CN109667940B - 一种液力减速器的蝶阀阀片及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液力减速器的蝶阀阀片及设计方法，所述蝶阀阀片通过齿轮轴安装于蝶阀本体上，所述蝶阀阀片包括：2个对称的圆形板(8)，每个圆形板呈中间凸起状，且2个圆形板的四周由封油球面(7)密封；所述蝶阀阀片沿中心线(1‑1)的截面呈纺锤形，在所述蝶阀阀片上与所述中心线(1‑1)垂直的方向设有齿轮轴孔(6)，所述齿轮轴孔(6)贯穿所述蝶阀阀片；所述蝶阀阀片的最小厚度(P1)、封油球面的直径(P2)、纺锤形两侧的楔形角度(P3)和齿轮轴孔的外廓直径(P4)，由油液进入时的绕流流阻确定。本发明设计的蝶阀阀片在保证了所需空载冷却流量及安装结构要求的情况下尽量降低油液通流流阻，从而提高液力减速器起效响应速度。

Description

一种液力减速器的蝶阀阀片及设计方法

技术领域

本发明涉及液力减速器控制技术领域，具体涉及一种液力减速器的蝶阀阀片及设计方法。

背景技术

液力减速器是液力耦合器i_TB＝0的特殊形式，即其动轮随轴转动，定轮固定于壳体。在空载转动状态，进出口位置控制阀均关闭，空气介质通过定轮及壳体上敞开式小孔进出减速器工作轮腔。在工作状态，进口控制阀打开，油液介质通过进口迅速进入液力减速器轮腔内，通过动轮叶栅搅动使油液在轮腔循环圆中循环流动，离心作用下通过出口控制阀排出到轮腔之外，从而带走减速制动过程中产生的巨大热量。

由进口流量和减速器泵吸作用决定的起效响应速度是液力减速器重要性能参数，在液力减速器叶栅系统结构确定的情况下，为提高起效响应速度一般采用压力油箱供油配合进口蝶阀控制的进油方式。因压力油箱可以在控制阀开启瞬间提供较大流量，而蝶阀具有通径大、响应快、流阻小等优点，蝶阀的启闭通过绕其轴线的旋转改变油道通流面积来实现。将空载工况动轮处于转动状态，动轮叶栅搅动空气产生空损扭矩，从而导致轮腔内空气介质温度升高。介质在液力减速器中的循环流动主要通过离心作用实现，由于空气密度低，离心作用不显著，致使空气进出液力减速器的流量较小，加之空气介质导热性差，使得轮腔中的热量难以及时排出，从而使得液力减速器温升过高。为降低温升，一般在液力减速器空载工况也需向轮腔内供给部分油液，从而带走空转时轮腔中产生的热量，避免空载时温升过高。

综上可知，液力减速器进口蝶阀阀片结构设计有两个主要方面的考虑：其一是其“关闭”时的泄漏量，即用于对空载状态液力减速器进行降温的必要流量；其二是其“开启”时的过流阻力，其越小则进油速度越快，从而响应时间越短。但现有蝶阀阀片结构设计精度不理想，达不到工业要求，因此有必要设计满足液力减速器使用需求的进口蝶阀阀片。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的蝶阀阀片结构设计精度不理想问题，本发明提供一种液力减速器的蝶阀阀片及设计方法。通过对蝶阀阀片结构的设计，可以在保证关闭状态必要进油“泄漏量”的情况下显著降低开启状态进口流动阻力，为提高液力减速器充油起效响应速度提供了技术途径。

本发明提供的技术方案是：一种液力减速器的蝶阀阀片，所述蝶阀阀片通过齿轮轴安装于蝶阀本体上，所述蝶阀阀片包括：2个对称的圆形板(8)，每个圆形板呈中间凸起状，且2个圆形板的四周由封油球面(7)密封；

所述蝶阀阀片沿中心线(1-1)的截面呈纺锤形，在所述蝶阀阀片上与所述中心线(1-1)垂直的方向设有齿轮轴孔(6)，所述齿轮轴孔(6)贯穿所述蝶阀阀片；

所述蝶阀阀片的最小厚度(P1)、封油球面的直径(P2)、纺锤形两侧的楔形角度(P3)和齿轮轴孔的外廓直径(P4)，由油液进入时的绕流流阻确定。

优选的，所述蝶阀阀片还包括：平键槽；

所述平键槽设于齿轮轴孔的上方，用于将平键安装在所述平键槽，通过平键增加齿轮轴与蝶阀阀片之间的作用力。

优选的，在所述任一个圆形板(8)的中心位置设有垂直于所述齿轮轴孔的装卸组件(6)，用于辅助安装蝶阀阀片。

优选的，所述蝶阀阀片的最小厚度(P1)为进油孔公称直径的1/15～1/10。

优选的，所述封油球面的直径(P2)根据蝶阀阀片的封油球面与进油孔之间的间隙确定。

优选的，所述纺锤形两侧的楔形角度(P3)在20°～40°之间。

优选的，所述齿轮轴孔的外廓直径(P4)由齿轮轴的直径和蝶阀阀片的壁厚确定；

其中蝶阀阀片的壁厚取值不小于2.5～3mm。

优选的，所述蝶阀阀片采用球墨铸铁制造。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种液力减速器蝶阀阀片的设计方法，包括：

