CN112727727A - 基于最小接触应力轨道的二维柱塞泵及轨道设计方法 - Google Patents

Abstract

基于最小接触应力轨道的二维柱塞泵，包括左泵体和右泵体，左泵体和右泵体内贯穿设有泵轴；左泵体内设有缸体，右泵体内设有凸轮组件和滚轮组件；缸体内设有柱塞，柱塞固定连接在泵轴上，且柱塞可沿缸体的轴向作直线往复运动；柱塞的左端与缸体围合成左腔室，柱塞的右端与缸体围合成右腔室，左腔室、右腔室的容积随柱塞的往复运动变化，凸轮组件包括左凸轮、右凸轮，左凸轮、右凸轮朝向相对的轴向端面上分别设有凸轮轨道曲面，滚轮与左、右凸轮配合转动。本发明还提供一种最小接触应力轨道的设计方法。本发明具有保持流量稳定，压力脉动小，受力均匀，输出无扭矩脉动，无困油，工作噪声较小等优点。

Description

基于最小接触应力轨道的二维柱塞泵及轨道设计方法

技术领域

本发明涉及柱塞泵，尤其涉及基于最小接触应力轨道的二维柱塞泵及轨道设计方法。

背景技术

曲线滚道是轴向和径向柱塞式多作用低速大转矩液压元件的关键部件，其设计决定了原件的性能和寿命。按照几何学思想，设计的曲线主要形状如单、双圆弧形状，直线组合曲线等曲线。这类曲线导轨结构相对简单，加工方便。但容易出现困油的现象，转速高时有敲击声，输出的扭矩有脉动，局部的接触应力比较高，工作寿命低等缺陷。按运动学观点,这种思想设计的典型曲线类型有等加速和等减速曲线，梯形等加速曲线等曲线。这类曲线局部破坏，加速启始区域接触疲劳剥落。现亟需设计一种可以使液压柱塞泵输出转矩的脉动量为零，接触应力均匀，满足现代技术发展的要求。

发明内容

为克服上述问题，本发明提供一种基于最小接触应力轨道的二维柱塞泵。

本发明的第一个方面提供一种基于最小接触应力轨道的二维柱塞泵，包括左泵体和右泵体，左泵体和右泵体内贯穿设有泵轴；左泵体内设有缸体，右泵体内设有凸轮组件和滚轮组件；左泵体的左端面设有吸油孔和排油孔，缸体的外表面设有第一半环形槽和第二半环形槽，吸油孔与第一半环形槽连通，排油孔与第二半环形槽连通；缸体内设有柱塞，柱塞固定连接在泵轴上，且柱塞可沿缸体的轴向作直线往复运动；柱塞的左端与缸体围合成左腔室，柱塞的右端与缸体围合成右腔室，左腔室、右腔室的容积随柱塞的往复运动变化，当柱塞从最左端往最右端轴向运动时，左腔室容积逐渐变大，右腔室容积逐渐变小；相反，当柱塞从最右端往最左端轴向运动时，右腔室容积逐渐变大，左腔室容积逐渐变小；

柱塞的外表面间隔均布有开口方向相反的左配流槽和右配流槽各两个，左配流槽和右配流槽的槽口位置相互错开布置，缸体与左配流槽和右配流槽相对应的位置设有吸油窗口和排油窗口，吸油窗口与第一半环形槽连通，排油窗口与第二半环形槽连通；

所述凸轮组件包括左凸轮、右凸轮，左凸轮、右凸轮朝向相对的轴向端面上分别设有凸轮轨道曲面，凸轮轨道曲面沿左凸轮、右凸轮轴向的投影呈圆环形，并带有轴向的周期性起伏；左凸轮的凸轮轨道曲面与右凸轮的凸轮轨道曲面的相位差90度，左凸轮的凸轮轨道曲面最高点和最低点分别与右凸轮的凸轮轨道曲面的最低点和最高点相对应；泵轴上且位于凸轮组件之间的位置固定连接有滚轮组件，滚轮组件包括滚轮架，滚轮架径向穿设泵轴，滚轮架的两端穿出泵轴外并转动连接有滚轮，滚轮与左、右凸轮配合转动；

