CN108825430B - 一种叶片传力构件及其叶片端部间隙控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片传力构件及其叶片端部间隙控制方法，包括定距轴承环、轴承、马达端盖、转子端部盖板、滑块、叶片、转子轴、定子和转子，定距轴承环与转子端部盖板活动连接，定子与滑块内侧接触面为定子内曲线，定子与滑块的外侧接触面为与定子内曲线对应等距的定子外曲线。本发明采用任意过定子圆心矢径到内曲面和外曲面距离为定值的设计方法，实现叶片随转子进行回转运动的同时，保持叶片与定子内曲面的配合。本发明采用预留间隙的方式保证叶片正常运动和控制马达/泵泄露，解决叶片与端盖间隙随温度变化导致的效率敏感问题；提出基于叶片传力构件设计原理的叶片端部间隙控制方法，解决传力机构存在的限制马达功率质量比的继续提升问题。

Description

一种叶片传力构件及其叶片端部间隙控制方法

技术领域

本发明涉及到液压技术领域，特别涉及一种用于叶片式内曲线液压马达或泵的叶片传力构件及其叶片端部间隙控制方法。

背景技术

现有的叶片式内曲线液压马达/泵的叶片在进行周期性运动时，叶片在进行围绕马达/泵的轴线做旋转运动的同时，还会沿着转子的叶片槽，随内曲线在回转圆的径向做往复的直线运动。由于机械加工的精度限制、零部件的装配的间隙需要、相对运动的灵活性需要；叶片式内曲线液压马达/泵的叶片在自由状态下始终存在两个间隙，一个是内曲面与叶片之间的间隙，一个是叶片端部与端盖之间的间隙。为了保证马达/泵的正常工作，避免因这两个间隙导致的泄露影响马达/泵的性能和效率；一般设置有专门的传力机构保证叶片与内曲面的紧密贴合，同时严格控制叶片端部与端盖之间的工作间隙。

现有的叶片式内曲线液压马达/泵的叶片传力机构的工作原理主要有直顶杆式、圆弧顶杆式、摇臂横梁顶撑、燕尾弹簧顶撑、圆柱弹簧顶撑、离心力顶撑等形式。直顶杆式、圆弧顶杆式、摇臂横梁、燕尾弹簧式传力机构都需要将其中的两个叶片编成一组才能实现，这样一来，这种传力机构就只能用于特定的内曲线，因此限制了内曲线马达的作用腔数，不利于马达/泵的功率质量比的提升。燕尾弹簧和圆柱弹簧顶撑式的直接用弹簧力顶撑叶片，但是由于叶片径向运动的行程与弹簧的寿命紧密相关，一旦升程加大，弹簧的寿命将急剧下降，因此燕尾弹簧顶撑和圆柱弹簧顶撑的传力原理，限制了叶片升程的提高。离心力顶撑式的由于离心力来取决于转速，当转速较低时，离心力很小，起到的作用十分微弱，因此离心力顶撑式的工作原理，限制了马达和泵的工作转速区间，要求必须高于一定的转速才能正常工作。

现有的叶片式内曲线液压马达/泵的叶片端部与端盖之间，一般是采用预留间隙的方式保证叶片的正常运动和控制马达/泵的泄露。但是由于叶片和转子、壳体、定子等其零部件的材质、热处理、几何形状的差异，因此实际的装配间隙，会随着设备工作温度的变化，叶片端部与端盖之间的间隙实际发生变化，这一变化将导致马达泄露的变化，最终导致马达效率随温度的变化。同时这一变化会随着叶片长度的增加而十分明显，因此采用直接预留间隙的方式导致叶片马达/泵效率对温度十分敏感，同时限制了马达/泵的大型化后的高效率。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种叶片式内曲线液压马达和泵的叶片传力构件，以解决了上述背景技术中提到的问题。

本发明的目的之一在于提供如下技术方案：一种叶片传力构件，包括定距轴承环、轴承、马达端盖、转子端部盖板、滑块、叶片、转子轴、定子和转子，其特征在于：所述转子轴上固定设置有转子，所述转子轴贯穿于马达端盖和转子端部盖板，所述马达端盖与所述定子固定连接，所述定子的内侧设有定距轴承环，所述定距轴承环通过所述轴承与所述转子端部盖板活动连接，所述转子端部盖板的侧面设置有滑块，所述滑块中间的沉槽插接有设置于所述转子和所述定子之间的所述叶片，所述定子与所述滑块的内侧接触面为定子内曲线，所述定子与所述滑块的外侧接触面为与所述定子内曲线对应等距的定子外曲线。