基于液力减速器蝶阀阀片所在进油孔的直径，确定蝶阀阀片的最小厚度；

基于齿轮轴的直径，确定齿轮轴孔的直径；

基于封油球面与进油孔之间的间隙和泄漏流量的关系确定封油球面的直径；

基于所述蝶阀阀片的最小厚度、齿轮轴孔的直径和封油球面的直径确定所述蝶阀阀片的楔形角度，减小油液进入时的绕流流阻。

优选的，所述基于所述蝶阀阀片的最小厚度、齿轮轴孔的直径和封油球面的直径确定所述蝶阀阀片的楔形角度，包括：

设置多个在20°～40°之间的备选楔形角度；

基于所述阀片的厚度、齿轮轴孔的直径、封油球面的直径和依次选择的备选楔形角度对蝶阀阀片在开启时的油液流量进行仿真，并记录在当前备选楔形角度下的油液流量；

将最大流量对应的备选楔形角度，作为所述蝶阀阀片的楔形角度。

优选的，所述泄漏流量，按下式计算：

式中Q：泄漏流量；D：进油孔直径；h：蝶阀阀片的封油球面与进油孔之间间隙；l：圆环间隙宽度；μ：流体粘度；Δp：间隙两端压差。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的技术方案，蝶阀阀片包括：2个对称的圆形板(8)，每个圆形板呈中间凸起状，且2个圆形板的四周由封油球面(7)密封；所述蝶阀阀片沿中心线(1-1)的截面呈纺锤形，在所述蝶阀阀片上与所述中心线(1-1)垂直的方向设有齿轮轴孔(6)，所述齿轮轴孔(6)贯穿所述蝶阀阀片；所述蝶阀阀片的最小厚度(P1)、封油球面的直径(P2)、纺锤形两侧的楔形角度(P3)和齿轮轴孔的外廓直径(P4)，由油液进入时的绕流流阻确定，设计的蝶阀阀片在保证了所需空载冷却流量及安装结构要求的情况下尽量降低油液通流流阻，从而提高液力减速器起效响应速度，优化液力减速器工作性能，提高了设计精度，达到了工业要求。

本发明提供的技术方案，将与蝶阀工作性能相关的结构尺寸参数化，由参数控制蝶阀阀片整体外形，通过调整各参数数值可以满足不同工作需求并优化性能。

本发明提供的技术方案，通过调整蝶阀阀片的各参数值，使得在蝶阀关闭状态下保持“适当”的泄漏量，以对空转状态下的液力减速器腔室降温；在蝶阀开启过程中保持顺畅，无“卡滞”现象；在蝶阀开启状态下尽量减小绕流阻力，以便液力减速器快速充油，为液力减速器产品设计及研究提供依据。

附图说明

图1为本发明中液力减速器的蝶阀阀片结构示意图；

图2为本发明中蝶阀阀片的安装示意图；

图3为本发明中不同间隙下泄漏流量的对比曲线图；

图4为本发明中不同楔形角度下的流量对比曲线图；

1-蝶阀阀片；2-平键；3-齿轮轴；4-平键槽；5-齿轮轴孔；6-装拆组件；7-封油面；8-圆形板；P1-阀片最小厚度；P2-封油球面直径；P3-楔形角度；P4-轴孔处外廓直径；1-1-蝶阀阀片上的中心线。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1

本发明蝶阀阀片整体外形及结构如下图1所示，蝶阀阀片包括：2个对称的圆形板8，每个圆形板呈中间凸起状，且2个圆形板的四周由封油球面7密封；

所述蝶阀阀片沿中心线1-1的截面呈纺锤形，在所述蝶阀阀片上与所述中心线1-1垂直的方向设有齿轮轴孔6，所述齿轮轴孔6贯穿所述蝶阀阀片；

所述蝶阀阀片的最小厚度P1、封油球面的直径P2、纺锤形两侧的楔形角度P3和齿轮轴孔的外廓直径P4，由油液进入时的绕流流阻确定。

齿轮轴孔5与平键槽4贯通蝶阀阀片1，尺寸由蝶阀阀片受力及刚度要求确定，在此处为给定值。封油面为球面，与进油孔直径在公称尺寸上相同，由公差控制蝶阀阀片封油面与进油孔之间间隙值，装拆组件6上的工装孔用于辅助装拆。

