TW201447147A - 具嚙合齒之齒輪 - Google Patents

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Pierpaolo Cagnani
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Settima Meccanica S R L
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Abstract

本發明係有關於一種於液壓機殼體內具有複數個相同齒之齒輪，係適於平行地嚙合一相似的第二齒輪，所述齒輪具有前齒接之一側面與後齒接之一側面，係適於分別對著一前襯套與一後襯套旋轉牽引，所述襯套套設在一固定地連接至該齒輪的套軸上，螺旋齒係在該前側面和該後側面之間沿著整個齒輪延伸，該前齒接的該側面與該後齒接的該側面兩者在各齒上具有一移除的轉子部分，以當襯套設置於抵靠該齒輪之該齒接的各側面時，該齒接之該等側面的一區域不接觸該襯套。

Description

具嚙合齒之齒輪
本發明關於一種位於液壓機殼體內具有螺旋齒的齒輪，係適於嚙合一第二齒輪，特別是位於一正位移式泵內。
本發明也關於一種位於液壓機內改善一螺旋齒輪或一具有直齒的齒輪與該襯套(或該齒輪的支撐襯套)間之接觸區域的潤滑液分佈之方法，例如像結合該齒輪與該襯套或該齒輪的支撐襯套的一旋轉正位移式泵。
本發明係關於具有齒輪的旋轉正位移式泵或類似的液壓機的技術領域的焦點。此類型的泵一般包含兩個齒輪，其中之一稱為驅動輪，係連接一驅動軸及設置以旋轉其他輪子，其被稱為驅動輪。該兩輪包含各別軸或套軸，通常由襯套(也被稱為支撐襯套)所支撐。
在操作過程中，由於作用於外面及內面兩個壓力間之不同，該襯套被施壓一受控力以對著該齒輪，據以降低沿著該齒輪本身的側面液漏到最少，起因於吸入或釋放間之壓力差。
製造此種泵的主要目的之一係為獲得吸入及釋放間良好的密封，的確，如果密封不夠，這樣泵的效率 會急遽下降。
保持吸入與釋放間的密封是非常複雜的，當操作在高壓，典型的大於80bar，以及在高速，例如超過1000RPM時，此外可看出在這些壓力下甚至是低轉速，例如像少於200rpm，它會在吸入及釋放間導致密封的快速惡化。
在上述工作條件中，可套設該襯套在該轉子的接觸面上，其在高壓時降低該襯套的表面粗糙度下增加它，而隨之而來的是該保證於如同新的密封之突然損壞。
在上述給定的高標準條件例子中，此原因引起該襯套與該轉子接觸的區域的表面粗糙度的增加，係由於在泵中該轉子及該襯套或支撐襯套(自潤滑流體膜)間循環的潤滑液最佳分佈的損失所引起的。
製造泵所面臨的另一問題是流體的轉換上該泵本身的噪聲，起因於不規則的現象或“漣波”，此問題包含操作噪聲，起因於隨時間的流量的瞬間震盪，較佳被稱為漣波噪聲。上述的震盪產生一脈衝波，其通過該流體傳遞到周圍環境以及特定地到該泵壁上、到管線上以及到輸送管道上。引起的噪聲甚至能達到不可預期的情況，其中上述元件進入震盪或漣波頻率的共振。
這種軸向推力的震盪現象，通常小體積的直齒齒輪泵，在具螺旋齒之齒輪泵上變得更具價值，其中該齒輪間的嚙合是機械與液壓軸向推力兩者的原因，這樣該襯套間隙的平衡與恢復是無法完全令人滿意的，因為該液壓 軸向推力有大量的脈動。
先前技術過去所提的某些解決方案試圖解決先前強調的問題。
例如，授予給Maglott之美國專利US 2159744，其歷史追溯到1939年5月，其製造齒輪的目的係用在具有外齒輪的正位移式泵，以能夠避免或至少減少在不良的空間中(不影響該兩輪間的傳遞)流體密封的現象以及同時使得該泵本身處理的該流量更均勻。
為處理密封的問題而提出了建立一齒輪廓，其特徵為以中央部為一漸伸線到一個圓以及兩連接部(該齒的頂部及底部)當作相等半徑的圓弧。具體來說，這些圓弧的中心必須位在該齒輪原始直徑的外部用以接合於頂部，以及另一方面在底部它必須在圓弧原始直徑的內部。Maglott還規定說，為了確保動作的連續性，必須使用螺旋齒接及螺旋覆蓋比大於或等於0.5。