柱塞在随泵轴转动的同时，在凸轮组件的约束下做直线往复运动；柱塞上的左配流槽和右配流槽分别与缸体上的吸油窗口、排油窗口发生沟通，容积逐渐变大的腔室吸油，容积逐渐减小的腔室排油。

进一步，所述凸轮轨道曲面包括4段曲面，4段曲面包括依次连接的开始区段、加速区段、减速区段、结束区段，开始区段设置在凸轮轮廓曲面的外死点附近，幅角设置在1°～3°；加速区段为外凸曲面；减速区端为内凹曲面，结束区段设置在凸轮轮廓曲面的内死点附近。

本发明的第二个方面提供一种最小接触应力轨道的设计方法，包括以下步骤：

按照基于最小接触应力思想的设计方法，使得输出转矩保持不变，则

式中，在直角坐标系中，P为经过滚轮中点的垂直作用力，T为过滚轮中点的水平作用力，N轨道与滚轮间的法向作用力，

为滚轮中心沿凸轮运动轨迹的一阶导数，R为滚轮上下底面高的一半，R′为滚轮中心的运动轨迹，M为转矩，i为P和N夹角；

滚轮曲率半径：

r＝R′-R (1.4)

对于与凸轮线接触的滚轮接触应力，根据赫兹公式求得，具体如下：

式中，E为滚轮间弹性模量，μ为材料泊松比，c为线接触长度，σ为接触应力；求解上列方程式可以得到滚轮中心运动轨迹曲线的各点坐标(a，b)，具体如下：

根据公式(1.6)设计凸轮的曲面规律。

本发明的有益效果是：基于最小接触应力思想的设计方法，在接触应力最优的凸轮轨道曲面区段，滚动元件与导轨之间的接触应力是均匀的，有效解决导轨上的接触疲劳剥落凹坑或剥蚀麻斑，滚道上的接触应力的尖峰区得到消除。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中A-A向的剖视图。

图3是本发明中右泵体的剖视图。

图4是左凸轮和滚轮的结构示意图。

图5是左泵体的结构示意图。

图6是图5中B-B向的结构示意图。

图7是缸体和泵轴的结构示意图。

图8是最小接触应力曲线的幅角图。

附图标记说明：1、左泵体；2、右泵体；3、泵轴；4、缸体；5、柱塞；5-1、左配流槽；5-2、右配流槽；6、右腔室；7、吸油窗口；8、排油窗口；9、滚轮；10、左凸轮；11、滚轮架；12、右凸轮。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照附图，本发明的第一个实施例提供一种基于最小接触应力轨道的二维柱塞泵，包括左泵体1和右泵体2，左泵体1和右泵体2内贯穿设有泵轴3；左泵体1内设有缸体，右泵体2内设有凸轮组件和滚轮组件；左泵体的左端面设有吸油孔和排油孔，缸体的外表面设有第一半环形槽和第二半环形槽，吸油孔与第一半环形槽连通，排油孔与第二半环形槽连通；缸体4内设有柱塞5，柱塞5固定连接在泵轴3上，且柱塞5可沿缸体的轴向作直线往复运动；柱塞5的左端与缸体4围合成左腔室，柱塞5的右端与缸体4围合成右腔室6，左腔室、右腔室6的容积随柱塞的往复运动变化，当柱塞从最左端往最右端轴向运动时，左腔室容积逐渐变大，右腔室容积逐渐变小；相反，当柱塞从最右端往最左端轴向运动时，右腔室容积逐渐变大，左腔室容积逐渐变小；

柱塞的外表面间隔均布有开口方向相反的左配流槽5-1和右配流槽5-2各两个，左配流槽5-1和右配流槽5-2的槽口位置相互错开布置，缸体4与左配流槽5-1和右配流槽5-2相对应的位置设有吸油窗口8和排油窗口7，吸油窗口8与第一半环形槽连通，排油窗口7与第二半环形槽连通；

