CN113309756B - 一种基于内齿轮轴传动的低速大扭矩液压马达系统 - Google Patents

一种基于内齿轮轴传动的低速大扭矩液压马达系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于内齿轮轴传动的低速大扭矩液压马达系统。包括机械传动机构和液压控制回路，机械传动机构和液压控制回路连接；机械传动机构包括外壳体、缸体、若干个传动结构和内齿轮轴，缸体、传动结构和内齿轮轴均位于外壳体中，缸体同轴固定安装于内齿轮轴中，沿缸体轴向间隔均匀地开有多个阶梯圆柱通孔，每个阶梯圆柱通孔沿缸体的径向布置，每个阶梯圆柱通孔经一个传动结构和内齿轮轴的内壁连接，各个圆柱空腔和各自的液压控制回路联通。本发明将双作用式液压缸和内齿轮机构集成在液压马达内，凭借内齿轮传动的大减速比特性来降低其输出转速，依靠多组外齿轮同时与内齿轮啮合以进一步提高输出扭矩。

Description

一种基于内齿轮轴传动的低速大扭矩液压马达系统
技术领域
本发明属于液压马达设计与控制技术领域，具体涉及了一种以双作用式液压缸为驱动元件，凭借内齿轮轴传动的大减速比特性，获得低输出转速、大输出扭矩的液压马达系统
背景技术
液压马达作为一种输出回转运动的液压执行元件，可按其额定转速分为高速液压马达和低速液压马达两大类。低速液压马达主要采用径向柱塞式结构，具有转速低、输出扭矩较大的特点。径向柱塞式液压马达的工作特性可靠，但是其输出转速和输出扭矩往往受限于结构尺寸，需要与相应的减速装置相连，以获得转速的进一步降低和扭矩的进一步提高。这种使用方式增加了系统的复杂程度，直接增大了工作系统的体积、重量等参数，将影响工作系统的可靠性和实用性。此外，径向柱塞式马达依赖各个径向柱塞的有序伸缩，以实现偏心缸体的旋转。各柱塞的伸缩顺序受到液压阀等控制元件的调控，这也增加了液压控制回路和液压马达工作系统的复杂性。
发明内容
为了应对背景技术中所述的问题，本发明所要解决的技术问题是：提供了一种由双作用式液压缸驱动的，依靠内齿轮轴减速机构传动的液压马达系统。本发明将双作用式液压缸和内齿轮轴机构集成在液压马达内，凭借内齿轮轴传动的大减速比特性来降低其输出转速，依靠多组外齿轮轴同时与内齿轮轴啮合以进一步提高输出扭矩。本发明工作原理简单易行，具有低速、大扭矩、液压控制简便可靠等工作优势，可适用于驱动具有低速、超大扭矩工作特性要求的回转机构。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明包括机械传动机构和液压控制回路，机械传动机构和液压控制回路通过接头和软管等连接；
机械传动机构包括外壳体、缸体、若干个传动结构和内齿轮轴，缸体、传动结构和内齿轮轴均位于外壳体中，缸体同轴固定安装于内齿轮轴中，沿缸体轴向间隔均匀地开有多个阶梯圆柱通孔，各个阶梯圆柱通孔之间相互独立且互不连通，每个阶梯圆柱通孔沿缸体的径向布置，每个阶梯圆柱通孔的轴线均与缸体的轴线垂直，阶梯圆柱通孔使得传动结构中的活塞杆可以在阶梯圆柱通孔中沿其轴向滑动，每个阶梯圆柱通孔经一个传动结构和内齿轮轴的内壁连接，各个圆柱空腔和各自的液压控制回路联通；