进一步，所述转子端部盖板内设有滑动槽，所述滑动槽内设有滑块，所述滑动槽与所述滑块之间采用间隙配合。

进一步，所述滑块上设有沉槽，所述沉槽内安装有叶片，所述沉槽的轮廓与所述叶片相同，并进行密封处理，所述叶片在所述滑块的沉槽深度大于所述叶片随工作温度变化的长度。

进一步，所述滑块内还设置有弹簧。

本发明的目的之二在于提供一种叶片传力构件的设计方法，以解决了上述背景技术中提到的问题。

实现本发明的目的之二的技术方案如下：一种叶片传力构件的设计方法，其中定子的圆心矢径到定子外曲线和定子内曲线之间的距离之差为常值C，即通过定子圆心做任一射线，则该射线与所述定子外曲线和所述定子内曲线的交点的距离之差均相等。

进一步，令定子内曲线的方程式为ρ₁，定子外曲线的方程式为ρ₂；

当所述定子内曲线采用余弦加速度运动规律导轨曲线的叶片式内曲线部分，用极坐标进行表示，曲线部分表示为：

其中：

所述定子外曲线采用余弦加速度运动规律导轨曲线设计的曲线，用极坐标进行表示，曲线部分表示为：

ρ₂＝ρ₁+C，其中C为常数。

本发明的目的之三在于提供一种叶片传力构件的叶片端部间隙控制方法，以解决了上述背景技术中提到的问题。

实现本发明的目的之三的技术方案如下：一种叶片传力构件的叶片端部间隙控制方法，步骤如下：

步骤一：根据材料随温度发生膨胀收缩的原理，膨胀的数值根据如下公式进行计算：

Δl＝β·Δt·L

步骤二：根据上面的计算推断，当相同的温度变化范围和线性膨胀系数的前提下，物体原有的尺寸越大，由于温度变化产生的变化量就越大，物体原有的尺寸越小，由于温度变化产生的变化量就越小；

步骤三：在叶片的端部设置一个厚度为h厚度的滑块，滑块中开有与叶片轮廓相当的槽，长度为H的叶片端部在滑块槽内密封，并预留远大于叶片工作温度范围内发生长度变化值的间隙。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的叶片传力构件设计原理和叶片端部间隙控制方法，针对叶片式内曲线液压马达/泵的叶片运动特点，在现有掌握的物理学规律的基础，通过数学建模计算，提出了叶片传力构件设计原理和叶片端部间隙控制方法，有效的解决了现有叶片式内曲线液压马达/泵的传力机构存在的限制马达功率质量比的继续提升问题，使之适用任意曲线和任意作用腔数的叶片马达/泵；有效规避了叶片升程的增加导致的弹簧寿命问题；有效规避离心力的影响，避免了对叶片马达/泵的速度限制；有效解决了叶片与端盖之间间隙随温度变化而变化导致的叶片式内曲线液压马达/泵效率敏感问题；解决了马达的大型化发展的效率提高问题。