所述凸轮组件包括左凸轮10、右凸轮12，左凸轮10、右凸轮12朝向相对的轴向端面上分别设有凸轮轨道曲面，凸轮轨道曲面沿左凸轮10、右凸轮12轴向的投影呈圆环形，并带有轴向的周期性起伏；左凸轮10的凸轮轨道曲面与右凸轮12的凸轮轨道曲面的相位差90度，左凸轮10的凸轮轨道曲面最高点和最低点分别与右凸轮12的凸轮轨道曲面的最低点和最高点相对应；

凸轮轨道曲面包括4段曲面，4段曲面包括依次连接的开始区段、加速区段、减速区段、结束区段，其中，开始区段A设置在凸轮轨道曲面的外死点附近。在此区段内，凸轮的运动速度为零，减少“闭油现象”和降低工作噪声。考虑到加工分度误差，幅角设置在1°～3°。

加速区段B是决定凸轮轨道曲面工作寿命的关键区段。在此区段，滚轮与凸轮轨道曲面之间接触应力最大，是发生接触疲劳剥落破坏的主要区段。滚轮在此区段内完成加速运动，相对于凸轮轨道曲面中心，这段曲线是外凸的。

减速区段C内，滚轮完成减速运动。由于这个区段曲线的形状是内凹的，凸轮轨道曲面与滚轮之间的接触应力值较小。根据输出转矩的脉动量为零，改善了凸轮轨道曲面的接触应力的尖峰区。

结束区段D设置在凸轮轨道曲面的内死点附近，在此区段内，滚轮的运动速度为零，与开始区作用一样。

泵轴3上且位于凸轮组件之间的位置固定连接有滚轮组件，滚轮组件包括滚轮架11，滚轮架11径向穿设泵轴3，滚轮架11的两端穿出泵轴3外并转动连接有滚轮9，滚轮9与左、右凸轮10、12配合转动；

柱塞在随泵轴3转动的同时，在凸轮组件的约束下做直线往复运动；柱塞上的左配流槽5-1和右配流槽5-2分别与缸体上的吸油窗口、排油窗口发生沟通，容积逐渐变大的腔室吸油，容积逐渐减小的腔室排油。

本发明的第二个实施例提供一种单圆锥滚柱二维柱塞电机泵中凸轮轨道曲面的设计方法，凸轮轮廓曲面的设计方法包括以下步骤：

按照基于最小接触应力思想的设计方法，使得输出转矩保持不变，则

式中，在直角坐标系中，P为经过滚轮中点的垂直作用力，T为过滚轮中点的水平作用力，N轨道与滚轮间的法向作用力，

为滚轮中心沿凸轮运动轨迹的一阶导数，R为滚轮上下底面高的一半，R′为滚轮中心的运动轨迹，M为转矩，i为P和N夹角；

滚轮曲率半径：

r＝R′-R (1.4)