本发明涉及的液力减速器进油蝶阀安装结构如下图2所示。蝶阀阀片1通过齿轮轴3安装于蝶阀本体上，蝶阀阀片1通过平键2由齿轮轴3驱动，蝶阀阀片所在进油孔公称直径为φD，蝶阀阀片驱动齿轮轴直径为φd。此两尺寸限定了蝶阀阀片的主要整体结构尺寸，即封油面尺寸与中心安装孔尺寸。

本实施例中的蝶阀阀片可以采用球墨铸铁材料，经铸造后机加工完成。

图1中展示外形轮廓由表1中的最小蝶阀阀片厚度部分提取最小厚度值P1、球形封油面部分提取球面直径P2、楔形过度部分提取角度值P3和齿轮轴孔处外廓部分提取直径值P4组成。

表1液力减速器蝶阀阀片外形结构参数

参数	阀片最小厚度	封油球面直径	楔形角度	轴孔处外廓直径
					编码	P1	P2	P3	P4

在蝶阀处于关闭状态时，蝶阀阀片封油球面与进油孔内圆柱面形成近似同心圆柱面间隙，根据流体力学可知流体在窄间隙中的流动方式主要由流体内的分子间的结合力和流体与之接触的密封间隙壁面间的粘性力所决定，惯性力是次要因素，即间隙流动时雷诺数一般很小，流体流动属于层流流动范畴。

因此，通过蝶阀阀片封油球面与进油孔之间间隙的泄漏流量按下式计算：

式中Q：泄漏流量；D：进油孔直径；h：蝶阀阀片封油球面与进油孔之间间隙，在进油孔直径尺寸确定的情况下，此值由封油球面直径尺寸P2决定；Δp：间隙两端压差；l：圆环间隙宽度，主要由阀片最小厚度尺寸P1决定；μ：流体粘度，由油液物性参数确定，为确定值；Δp为两端压差，由蝶阀工作环境决定，为给定值。

由公式得出，泄漏量与间隙正相关，即与P2负相关，与圆环间隙宽度负相关，即与P1负相关。

最小厚度参数P1值与封油球面尺寸参数P2值共同影响蝶阀处于关闭位置时的油液“泄漏量”。当蝶阀阀片绕驱动齿轮轴旋转90°后即进入开启状态，整个蝶阀阀片将成为油液绕流的阻力源，为减小绕流阻力，从油道遮挡率的角度分析，蝶阀阀片厚度尺寸应尽量减小。

轴孔处外廓直径P4由驱动齿轮轴尺寸(φd)限定，其值应尽量减小以降低开启时的绕流流阻，为保证强度，壁厚(即P4与φd差值的半数)不低于2.5～3mm，φd可由驱动齿轮轴设计强度、刚度及其安装结构确定。

蝶阀阀片最小厚度P1值也应尽量减小，以降低油液冲击产生的直接阻力。

由泄漏量公式可知，为保证容许的泄漏量，P1减小，间隙值h也应减小，即蝶阀阀片封油球面直径P2应增大，同时，P2值增大即间隙减小将使蝶阀阀片工作状态恶化，易发生“卡死”现象，因此还需要进一步确定P2的大小。

本实施例中以液力减速器进油孔公称直径φD＝70mm，根据整体结构及强度、刚度得出齿轮轴的直径φd＝14mm为例确定各参数的取值。最小厚度P1值取为进油孔公称直径的1/15～1/10，以提供必要的刚度，保证“封油”即启闭时的稳定性，该处最小厚度P1取值5mm，取较小壁厚2.5mm，根据φd得出P4取值为19mm。

在确定P1和P2的取值后，通过计算流体动力学(Computational FluidDynamics，CFD)仿真模拟的手段分析计算蝶阀阀片封油球面与进油孔之间间隙不同时的泄漏流量如图3所示，为保证启闭动作顺畅性，间隙一般不低于0.02mm。本实施例中设计要求流量10～20L/min，间隙可取值0.03～0.05mm，结合蝶阀所在孔直径及公差尺寸，便可确定蝶阀阀片设计尺寸及公差。

根据液力减速器需要润滑及散热流量可以确定蝶阀阀片封油球面与进油孔之间的间隙值，从而确定P2值设计公差范围。

在P1、P2、P4确定的情况下，楔形角度P3成为最后可调参数，其值将影响蝶阀阀片整体形状，进而影响开启状态下的绕流阻力。楔形角度P3一般取值在20°～40°之间，其值过小将使P1所在结构消失，增大整体阀片厚度，使得流阻增大；其值过大将使P4所在结构过于凸显，整体轮廓流线形变差，使得流阻增大。

如图4所示，将P3依次取20.0°、22.5°、25.0°、27.5°、30.0°、32.5°、37.5°和40.0°，通过CFX流场仿真模拟方式计算各参数结构蝶阀阀片在相同边界条件下的进油流量，通过仿真结果可知，在B3组P3取值25.0°时流量比原型提高约8％。