每个传动结构均包括一个活塞杆、两个滑块和两个外齿轮轴，活塞杆内端伸入到阶梯圆柱通孔中和缸体内的活塞同轴固接，活塞杆外端伸出缸体后固定连接有长条形滑道，长条形滑道的滑动方向垂直于活塞杆，滑块滑动嵌装在长条形滑道中，滑块在长条形滑道内滑动，与长条形滑道形成滑动副，滑块相对长条形滑道往复滑动，滑块铰接安装在外齿轮轴偏心位置处，外齿轮轴外周面加工为外齿圈，内齿轮轴空心内腔的内周面加工为内齿圈，外齿轮轴的外齿圈与内齿轮轴的内齿圈啮合形成齿啮合传动副，每个外齿轮轴位置保持固定，可自转地安装，且内齿轮轴和外齿轮轴始终保持同向旋转。
每个阶梯圆柱通孔中间端的圆柱的两端面上各开有一个窗口，外壳体的一端面与每个阶梯圆柱空腔的两个窗口之间均设有一个连通的油路，外部的液压油通过油路经一个窗口流入阶梯圆柱通孔中，阶梯圆柱通孔中的液压油经另外一个窗口和油路从阶梯圆柱空腔中流出，每个阶梯圆柱通孔中均布置一个传动结构，传动结构与内齿轮轴连接。
液压控制回路包括若干个两位四通电磁阀、一个控制装置、一个油箱和一个油泵，每个阶梯圆柱通孔均连接有一个两位四通电磁阀，阶梯圆柱通孔的数量和两位四通电磁阀的数量相同。
每个两位四通电磁阀均与油箱和油泵连接，使得液压油从油泵通过两位四通电磁阀后依次经油路和一个窗口流入到各自的阶梯圆柱空腔中，或者液压油从阶梯圆柱空腔中依次经另一个窗口和对应的油路后通过两位四通电磁阀流入到油箱。控制装置可以切换两位四通电磁阀的工作位，以控制阶梯圆柱空腔的进出油，进一步控制活塞杆的运动，从而实现外齿轮轴以及啮合的内齿轮轴始终沿着同一个方向进行运动。每个两位四通电磁阀均与控制装置电连接，每个两位四通电磁阀还与各自的油路连接。
每个所述的滑块的中心均开有一个圆孔，各个外齿轮轴同侧的端面上均设有一个销，外齿轮轴端面上的销安装于各自的滑块中心的圆孔中，使得每个滑块与各自的外齿轮轴通过销相连，滑块在矩形滑道中的滑动带动外齿轮轴的转动。
所述的外齿轮轴端面偏心位置处设有销，即销的轴线与外齿轮轴的轴线平行且不在同一条轴线上，滑块的一端和销铰接。
所述的阶梯圆柱通孔包括依次同轴固定连接的三个圆柱，三个圆柱的内部均为中空结构，阶梯圆柱通孔位于中间端的圆柱的外径大于其他两个圆柱的外径，半径不同的两个圆柱之间形成凸台。
所述的阶梯圆柱通孔中间端的圆柱的两端面上分别开有一个窗口，液压油经窗口进入或排出阶梯圆柱通孔。
所述的两位四通电磁阀包括A口、B口、P口和T口，P口、T口位于两位四通电磁阀的同一侧，A口和B口位于两位四通电磁阀的另一侧，当两位四通电磁阀位于左位时，B口与P口连通，A口和T口连通，当两位四通电磁阀位于右位时，B口与T口连通，A口和P口连通。两位四通电磁阀的P口和T口分别经接头、软管等与油泵和油箱连接，A口和B口经油路和窗口后分别与阶梯圆柱空腔的两端面连接，两位四通电磁阀与控制装置电连接，在控制装置的调控下协调切换两位四通电磁阀的工作位，进一步控制活塞杆在阶梯圆柱通孔中的的运动，从而控制外齿轮轴和内齿轮轴的定轴转动。
所述的内齿轮轴包括内齿轮以及与内齿轮的一端固定连接的内齿轮的轴，内齿轮的轴活动套装于外壳体一端面的通孔中；外齿轮轴包括外齿轮轴以及与外齿轮轴中心固定连接的外齿轮轴的轴，外齿轮轴的轴活动套装于外壳体另一端面的通孔中。内齿轮轴与外壳体和缸体之间无接触，内齿轮轴的定轴旋转运动不会带动外壳体和缸体旋转内齿轮轴。