第二先前技術文件顯示為授予給Hitosi之美國專利US 3164099，歷史追溯到1965年1月。Hitosi本身設置提高一齒輪泵效能、消除密封的問題以及確保隨時間流量更均勻的任務。
更具體地，此專利提供一圖形/分析方法以勾勒出齒的輪廓-見Hitosi專利之圖10到15的細節，以及插入於欄5及6中之內文的方程式。
另外一授予給Morselli之專利編號EP 1371848，係關於齒輪泵的領域以及提出僅指出從一理論輪 廓所形成的頻帶，據以製造未經密封嚙合的齒輪。透過密封，我們指的是封閉空間，位在一齒輪的齒頂部及該匹配齒輪的齒基部，一個不需要的空間，若該泵係正確地操作及極少噪聲的。
此噪聲基本上是由該流量隨時間的瞬間震盪而引起的，較佳被稱為漣波噪聲。上述震盪產生的一脈衝波經過一流體傳遞到周圍環境，以及特別是傳遞到泵壁上、到管線上以及到輸送管道上。所生成的噪聲在此情況下甚至可以達到不可預期的層級，其中上述元件進入震盪或漣波頻率的共振。
EP’848專利確實是第一個提出此問題的解決方法，透過描述一齒的理論輪廓，從獲得的頻帶來建立一靜音泵之該齒輪的齒輪廓。
而且上述的問題中，更需要在此類型的泵中優化該工作流體的分佈，該工作流體也是一種潤滑液，其位在該襯套及該轉子側面的接觸表面上。
目前，先前技術提出的讓該轉子表面及該襯套表面具有一特別低的表面粗糙度，對於該轉子使用特定機械工具以達到合適的表面光潔度、或使用機械或化學拋光系統。相似的技術也用在與轉子滑動接觸的該襯套表面的表面光潔度。
雖然從某些觀點是有利的，這些解決方法就時間及努力上而言是特別昂貴以及累贅的，以及在任何情況下，當操作在高壓(超過80bar)高速(超過1000rpm)或低速(低 於200rpm)時，他們是不允許該流量分佈被優化的。
本發明基礎上的技術問題是在一液壓機殼體內設計一種具有複數相同齒的齒輪，適於平行嚙合一第二齒輪，其能夠允許該襯套間接觸區域的潤滑，甚至是操作在高壓及在高與低旋轉速度時，從而在一簡單且合理的建設性解決方案的框架內能夠讓泵有一改善的壽命以及有一保持足夠高的正位移式效率，即使在上述條件長期使用下。
此想法的解答形成了本發明的基礎，係在該齒輪泵轉子，較佳地具有螺旋齒，以及對著該轉子滑動面的襯套間創立一潤滑空間。
為了改善該潤滑空間的建立以及減少該襯套表面的磨損，該轉子的齒邊緣要經過使用機械工序或機械加工系統來進行平滑處理。
有利的是，也可能預見該轉子側面整個表面以及因此它邊緣的表面之變化，以及形成口袋之適當凹處的建立，其目的在容納油及將之分佈於與該襯套的接觸表面。
根據本發明的該齒輪的特徵及優點將變得更加清楚，從示例性實施例所描述與參考附圖給出的指示性及非限制性的目的。
1‧‧‧泵
2‧‧‧齒輪
3‧‧‧殼體
20‧‧‧軸
21、22‧‧‧齒接
41、42‧‧‧襯套
2a‧‧‧凹處
2b‧‧‧切面
2c‧‧‧凹間
2d‧‧‧深溝槽
A、D、G、H‧‧‧高度
B、I、L‧‧‧寬度
C、E、M、N‧‧‧深度
F‧‧‧距離
P‧‧‧旋轉軸
s‧‧‧輪廓
w‧‧‧拱型輪廓
x‧‧‧第一點
y‧‧‧第二點
圖1顯示根據本發明製作的齒輪正位移式泵的示意縱向剖視圖； 圖2顯示使用在圖1泵中的一對嚙合齒與套設在各別套軸的該襯套的示意透視圖；圖3A顯示根據本發明一第一實施例的一齒輪的示意透視圖；圖3B顯示圖3A該齒輪的一側視圖；圖3C顯示圖3B所顯示的一齒輪廓的細節；圖3D顯示圖3A該齒輪的一前視圖；圖3E顯示圖3D所顯示的一齒輪廓的細節；圖4A顯示根據本發明一第二實施例的一齒輪的示意透視圖；圖4B顯示圖4A該齒輪的一側視圖；圖4C顯示圖4B所顯示的一齒輪廓的細節；圖4D顯示圖4A該齒輪的一前視圖；圖4E顯示圖4D所顯示的一齒輪廓的細節；圖5A顯示根據本發明一第三實施例的一齒輪的示意透視圖；圖5B顯示圖5A該齒輪的一側視圖；圖5C顯示圖5B所顯示的一齒輪廓的細節；圖5D顯示圖5A該齒輪的一前視圖；圖5E顯示圖5D所顯示的一齒輪廓的細節。
