮转子和从动高阶椭圆齿轮转子的节曲线向径，主动高阶椭圆齿轮安装在高阶椭圆齿轮泵的输入轴上。本实施例中，齿轮泵5中高阶椭圆齿轮转子的参数为：

表1高阶椭圆齿轮泵转子参数

根据表1和公式3可计算出本实施例中高阶椭圆齿轮转子1、2节曲线上的数据，如表2所示，以此得到高阶椭圆齿轮转子节曲线如图3中的实线所示。

表2轮泵中高阶椭圆齿轮节曲线数据

变速器6中为一对非圆齿轮，其节曲线方程为

式中，A为主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的中心距，为主动非圆齿轮的节曲线极角，为从动非圆齿轮的节曲线极角，r₃、r₄分别为主动非圆齿轮3和从动非圆齿轮4的节曲线向径，i₃₄为主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的传动比，其中，R为非圆齿轮泵内腔半径，a为高阶椭圆齿轮转子节曲线的基轴，r₁主动高阶椭圆齿轮转子的节曲线向径，ε为高阶椭圆齿轮转子的偏心率。

本实施例中，变速器6中非圆齿轮的参数为：

表3非圆齿轮变速器中非圆齿轮参数

根据表2和公式4可计算出本实施例中非圆齿轮3、4节曲线上的数据，如表4所示，以此得到非圆齿轮3、4节曲线如图3中的虚线所示。

表4变速器中非圆齿轮的节曲线数据

为了使变速器6对齿轮泵5的平抑效果最好，高阶椭圆齿轮转子1和非圆齿轮4在安装时，要保证二者的节曲线长轴相互平行，此时高阶椭圆齿轮泵的瞬时流量方程为

式中，Q_i为有变速器时高阶椭圆齿轮泵的瞬时流量，B为高阶椭圆齿轮转子1、2的宽度，ω₁为电机转速，r₁为主动高阶椭圆齿轮转子1的节曲线向径，r₂为从动高阶椭圆齿轮转子2的节曲线向径，R为高阶椭圆齿轮泵内腔半径，i₃₄为主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的传动比。

无非圆齿轮变速器时，电机直接驱动高阶椭圆齿轮泵的瞬时流量公式为

式中，q_i为无变速器时高阶椭圆齿轮泵的瞬时流量，B为高阶椭圆齿轮转子1、2的宽度，ω₁为电机转速，r₁为主动高阶椭圆齿轮转子1的节曲线向径，r₂为从动高阶椭圆齿轮转子2的节曲线向径，R为高阶椭圆齿轮泵内腔半径。

根据表1，表2中的参数和公式(5)-(6)，可得高阶椭圆齿轮泵的瞬时流量数据，如表5所示，以此得到有、无变速器时的高阶椭圆齿轮泵流量曲线，分别如图4中的曲线a和曲线b所示。

表5高阶椭圆齿轮泵转子e₁＝0.2时的瞬时流量(L/min)

从图4中的对比可以看出，通过非圆齿轮变速器驱动高阶椭圆齿轮泵后，其瞬时流量脉动情况得到了彻底的改善，从流体机械的根源上解决了流量脉动的问题，降低了泵的冲击与噪音，有利于机械系统的稳定。

Claims (1)

1.无脉动高阶椭圆齿轮泵，主要包括电机，变速器和齿轮泵，其特征在于：齿轮泵由主动高阶椭圆齿轮、从动高阶椭圆齿轮、高阶椭圆齿轮泵主动轴、高阶椭圆齿轮泵从动轴以及泵体组成，在泵体内设有高阶椭圆齿轮泵主动轴和高阶椭圆齿轮泵从动轴，主动高阶椭圆齿轮转子和从动高阶椭圆齿轮转子置于泵体内，相互啮合，且主动高阶椭圆齿轮转子设在高阶椭圆齿轮泵主动轴上，从动高阶椭圆齿轮转子设在高阶椭圆齿轮泵从动轴上，高阶椭圆齿轮泵主动轴的一端延伸至泵体的外部，通过联轴器A与变速器的变速器输出轴一端相连，变速器由主动非圆齿轮、从动非圆齿轮、变速器输入轴、变速器输出轴以及变速器壳体组成，变速器输入轴、变速器输出轴置于变速器壳体内，在变速器输出轴上套接从动非圆齿轮，变速器输入轴上套接主动非圆齿轮，且主动非圆齿轮和从动非圆齿轮均置于变速器的内部，主动非圆齿轮和从动非圆齿轮相互啮合，变速器输入轴的一端延伸至变速器壳体的外部，变速器输入轴的一端通过联轴器B与电机的输出轴相连,

所述高阶椭圆齿轮泵中的相同高阶椭圆齿轮转子，其节曲线方程为：

式中，ε为高阶椭圆齿轮转子的偏心率，a为高阶椭圆齿轮转子节曲线的基轴，为主动高阶椭圆齿轮转子的节曲线极角，为从动高阶椭圆齿轮转子的节曲线极角，n为高阶椭圆齿轮的阶数，r₁、r₂分别为主动高阶椭圆齿轮转子和从动高阶椭圆齿轮转子的节曲线向径，主动高阶椭圆齿轮安装在高阶椭圆齿轮泵的输入轴上；

所述变速器中非圆齿轮副的节曲线方程为：

式中，A为主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的中心距，为主动非圆齿轮的节曲线极角，为从动非圆齿轮的节曲线极角，r₃、r₄分别为主动非圆齿轮（ 3） 和从动非圆齿轮（ 4）的节曲线向径，i₃₄为主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的传动比，其中，R为非圆齿轮泵内腔半径，a为高阶椭圆齿轮转子节曲线的基轴，r₁为主动高阶椭圆齿轮转子的节曲线向径，ε为高阶椭圆齿轮转子的偏心率；

主动非圆齿轮安装在变速机构输入轴上，从动非圆齿轮安装在变速机构输出轴上，电动机与变速机构输入轴相连，变速机构输出轴与高阶椭圆齿轮泵输入轴相连，主动非圆齿轮与高阶椭圆齿轮节曲线上的长轴相互平行。