所述的内齿轮轴的齿数比外齿轮轴的齿数多，外齿轮轴和内齿轮轴保持同向旋转，内齿轮轴作为输出元件，按照减速比向外部提供输出转速和输出扭矩。所述的减速比等于内齿轮轴的齿数与外齿轮轴的齿数之比。
本发明主要利用双作用式液压缸中活塞杆的双向直线运动带动外齿轮轴组的定轴转动，并通过内齿轮轴传动大幅降低工作系统的输出转速、提高工作系统的输出扭矩。当压力油进入缸体的空腔时，活塞杆的两侧形成压力差，使活塞杆沿其轴向产生滑动，通过平行四边形机构的变体机构将活塞杆的直线往复运动转换为外齿轮轴的定轴连续回转运动，利用内齿轮轴传动的大减速比特性可将液压马达的输出转速降至极低并大幅提高工作系统的输出扭矩。
本发明的有益效果如下：
1.本发明将内齿轮轴减速机构和双作用式液压缸结构集成在一起。相比于传统的径向柱塞式液压马达的偏心缸体传动工作原理，本发明凭借内齿轮轴传动的大减速比特性可有效实现输出超低转速的工作特性；
2.本发明中通过多组外齿轮轴与内齿轮轴的同时传动的工作特点，可获得成倍放大的超高输出扭矩。
3.本发明利用一个两位四通电磁阀控制多个活塞杆的工作，相比其他形式的液压马达，本发明的液压控制原理简单可靠、易于锁止。
总的来说，本发明将双作用式液压缸和内齿轮机构集成在液压马达内，凭借内齿轮传动的大减速比特性来降低其输出转速，依靠多组外齿轮同时与内齿轮啮合以进一步提高输出扭矩。
附图说明
图1为本发明传动机构的总体示意图，其中，a-c分别展示了活塞杆运动的位置；
图2为本发明两根活塞杆和活塞构成的零件示意图；
图3为本发明中控制活塞杆2运动的液压回路示意图。
图中，1缸体、2活塞杆、3滑块、4外齿轮轴、5内齿轮轴、6两位四通电磁阀、7控制装置、8油箱、9油泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明包括机械传动机构和液压控制回路，机械传动机构为本发明的主体部分，机械传动机构和液压控制回路通过接头和软管等连接；
机械传动机构包括外壳体、缸体1、若干个传动结构和内齿轮轴5，缸体1、传动结构和内齿轮轴5均位于外壳体中，缸体1同轴固定安装于内齿轮轴5中，沿缸体1轴向间隔均匀地开有多个阶梯圆柱通孔，为简化说明，图中仅展示了一个阶梯通孔。各个阶梯圆柱通孔之间相互独立且互不连通，每个阶梯圆柱通孔沿缸体1的径向布置，每个阶梯圆柱通孔的轴线均与缸体1的轴线垂直，阶梯圆柱通孔使得传动结构中的活塞杆2可以在阶梯圆柱通孔中沿其轴向滑动，每个阶梯圆柱通孔经一个传动结构和内齿轮轴5的内壁连接，各个圆柱空腔和各自的液压控制回路联通；
每个传动结构均包括一个活塞杆2、两个滑块3和两个外齿轮轴4，活塞杆2内端伸入到阶梯圆柱通孔中和缸体1内的活塞同轴固接，活塞杆2外端伸出缸体1后固定连接有长条形滑道，长条形滑道的滑动方向垂直于活塞杆2，滑块3滑动嵌装在长条形滑道中，滑块3在长条形滑道内滑动，与长条形滑道形成滑动副，滑块3相对长条形滑道往复滑动，滑块3铰接安装在外齿轮轴4偏心位置处，外齿轮轴4外周面加工为外齿圈，内齿轮轴5空心内腔的内周面加工为内齿圈，外齿轮轴4的外齿圈与内齿轮轴5的内齿圈啮合形成齿啮合传动副，每个外齿轮轴4位置保持固定，可自转地安装，且内齿轮轴5和外齿轮轴4始终保持同向旋转。