采用本方法设计的蝶阀阀片，在相同工作条件下可以有效降低开启状态下的流量。

实施例2

本实施例基于同一发明构思，还提供了一种液力减速器蝶阀阀片的设计方法，包括：

基于液力减速器蝶阀阀片所在进油孔的直径，确定蝶阀阀片的最小厚度；

基于齿轮轴的直径，确定齿轮轴孔的直径；

基于封油球面与进油孔之间的间隙和泄漏流量的关系确定封油球面的直径；

基于所述蝶阀阀片的最小厚度、齿轮轴孔的直径和封油球面的直径确定所述蝶阀阀片的楔形角度，减小油液进入时的绕流流阻。

实施例中，所述基于所述蝶阀阀片的最小厚度、齿轮轴孔的直径和封油球面的直径确定所述蝶阀阀片的楔形角度，包括：

设置多个在20°～40°之间的备选楔形角度；

基于所述阀片的厚度、齿轮轴孔的直径、封油球面的直径和依次选择的备选楔形角度对蝶阀阀片在开启时的油液流量进行仿真，并记录在当前备选楔形角度下的油液流量；

将最大流量对应的备选楔形角度，作为所述蝶阀阀片的楔形角度。

实施例中，所述泄漏流量，按下式计算：

式中Q：泄漏流量；D：进油孔直径；h：蝶阀阀片的封油球面与进油孔之间间隙；l：圆环间隙宽度；μ：流体粘度；Δp：间隙两端压差。

显然，所描述的实施例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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种液力减速器的蝶阀阀片，所述蝶阀阀片通过齿轮轴安装于蝶阀本体上，其特征在于，所述蝶阀阀片包括：2个对称的圆形板(8)，每个圆形板呈中间凸起状，且2个圆形板的四周由封油球面(7)密封；

所述蝶阀阀片沿中心线(1-1)的截面呈纺锤形，在所述蝶阀阀片上与所述中心线(1-1)垂直的方向设有齿轮轴孔，所述齿轮轴孔贯穿所述蝶阀阀片；

所述蝶阀阀片的最小厚度(P1)、封油球面的直径(P2)、纺锤形两侧的楔形角度(P3)和齿轮轴孔的外廓直径(P4)，由油液进入时的绕流流阻确定；

所述蝶阀阀片的最小厚度(P1)为进油孔公称直径的1/15～1/10；

所述封油球面的直径(P2)根据蝶阀阀片的封油球面与进油孔之间的间隙确定；

所述纺锤形两侧的楔形角度(P3)在20°～40°之间；

所述齿轮轴孔的外廓直径(P4)由齿轮轴的直径和蝶阀阀片的壁厚确定；

其中蝶阀阀片的壁厚取值不小于2.5～3mm。

2.如权利要求1所述的蝶阀阀片，其特征在于，所述蝶阀阀片还包括：平键槽；

所述平键槽设于齿轮轴孔的上方，用于将平键安装在所述平键槽，通过平键增加齿轮轴与蝶阀阀片之间的作用力。

3.如权利要求1所述的蝶阀阀片，其特征在于，在所述任一个圆形板(8)的中心位置设有垂直于所述齿轮轴孔的装卸组件，用于辅助安装蝶阀阀片。

4.如权利要求1所述的蝶阀阀片，其特征在于，所述蝶阀阀片采用球墨铸铁制造。

5.一种用于如权利要求1-4任一项所述液力减速器的蝶阀阀片的设计方法，其特征在于，包括：

基于液力减速器蝶阀阀片所在进油孔的直径，确定蝶阀阀片的最小厚度；

基于齿轮轴的直径，确定齿轮轴孔的直径；

基于封油球面与进油孔之间的间隙和泄漏流量的关系确定封油球面的直径；

基于所述蝶阀阀片的最小厚度、齿轮轴孔的直径和封油球面的直径确定所述蝶阀阀片的楔形角度，减小油液进入时的绕流流阻。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述蝶阀阀片的最小厚度、齿轮轴孔的直径和封油球面的直径确定所述蝶阀阀片的楔形角度，包括：

设置多个在20°～40°之间的备选楔形角度；

基于所述阀片的厚度、齿轮轴孔的直径、封油球面的直径和依次选择的备选楔形角度对蝶阀阀片在开启时的油液流量进行仿真，并记录在当前备选楔形角度下的油液流量；

将最大流量对应的备选楔形角度，作为所述蝶阀阀片的楔形角度。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述泄漏流量，按下式计算：

式中Q：泄漏流量；D：进油孔直径；h：蝶阀阀片的封油球面与进油孔之间间隙；l：圆环间隙宽度；μ：流体粘度；Δp：间隙两端压差。

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