參照圖1，標號1總體及示意性表示根據本發明製作的具有螺旋齒輪的一旋轉正位移式泵。接下來所描述的也適用於具有非螺旋轉子的正位移式泵。
該泵1包含一對齒輪2，一被稱為驅動齒輪，連接一驅動軸20，以及一被稱為被驅動齒輪，係由相關軸20所支撐且設置讓該驅動齒輪旋轉。該齒輪2容納在一殼體3內且由一對襯套41,42來旋轉支撐，該對襯套係套設於兩軸上且彼此相鄰該齒輪2的兩側且相對著。
為了確保該齒輪2及該襯套41,42間的密封設置在該兩側，需要稍後施壓以盡可能對著該齒輪2的齒接(toothing)的側面。
實際上，該襯套41,42被施壓以對著每一齒輪2的該前齒接22的側面，以這種方式在該兩齒輪2旋轉的期間，該齒接的側面對著該襯套41,42的該側滑動。
這類型齒輪的螺旋齒係在該前表面21及後表面22間沿著整個齒輪2延伸。
一般情況下，根據先前技術，該齒輪或轉子2的該齒接21,22的側面與該襯套41,42的表面係製作成具有一特別低的表面粗糙度，使用特定機械工具或使用機械或化學拋光系統以達到合適的表面光潔度以及，再根據先前技術，他們具有一平坦的表面。
於本發明中，藉由該齒接的側面，我們意指環形部的形狀像該齒輪的一齒冠，其進而抵靠著套設於該套軸的該襯套。
實際上，該齒接的側面係為該齒輪的側邊，其在旋轉期間與該襯套表面摩擦。
根據本發明，該前側面21與該後側面22兩者 在各齒上具有一移除的轉子部分，以當襯套設置於抵靠該齒輪之該齒接的各側面時，該齒接之該等側面的一區域不接觸該襯套41。
根據本發明的一第一實施例，該齒輪之側邊的移除部分係形成每一齒之一凹處(recess)2a。該凹處2a形成在該齒輪的兩側面，以及該嚙合齒輪的兩表面。
特別是，每一凹處2a具有一拱型輪廓“w”，係開始於接近一齒之底部的一第一點“x”且結束於接近該齒本身之頂部的一第二點“y”，所述凹處2a具有一可變深度，係從該拱型輪廓“y”朝向該齒之輪廓而增加。
基本上，該凹處2a具有一導槽式配置，其有沿著嚙合該凹處之該齒的輪廓的最大紀錄深度。
為了改善該齒輪推移潤滑液的描繪，這些凹處2a或導槽(chutes)形成於該齒的附著區域上，相關於在圖3D逆時針箭頭所指的該齒輪旋轉的方向上。
實際上，該導槽(2a)配置在該齒輪齒的部分上，其最先嚙合該嚙合齒輪的齒。
在尺寸方面，每一凹處2a具有一最大深度“C”，其係沿著大於約0.01mm之該齒輪2的旋轉軸P而量測，以及大於約1mm2的一表面延伸。
舉一個例子，但不限制本發明所涵蓋的，對於具有直徑約72mm的一齒輪，其可能具有一深度“C”等於約0.2mm(圖3C)，以及一表面等於約70mm2，其可存在一拱型輪廓“w”且具有一最大深度“B”約7.7mm及一最大高 度“A”約13.3mm(圖3E)。
假如在步階(2a)及未嚙合在該凹處上(即沿著該拱型輪廓“w”)之該齒輪2的該側21表面之間，該接合點有一規則曲率也是合宜的，從而避免可能的步階之建立。
根據本發明的第二實施例，該齒輪側邊的該移除部分係形成一切面2b，其沿著該齒接之該等側面的整個邊緣而均勻地分佈。該切面2b形成在該齒輪的兩側面上，以及該嚙合齒輪的兩表面上。
在該切面形成之前(圖4C)沿著該齒輪2的旋轉軸P所量測的該切面2b的深度“E”係少於該高度“D”，該高度係在該切面存在前從邊緣開始朝向該齒輪旋轉中心的輻射方向上所量測。
實際上，該切面2b由移除沿著該齒輪的整個齒輪廓的周邊邊緣所構成，以便建立一導槽，油可以被引導在其中，並具有該深度E小於該導槽2b的該高度D的相關特徵。
舉一個例子，但不限制本發明所涵蓋的，對於具有直徑約72mm的一齒輪，其可能具有一深度“E”等於約0.04mm(圖4C)，以及一高度“D”等於約0.4mm(圖4E)。