每个阶梯圆柱通孔中间端的圆柱的两端面上各开有一个窗口，外壳体的一端面与每个阶梯圆柱空腔的两个窗口之间均设有一个连通的油路，外部的液压油通过油路经一个窗口流入阶梯圆柱通孔中，阶梯圆柱通孔中的液压油经另外一个窗口和油路从阶梯圆柱空腔中流出，每个阶梯圆柱通孔中均布置一个传动结构，传动结构与内齿轮轴5连接；
如图3所示，液压控制回路包括若干个两位四通电磁阀6、一个控制装置7、一个油箱8和一个油泵9，每个阶梯圆柱通孔均连接有一个两位四通电磁阀6，阶梯圆柱通孔的数量和两位四通电磁阀6的数量相同；
每个两位四通电磁阀6均与油箱8和油泵9连接，使得液压油从油泵9通过两位四通电磁阀6后依次经油路和一个窗口流入到各自的阶梯圆柱空腔中，或者液压油从阶梯圆柱空腔中依次经另一个窗口和对应的油路后通过两位四通电磁阀6流入到油箱8。控制装置7可以切换两位四通电磁阀6的工作位，以控制阶梯圆柱空腔的进出油，进一步控制活塞杆2的运动，从而实现外齿轮轴4以及啮合的内齿轮轴5始终沿着同一个方向进行运动。每个两位四通电磁阀6均与控制装置7电连接，每个两位四通电磁阀6还与各自的油路连接。
每个滑块3的中心均开有一个圆孔，各个外齿轮轴4同侧的端面上均设有一个销，外齿轮轴4端面上的销安装于各自的滑块3中心的圆孔中，使得每个滑块3与各自的外齿轮轴4通过销相连，滑块3在长条形滑道中的滑动带动外齿轮轴4的转动。外齿轮轴4端面偏心位置处设有销，即销的轴线与外齿轮轴4的轴线平行且不在同一条轴线上，滑块3的一端和销铰接。
阶梯圆柱通孔包括依次同轴固定连接的三个圆柱，三个圆柱的内部均为中空结构，阶梯圆柱通孔位于中间端的圆柱的外径大于其他两个圆柱的外径，半径不同的两个圆柱之间形成凸台。
阶梯圆柱通孔中间端的圆柱的两端面上分别开有一个窗口，液压油经窗口流入或流出阶梯圆柱通孔。
两位四通电磁阀6包括A口、B口、P口和T口，P口、T口位于两位四通电磁阀6的同一侧，A口和B口位于两位四通电磁阀6的另一侧，当两位四通电磁阀6位于左位时，B口与P口连通，A口和T口连通，当两位四通电磁阀9位于右位时，B口与T口连通，A口和P口连通。两位四通电磁阀6的P口和T口分别经接头、软管等与油泵9和油箱8连接，A口和B口经油路和窗口后分别与阶梯圆柱空腔的两端面连接，两位四通电磁阀6与控制装置7电连接，在控制装置7的调控下协调切换两位四通电磁阀6的工作位，进一步控制活塞杆2在阶梯圆柱通孔中的的运动，从而控制外齿轮轴4和内齿轮轴5的定轴转动。
内齿轮轴5包括内齿轮以及与内齿轮的一端固定连接的内齿轮的轴，内齿轮的轴活动套装于外壳体一端面的通孔中；外齿轮轴4包括外齿轮轴以及与外齿轮轴中心固定连接的外齿轮轴的轴，外齿轮轴的轴活动套装于外壳体另一端面的通孔中。内齿轮轴5与外壳体和缸体1之间无接触，内齿轮轴5的定轴旋转运动不会带动外壳体和缸体1旋转内齿轮轴。
内齿轮轴5的齿数比外齿轮轴4的齿数多，外齿轮轴4和内齿轮轴5保持同向旋转，内齿轮轴5作为输出元件，按照减速比向外部提供输出转速和输出扭矩。减速比等于内齿轮轴5的齿数与外齿轮轴4的齿数之比。