附图说明

图1为本发明的马达结构示意图；

图2为本发明的内曲面投影成内曲线示意图；

图3为本发明的传力横梁设置原理图；

图4为本发明的传力横梁设置剖面图；

图5为本发明的传力滑块增设补偿弹簧图；

图6为本发明的传力滑块减少接触面积图；

图7为本发明的叶片端部间隙控制方式图；

图8为本发明的图7的G-G向剖视图；

图9为现有技术的叶片端部间隙控制方式示意图。

图中：1连接螺钉、2定距轴承环、3轴承、4马达端盖、5转子端部盖板、6滑块、7叶片、8转子轴、9定子、10定子内曲线、11定子外曲线、12转子、13弹簧。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-9，一种用于叶片式内曲线液压马达或泵的叶片传力构件，连接螺钉1、定距轴承环2、轴承3、马达端盖4、转子端部盖板5、滑块6、叶片7、转子轴8、定子9和转子12，转子轴8上固定设置有转子12，转子轴8贯穿于马达端盖4和转子端部盖板5，马达端盖4通过连接螺钉1固定连接定子9，定子9的内侧设有定距轴承环2，定距轴承环2通过轴承3与转子端部盖板5活动连接，转子端部盖板5设有滑动槽，滑动槽内设有滑块6，滑动槽与滑块6之间采用间隙配合；转子端部盖板5用于密封马达的工作腔和提供滑块6的工作滑道，转子端部盖板5的侧面设置有滑块6，滑块6内还设置有弹簧13，转子端部盖板5内设有滑动槽，滑动槽内设有滑块6，滑动槽与滑块6之间采用间隙配合。因此滑块槽与滑块6之间就不会造成严重的泄露损失，滑块6中间的沉槽插接有设置于转子12和定子9之间的叶片7，滑块6安装叶片7的沉槽的轮廓与叶片7一致，并进行密封处理，两个转子端部盖板5与转子12以及滑块6、叶片7安装后，叶片7在滑块6的沉槽深度大于叶片7随工作温度变化的长度，5转子端部盖板5与滑块6的间隙只需略大于滑块6随工作温度变化的最大长度，特定的通过对比这样的两个间隙，明显通过增设计滑块6的方式大幅减小了预留间隙，定子9与滑块6的内侧接触面为定子内曲线10，叶片7在沿曲面进行旋转运动时，滑块6牢牢将叶片7固定在曲面之上，实现了叶片的运动限制，定子9与滑块6的外侧接触面为与定子内曲线10对应等距的定子外曲线11，定子内曲线10采用余弦加速度运动规律导轨曲线的叶片式内曲线部分。

定子内曲线10采用余弦加速度运动规律导轨曲线设计的叶片式内曲线部分，用极坐标进行表示，曲线部分表示为：

其中：

定子外曲线11采用余弦加速度运动规律导轨曲线的曲线，用极坐标进行表示，曲线部分表示为：

ρ₂＝ρ₁+C，其中C为常数。

因此可以得到在任相位角度时，通过曲线中心作射线，被两个内曲线所截断的线段等长。

滑块6上设有沉槽，沉槽内安装有叶片7，沉槽的轮廓与叶片7相同，并进行密封处理，叶片7在滑块6的沉槽深度大于叶片7随工作温度变化的长度。叶片7设置在滑块6的凹槽内，当材料线性膨胀系数各不相同时，只要滑块6产生的线性膨胀相对于叶片7产生的更小，也能起到良好的优化间隙的作用，提高液压马达/泵的工作效率。在增加了相应的滑块6后，在转子12的两个端面需增加设置一个端盖，用于密封马达的工作腔和提供滑块6的工作滑道。

叶片传力构件设计原理：

(1)内曲面是叶片式内曲线液压马达和泵的运动基础，将该曲面沿中心轴向进行投影，在与中心轴垂直的平面上就会形成一条完整环状曲线，称之为内曲线，该平面定义为ψ。定义为内曲线m，以内曲线的中心建立极半径方程并规定初始相位角，则对于任意相位角为θ时，内曲线上的点可以确定为：A(θ,R1＝F1(θ))，具体参阅图2。

(2)基于内曲线m，在同一坐标系和同样的中心与初始相位角的前提下，建立另一个内曲面n，并使之在任意相同的相位角度时，通过O点做射线K，相交曲线m于A点，相交n于B点，极半径之差始终为常数，即在相位角为θ时，曲面N上的一点为：B(θ,R2＝F2(θ))，同时有线段

AB＝R1-R2＝F1(θ)-F2(θ)＝C(常数)。显然，对于连续的内曲线R1＝F1(θ)和R2＝F2(θ)是客观存在并且唯一对应的。

(3)基于序(2)所述，在任意角度θ时，AB＝C(常数)。因此可以设置一个滑块6，根据图4，A为n所在的曲面为外曲面，外曲线为外曲面沿轴向上的投影且位于外曲面上并与内曲线相对应，B为m所在的曲面为外曲面，这个滑块6具有如下特点：滑块6的中轴面沿垂直于曲面中心轴线的平面ψ投影，得到滑块6在该平面的中分线K，始终经过圆心O，同时滑块6的两端分别被m和n两个曲线所在的曲面约束，与m所在曲面的约束为线，与n所在曲面的约束既可以是点，也可以是线。这两个约束曲面竖直方向在平面ψ投影，将得到两个约束的点，这两个约束点的性质分别与图3的A、B保持一致。与此同时，显然就可以实现叶片在运转过程中的与内曲面的始终贴合。