根據本發明的第三實施例，該齒輪側邊的該移除部分係形成為具有每一齒之一封閉輪廓“s”的凹處。
此凹處係形成為一凹間(niche)2c，其深度從該凹間2c的該封閉輪廓“s”朝向該凹間本身的中心而增加。
實際上，該凹間2c容納潤滑液。這些凹間2c形成在該齒輪的兩側面上，以及該嚙合齒輪的兩表面上。
為了最佳保持潤滑液，每一凹間2c內部在中央形成一深溝槽2d，其整個包含在該凹間本身中。
在尺寸方面，該凹間2c具有一最大深度“M”(圖5C)，其係沿著大於約0.01mm之該齒輪2的旋轉軸P而量測，以及大於約2mm2的一表面延伸。該凹間的該輪廓“s”形成與該齒輪的該齒之輪廓超過約0.01mm(圖5E)的一距離“F”。
該深溝槽(2d)具有一最大深度“N”(圖5C)，其係從該凹間2c的底部沿著大於約0.01mm之該齒輪2之旋轉軸P而量測，以及大於約0.05mm2的一表面延伸。
舉一個例子，對於具有直徑約72mm的一齒輪，其可能具有一該凹間2c最大深度“M”等於約2mm(圖5C)，以及該凹間2c的輪廓“s”可以距離該齒輪廓一相等距離等於約1.4mm。該凹間的該輪廓“s”具有一高度“H”等於約10.6mm以及一寬度“L”等於約13.1mm(圖5E)。該深溝槽2d可以具有一最大深度“N”等於約0.2mm(圖5C)、一高度“G”等於約6mm以及一寬度“I”等於約2mm(圖5E)。
根據本發明的一第四實施例，亦有齒輪可能同時具有沿著該齒的整個周邊邊緣的一切面(像之前該第二實施例描述的)以及根據之前該第一實施例所描述建立的該導槽兩者。
根據本發明的一第五實施例，亦有齒輪可能同時具有沿著該齒的整個周邊邊緣的一切面(像之前該第二實施例描述的)以及根據之前該第三實施例所描述建立的該凹間兩者。
可操作地，製作該導槽(2a)可以透過簡單機械工具加工過程的手段來進行。
該凹間2c可以透過壓力成型及/或機械工具加工來製作。
從上述描述可以理解，根據本發明的該齒輪能夠滿足需求以及克服在本案之描述的介紹部分參考先前技術所提到的缺點。
實際上，由於該齒輪之該齒接側面的一移除及/或凹陷轉子區域的建立，轉子與襯套間接觸區域的潤滑有顯著的改善，如同建立一潤滑間隙以維持該轉子/襯套接觸表面間相對滑動期間的灌注流體，即使是在高壓情況下對於高滑動速度及低滑動速度兩者。
舉一個例子，一採用根據本發明製作的齒輪之泵，可在280bar壓力與3600rpm以及在200bar壓力與50rpm沒有正位移式效率損失下操作。
當然，為了滿足可能及特定需求，本領域技術人員可以帶來許多上述該齒輪的修改與變化，所有這些涵蓋在本發明保護範圍的任何情況，如同接下來所定義的申請專利範圍。
2‧‧‧齒輪
2a‧‧‧凹處
20‧‧‧軸
21‧‧‧齒接

Claims (17)

  1. 一種於液壓機殼體內具有複數個相同齒之齒輪，係適於平行地嚙合一相似的第二齒輪，所述齒輪具有前齒接之一側面與後齒接之一側面，係適於分別對著一前襯套與一後襯套旋轉牽引，所述襯套係套設於一固定地連接至該齒輪的套軸，螺旋齒係在該前側面和該後側面之間沿著整個齒輪延伸，其特徵在於，該前齒接的該側面與該後齒接的該側面兩者在各齒上具有一移除的轉子部分，以當襯套設置於抵靠該齒輪之該齒接的各側面時，該齒接之該等側面的一區域不接觸該襯套。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之齒輪，其中，所述移除部包含一切面，係沿著該齒接之該等側面的整個邊緣而均勻地分佈。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之齒輪，其中，所述移除部包含每一齒之一凹處，所述凹處形成在每一齒的該齒接的該兩側面，每一凹處形成一導槽以容納潤滑液，當該齒接之該對應側面提升到接近該襯套時。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之齒輪，其中，每一導槽具有一拱型輪廓，係開始於接近一齒之底部的一第一點且結束於接近該齒本身之頂部的一第二點，所述導槽具有一可變深度，係從該拱型輪廓朝向該齒之輪廓而增加。