具体实施中，外壳体和缸体1内设有连通的油路，液压油可经外壳体表面的进/出油口进入或排出缸体1的内部。
缸体1与外壳体保持相对静止。活塞杆2可沿其轴向在缸体1的阶梯通孔内滑动。滑块3可在活塞杆2的长条形滑道内滑动，与外齿轮轴4上的短销构成转动副。外齿轮轴4和内齿轮轴5均只能绕其轴线做定轴旋转，两者构成内啮合传动关系。本发明的机械传动机构以活塞杆2为主动件，将活塞杆2的直线运动变换为外齿轮轴4和内齿轮轴5的定轴转动，内齿轮轴5按一定的减速比将输出转速降至极低。由于一组外齿轮轴4同时与内齿轮轴5相连，因此输出扭矩可以在按减速比放大的基础上再提高一倍。当多组外齿轮轴4同时工作时，本发明的输出扭矩将成倍增大。
如图3所示，两位四通电磁阀6有左位和右位两个工作位，当两位四通电磁阀6位于左工作位时，油箱8与缸体1的左侧空腔相连，油泵9与缸体1的右侧空腔相连，活塞杆2首先位于右侧的极限位置。当油泵9开始工作时，油泵9提供的压力油通过外壳体内的油路进入缸体1的右侧空腔，推动活塞杆2向左侧运动，从而带动滑块3在滑轨内相对滑动。由于滑块3与外齿轮轴4铰接，滑块3的运动将带动外齿轮轴4和内齿轮轴5的定轴旋转。当活塞杆2运动到左侧极限位置时，控制装置7调控两位四通电磁阀6切换到右工作位，油箱8与缸体1的右侧空腔相连，油泵9与缸体1的左侧空腔相连。油泵9提供的压力油通过外壳体内的油路进入缸体1的左侧空腔，而右侧空腔与油箱8相连，使活塞杆2凸缘的两侧形成压力差，将活塞杆2向右推动，最终带动外齿轮轴4和内齿轮轴5的同向回转。当活塞杆2运动到右侧极限位置时，两位四通电磁阀6再次切换到左工作位，推动活塞杆2向左侧运动。
具体实施中，外壳体和缸体(1)均中设有油路，油路两端分别与进入或者排出油口和阶梯通孔的两个空腔相连，以实现各空腔中液压油的进入与排出。活塞杆2两端分别有一长条形滑道，滑块3可在长条形滑道内滑动，两者构成移动副。外齿轮轴4与固定的外壳体相连，两者构成转动副，外齿轮轴4的轴线与外壳体相对静止，只能做定轴转动。外齿轮轴4一端的端面上设有短销，短销的轴线与外齿轮轴4的轴线存在一定的偏心。滑块3上开有一圆孔，与短销构成转动副，二者可绕着此圆孔的圆心发生相对转动。内齿轮轴5与固定外壳体相连，内齿轮轴5仅可绕其轴线做定轴旋转。内齿轮轴5同时与外齿轮轴4构成内啮合关系，且两者齿数之比即为减速比。内齿轮轴5和外齿轮轴4同向旋转，内齿轮轴5按一定的减速比输出旋转运动。实际工作中，活塞杆2两端的滑道内分别置有一滑块3，各滑块3分别与外齿轮轴4上的短销相连。
本发明一般以液压油作为动力源，同一油源可以供应多个运动机构。本发明通过一个两位四通电磁阀6调控多个活塞杆2的双向运动，并利用传动机构将活塞杆2的直线运动转变为外齿轮轴4的定轴旋转。而输出端采用的内齿轮轴传动方式，利用大减速比可大幅降低输出转速，提高输出扭矩。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于内齿轮轴传动的低速大扭矩液压马达系统，其特征在于：包括机械传动机构和液压控制回路，机械传动机构和液压控制回路连接；