(4)如图5所示，A为n所在的曲面为外曲面，B为m所在的曲面为外曲面，在考虑到叶片7与内曲面的摩擦磨损，会导致滑块6的约束间隙加大，可以在滑块6内设置弹簧13，该弹簧13由于行程极小，因此具有极高的使用寿命。

(5)如图6所示，A为n所在的曲面为外曲面，B为m所在的曲面为外曲面，考虑到摩擦磨损和摩擦发热问题，横梁与外曲面的接触亦可以转化为点接触，同时通过设置弹簧13保证接触应力的平稳。

本发明还提供了一种叶片传力构件的设计方法，内曲线为：ρ₁；外曲线为：ρ₂；特定的内曲线ρ₁为已知曲线，则可以按如下公式计算得出外曲线：

ρ₂＝ρ₁+C，

特定的外曲线ρ₂为已知曲线，则可以按如下公式计算得出内曲线：

ρ₁＝ρ₂-C，

其中C为常数。

通过定子圆心做任一射线，则该射线与定子内外曲线的交点的距离之差均相等，根据这一原理，设计转子端部盖板(5)，滑块(6)，滑块(6)分别于内曲面和外曲面贴合；同时由于盖板(5)上设计有滑块槽，保证滑块(6)中分面始终通过定子轴线，即可实现叶片在随转子进行回转运动的同时，使得叶片紧紧贴合内曲面运动，实现传力功能。所述的内曲线或外曲线可以为任意一种符合马达运动规律需求封闭圆的曲线构造。

优选的，其中定子内曲线(10)采用余弦加速度运动规律导轨曲线的叶片式内曲线部分，用极坐标进行表示，曲线部分表示为：

其中：

所述定子外曲线(11)采用余弦加速度运动规律导轨曲线设计的曲线，用极坐标进行表示，曲线部分表示为：

(6)ρ₂＝ρ₁+C，其中C为常数。

叶片传力构件设计原理和叶片端部间隙控制方法，步骤如下：

步骤一：根据材料随温度发生膨胀收缩的原理，膨胀的数值根据如下公式进行计算：

Δl＝β·Δt·L

式中：

△l——材料的线性膨胀系数；

Β——材料的线性膨胀系数；

△t——温度的变化量；

L——物体原有的长度。

步骤二：根据上面的计算可以推断出，当相同的温度变化范围和线性膨胀系数的前提下，物体原有的尺寸越大，由于温度变化产生的变化量就越大，物体原有的尺寸越小，由于温度变化产生的变化量就越小；

步骤三：在叶片7的端部设置一个厚度为h厚度的滑块6，滑块6中开有与叶片7轮廓相当的槽，长度为H的叶片7端部在滑块槽内密封，并预留远大于叶片7工作温度范围内发生长度变化值的间隙。通过这样一种设置，根据步骤一和二的论述，可以得到如下规律：一方面叶片端部预留的较大间隙将不会产生泄露，另外一个方面，原来由叶片7、转子12、定子9所构成密封容腔的泄露主要取决于叶片7端部的间隙转变为取决于滑块6与端部的预留间隙；在相同的温度变化范围和材料热膨胀系数基础上，该预留间隙相当与原来的2h/H，显然只要2h/H≤1，就能起到优化叶片马达/泵的叶片的端部预留间隙作用，提高马达/泵的工作效率。

本发明与现有技术对比：

参阅图7-8，本发明提出的叶片端部间隙控制方法，叶片7设置在滑块6的凹槽内，当材料线性膨胀系数各不相同时，只要滑块6产生的线性膨胀相对于叶片7产生的更小，也能起到良好的优化间隙的作用，提高液压马达/泵的工作效率。在增加了相应的滑块6后，在转子12的两个端面需增加设置一个端盖，用于密封马达的工作腔和提供滑块6的工作滑道。