对于与凸轮线接触的滚轮接触应力，根据赫兹公式求得，具体如下：

式中，E为滚轮间弹性模量，μ为材料泊松比，c为线接触长度，σ为接触应力；求解上列方程式可以得到滚轮中心运动轨迹曲线的各点坐标(a，b)，具体如下：

根据公式(1.6)设计凸轮的曲面规律。

具体的工作原理为：滚轮分别与左、右凸轮配合转动，以至于柱塞实现直线运动；泵轴通过花键联轴器连接电机的传动轴，花键联轴器可以允许少量轴向位移；当电机通过传动轴将扭矩传递给泵轴促使柱塞周向转动，柱塞的外表面周向分布有左配流槽和右配流槽，当液压油从进油孔入，经过第一半环形槽进入缸体内，柱塞的表面上开设的四个左配流槽和右配流槽与进油孔和排油孔相互配油，通过柱塞的双自由度进行吸油和排油，由于凸轮的约束下，柱塞开始向右运动，油液从进油孔流入缸体内经过两个进油窗口，进入左配流槽a、c后，左侧腔体容积变大，进行吸油，当柱塞旋转一定角度后，左侧腔体油液经排油窗口、第二半环形槽从排油口流出，同时，右侧容积逐渐增大，油液进入右配流槽b、d进行吸油，左侧容腔受挤压而容积减小，在电机连续转动的工作下，与泵排油孔相连通的窗口持续排油，与进油口相连通的窗口持续吸油，从而实现柱塞在做左右轴向运动的同时也能做旋转周向转动的直线往复运动。利用柱塞平和旋转运动的双向自由度来实现吸排油功能。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.基于最小接触应力轨道的二维柱塞泵，其特征在于：包括左泵体和右泵体，左泵体和右泵体内贯穿设有泵轴；左泵体内设有缸体，右泵体内设有凸轮组件和滚轮组件；左泵体的左端面设有吸油孔和排油孔，缸体的外表面设有第一半环形槽和第二半环形槽，吸油孔与第一半环形槽连通，排油孔与第二半环形槽连通；缸体内设有柱塞，柱塞固定连接在泵轴上，且柱塞可沿缸体的轴向作直线往复运动；柱塞的左端与缸体围合成左腔室，柱塞的右端与缸体围合成右腔室，左腔室、右腔室的容积随柱塞的往复运动变化，当柱塞从最左端往最右端轴向运动时，左腔室容积逐渐变大，右腔室容积逐渐变小；相反，当柱塞从最右端往最左端轴向运动时，右腔室容积逐渐变大，左腔室容积逐渐变小；

柱塞的外表面间隔均布有开口方向相反的左配流槽和右配流槽各两个，左配流槽和右配流槽的槽口位置相互错开布置，缸体与左配流槽和右配流槽相对应的位置设有吸油窗口和排油窗口，吸油窗口与第一半环形槽连通，排油窗口与第二半环形槽连通；

所述凸轮组件包括左凸轮、右凸轮，左凸轮、右凸轮朝向相对的轴向端面上分别设有凸轮轨道曲面，凸轮轨道曲面沿左凸轮、右凸轮轴向的投影呈圆环形，并带有轴向的周期性起伏；左凸轮的凸轮轨道曲面与右凸轮的凸轮轨道曲面的相位差90度，左凸轮的凸轮轨道曲面最高点和最低点分别与右凸轮的凸轮轨道曲面的最低点和最高点相对应；泵轴上且位于凸轮组件之间的位置固定连接有滚轮组件，滚轮组件包括滚轮架，滚轮架径向穿设泵轴，滚轮架的两端穿出泵轴外并转动连接有滚轮，滚轮与左、右凸轮配合转动；

柱塞在随泵轴转动的同时，在凸轮组件的约束下做直线往复运动；柱塞上的左配流槽和右配流槽分别与缸体上的吸油窗口、排油窗口发生沟通，容积逐渐变大的腔室吸油，容积逐渐减小的腔室排油。

2.如权利要求1所述的基于最小接触应力轨道的二维柱塞泵，其特征在于：所述凸轮轨道曲面包括4段曲面，4段曲面包括依次连接的开始区段、加速区段、减速区段、结束区段，开始区段设置在凸轮轮廓曲面的外死点附近，幅角设置在1°～3°；加速区段为外凸曲面；减速区端为内凹曲面，结束区段设置在凸轮轮廓曲面的内死点附近。

3.如权利要求1所述的基于最小接触应力轨道的二维柱塞泵中凸轮轨道曲面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

按照基于最小接触应力思想的设计方法，使得输出转矩保持不变，则

式中，在直角坐标系中，P为经过滚轮中点的垂直作用力，T为过滚轮中点的水平作用力，N轨道与滚轮间的法向作用力，

为滚轮中心沿凸轮运动轨迹的一阶导数，R为滚轮上下底面高的一半，R′为滚轮中心的运动轨迹，M为转矩，i为P和N夹角；

滚轮曲率半径：

r＝R′-R (1.4)

对于与凸轮线接触的滚轮接触应力，根据赫兹公式求得，具体如下：

式中，E为滚轮间弹性模量，μ为材料泊松比，c为线接触长度，σ为接触应力；求解上列方程式可以得到滚轮中心运动轨迹曲线的各点坐标(a，b)，具体如下：

根据公式(1.6)设计凸轮的曲面规律。

Images