机械传动机构包括外壳体、缸体(1)、若干个传动结构和内齿轮轴(5)，缸体(1)、传动结构和内齿轮轴(5)均位于外壳体中，缸体(1)同轴固定安装于内齿轮轴(5)中，沿缸体(1)轴向间隔均匀地开有多个阶梯圆柱通孔，每个阶梯圆柱通孔沿缸体(1)的径向布置，每个阶梯圆柱通孔的轴线均与缸体(1)的轴线垂直，每个阶梯圆柱通孔经一个传动结构和内齿轮轴(5)的内壁连接，各个圆柱空腔和各自的液压控制回路联通；
每个传动结构均包括一个活塞杆(2)、两个滑块(3)和两个外齿轮轴(4)，活塞杆(2)内端伸入到阶梯圆柱通孔中和缸体(1)内的活塞同轴固接，活塞杆(2)外端伸出缸体(1)后固定连接有长条形滑道，长条形滑道的滑动方向垂直于活塞杆(2)，滑块(3)滑动嵌装在长条形滑道中，滑块(3)相对长条形滑道往复滑动，滑块(3)铰接安装在外齿轮轴(4)偏心位置处，外齿轮轴(4)外周面加工为外齿圈，内齿轮轴(5)空心内腔的内周面加工为内齿圈，外齿轮轴(4)的外齿圈与内齿轮轴(5)的内齿圈啮合形成齿啮合传动副，且内齿轮轴(5)和外齿轮轴(4)始终保持同向旋转；
液压控制回路包括若干个两位四通电磁阀(6)、一个控制装置(7)、一个油箱(8)和一个油泵(9)，每个阶梯圆柱通孔均连接有一个两位四通电磁阀(6)，阶梯圆柱通孔的数量和两位四通电磁阀(6)的数量相同；
每个两位四通电磁阀(6)均与油箱(8)和油泵(9)连接，每个两位四通电磁阀(6)均与控制装置(7)电连接，每个两位四通电磁阀(6)还与各自的油路连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于内齿轮轴传动的低速大扭矩液压马达系统，其特征在于：
每个所述的滑块(3)的中心均开有一个圆孔，各个外齿轮轴(4)同侧的端面上均设有一个销，外齿轮轴(4)端面上的销安装于各自的滑块(3)中心的圆孔中，使得每个滑块(3)与各自的外齿轮轴(4)通过销相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于内齿轮轴传动的低速大扭矩液压马达系统，其特征在于：
所述的外齿轮轴(4)端面偏心位置处设有销，滑块(3)的一端和销铰接。
4.根据权利要求2所述的一种基于内齿轮轴传动的低速大扭矩液压马达系统，其特征在于：
所述的阶梯圆柱通孔包括依次同轴固定连接的三个圆柱，位于中间端的圆柱的外径大于其他两个圆柱的外径，半径不同的两个圆柱之间形成凸台。
5.根据权利要求4所述的一种基于内齿轮轴传动的低速大扭矩液压马达系统，其特征在于：所述的阶梯圆柱通孔中间端的圆柱的两端面上分别开有一个窗口，液压油经窗口进入或排出阶梯圆柱通孔。
6.根据权利要求1所述的一种基于内齿轮轴传动的低速大扭矩液压马达系统，其特征在于：
所述的内齿轮轴(5)包括内齿轮以及与内齿轮的一端固定连接的内齿轮的轴，内齿轮的轴活动套装于外壳体一端面的通孔中；外齿轮轴(4)包括外齿轮以及与外齿轮中心固定连接的外齿轮的轴，外齿轮的轴活动套装于外壳体另一端面的通孔中。
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