  5. 如申請專利範圍第3或4項所述之齒輪，其中，相對於該齒輪旋轉的方向，每一導槽形成於該齒的附著區域上。
  6. 如申請專利範圍第3至5項中任一項所述之齒輪，其中，每一凹處具有一最大深度，其係沿著大於約0.01mm之該輪的旋轉軸而量測，以及大於約1mm2的一表面延伸。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之齒輪，其中，所述移除部分包含一凹處，其具有一封閉輪廓，以於每一齒上形成一凹間，每一凹間具有一深度，係沿著該輪之旋轉軸量測，其從該凹間的該封閉輪廓朝向該凹間本身的中心而增加。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之齒輪，其中，每一凹間具有一最大深度，其係沿著大於約0.01mm之該輪的旋轉軸而量測，以及大於約2mm2的一表面延伸，該凹間的所述封閉輪廓形成與該齒之輪廓超過約0.01mm的一距離。
  9. 如申請專利範圍第7或8項所述之齒輪，其中，有一深溝槽中心地形成於該凹間的內部。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之齒輪，其中，所述深溝槽具有一最大深度，其係從該凹間的底部沿著大於約0.01mm之該輪之旋轉軸而量測，以及大於約0.05mm2的一表面延伸。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之齒輪，其中，所述移除部分包含一沿著該齒接之側面的整個邊緣均勻分佈之切面及一導槽兩者，所述導槽形成在每一齒的齒接之該兩側面，每一導槽係適於容納潤滑液，當該齒接之側面提升到接近該對應襯套時。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之齒輪，其中，所述移除部分包含在每一齒之一沿著該齒接之側面的整個邊緣均勻分佈之切面及一凹間兩者，有一封閉輪廓的每一凹間係具有一 深度，其從該凹間的該封閉輪廓朝向該凹間本身的中心而增加。
  13. 一種於液壓機內改善其齒接之側面與一對應襯套間之接觸區域中的潤滑液分佈之方法，其特徵在於，該方法包含移除在後齒接之側面與前齒接之側面兩者上的齒之材料的一部分之步驟，以建立在該齒接之側面的一不與該襯套接觸的區域，當其設置於抵靠該齒輪齒之該齒接的各側面時。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中，所述移除步驟包含建立沿著該齒接之側面的整個邊緣均勻分佈的一凹槽。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中，所述移除步驟包含建立在每一齒的一凹處，所述凹處具有一拱型輪廓，係自接近一齒之底部的一點開始至接近該齒本身之頂部的另一點結束，所述凹處具有一可變深度，係從該拱型輪廓朝向該齒之輪廓而增加。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中，所述移除步驟包含建立在每一齒的一凹間，所述凹間具有一封閉輪廓，每一凹間的深度從該凹間的該封閉輪廓朝向該凹間本身的中心而增加。
  17. 一種齒輪旋轉正位移式泵，包含一對具有螺旋齒的齒輪，係分別連接至一驅動軸用以驅動，以及由驅動輪旋轉設置、驅動，所述齒輪由一各自的套軸所支撐，其上係套設有分別的一對相對的襯套，每一齒輪包含如申請專利範圍第1至12項中任一項所述之特徵。
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