参阅图9，现有技术的叶片端部间隙控制方法，叶片直接设置在内曲面轮廓，预留间隙为LX，一般要求不小于因为工作温度变化叶片产生的长度变化极限值L0。

综上所述，本发明提出的基于叶片传力构件设计原理的叶片端部间隙控制方法，针对叶片式内曲线液压马达/泵的叶片运动特点，在现有掌握的物理学规律的基础，通过数学建模计算，提出了基于叶片传力构件设计原理的叶片端部间隙控制方法，有效的解决了现有叶片式内曲线液压马达/泵的传力机构存在的限制马达功率质量比的继续提升问题，使之适用任意曲线和任意作用腔数的叶片马达/泵；有效规避了叶片升程的增加导致的弹簧寿命问题；有效规避离心力的影响，避免了对叶片马达/泵的速度限制；有效解决了叶片7与端盖之间间隙随温度变化而变化导致的叶片式内曲线液压马达/泵效率敏感问题；解决了马达的大型化发展的效率提高问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种叶片传力构件，包括定距轴承环(2)、轴承(3)、马达端盖(4)、转子端部盖板(5)、滑块(6)、叶片(7)、转子轴(8)、定子(9)和转子(12)，其特征在于：所述转子轴(8)上固定设置有转子(12)，所述转子轴(8)贯穿于马达端盖(4)和转子端部盖板(5)，所述马达端盖(4)与所述定子(9)固定连接，所述定子(9)的内侧设有定距轴承环(2)，所述定距轴承环(2)通过所述轴承(3)与所述转子端部盖板(5)活动连接，所述转子端部盖板(5)的侧面设置有滑块(6)，所述滑块(6)中间的沉槽插接有设置于所述转子(12)和所述定子(9)之间的所述叶片(7)，所述定子(9)与所述滑块(6)的内侧接触面为定子内曲线(10)，所述定子(9)与所述滑块(6)的外侧接触面为与所述定子内曲线(10)对应等距的定子外曲线(11)；

所述滑块(6)上设有沉槽，所述沉槽内安装有叶片(7)，所述沉槽的轮廓与所述叶片(7)相同，并进行密封处理，所述叶片(7)在所述滑块(6)的沉槽深度大于所述叶片(7)随工作温度变化的长度。

2.根据权利要求1所述的一种叶片传力构件，其特征在于：所述转子端部盖板(5)内设有滑动槽，所述滑动槽内设有滑块(6)，所述滑动槽与所述滑块(6)之间采用间隙配合。

3.根据权利要求1所述的一种叶片传力构件，其特征在于：所述滑块(6)内还设置有弹簧(13)。

4.一种叶片传力构件的设计方法，其特征在于：所述叶片传力构件为根据权利要求1-3任一所述的一种叶片传力构件，其中定子(9)的圆心矢径到定子外曲线(11)和定子内曲线(10)之间的距离之差为常值C，即通过定子圆心做任一射线，则该射线与所述定子外曲线(11)和所述定子内曲线(10)的交点的距离之差均相等。

5.根据权利要求4所述的一种叶片传力构件的设计方法，其特征在于：令定子内曲线的方程式为ρ₁，定子外曲线(11)的方程式为ρ₂；

当所述定子内曲线(10)采用余弦加速度运动规律导轨曲线的叶片式内曲线部分，用极坐标进行表示，曲线部分表示为：

其中：

R1为内曲线的极半径；R2为与内曲线同一坐标系和同样的中心与初始相位角的内曲面的极半径；

所述定子外曲线(11)采用余弦加速度运动规律导轨曲线设计的曲线，用极坐标进行表示，曲线部分表示为：

ρ₂＝ρ₁+C，其中C为常数。

6.一种叶片传力构件的叶片端部间隙控制方法，基于权利要求1-3中任一项所述的叶片传力构件，其特征在于：步骤如下：

步骤一：根据材料随温度发生膨胀收缩的原理，膨胀的数值根据如下公式进行计算：

Δl＝β·Δt·L

式中：

△l——材料的线性膨胀系数；

Β——材料的线性膨胀系数；

△t——温度的变化量；

L——物体原有的长度；

步骤二：根据上面的计算推断，当相同的温度变化范围和线性膨胀系数的前提下，物体原有的尺寸越大，由于温度变化产生的变化量就越大，物体原有的尺寸越小，由于温度变化产生的变化量就越小；

步骤三：在叶片的端部设置一个厚度为h厚度的滑块(6)，滑块(6)中开有与叶片(7)轮廓相当的槽，长度为H的叶片(7)端部在滑块槽内密封，并预留大于叶片工作温度范围内发生长度变化值的间隙。