液压马达翻译 2

液压马达的力矩与传动效率的计算

摘要

在本文中作者提出了一种关于新型绞盘的锥差液压马达，并且对该机构进行了效率的研究。和以前的结构相比，这种新型结构具有许多优点。首先传统井架车的液压驱动系统是：先由液压马达驱动减速机，然后依次驱动减速绞盘；其次另一种液压驱动系统是：轴向活塞马达与摆线针轮内部驱动器的应用，从而使减速器和绞盘组合成一个简化传输系统；最后第三种液压驱动系统是：轴向活塞和液压马达的行星减速机的组合，通过驱动绞盘以便能够简化传动的机构被称为锥差行星式液压马达。这种偏摆锥差行星式传动的新型液压马达由液压马达、内部行星锥差减速机和绞盘组合在一起，组成最紧凑的结构。它更多的优点则是能够节省空间和场地。在本文中这种结构都被提出来了，并且成功分析了他们效率的传送。

关键词

液压马达；锥齿轮；行星传动绞盘

1．简介

本文介绍了一种在绞盘内可抵消偏摆的新型锥差液压马达，并对该机构进行了效率的研究。相对于原来的结构，这种新结构的许多优点已经超过了旧绞盘机构。传统井架车驱动的液压系统是：液压马达驱动减速机，然后依次驱动减速绞盘[1，2，3]。另一种液压驱动系统是：轴向活塞马达与摆线针轮内部驱动器的应用，从而使减速器和绞盘组合成一个简化传输系统。[4,5]。第三种液压驱动系统则是：轴向活塞和液压马达的行星减速机的组合，通过驱动绞盘以便能够简化传动的机构被称为锥差行星式液压马达。这种偏摆锥差行星传动的新型液压马达由液压马达、内部行星锥差减速机和绞盘组合在一起，组成最紧凑的结构。它最大的优点则是能够节省空间和场地，在本论文中，这种结构已经被提出来，并且成功的分析了他们效率的传送。作者是强调相关的工作机构，而不只是仅仅引进一个液压马达。下面以轴向柱塞式液压马达为例说明液压马达如何将液压能转换成其他形式的机械能。轴向柱塞式液压马达的工作原理：

斜盘1和配油盘4固定不动，柱塞3可在缸体2的孔内移动。斜盘中心线和缸体中心线相交一个倾角δ。高压油经配油盘的窗口进入缸体的柱塞孔时，高压腔的柱塞被顶出，压在斜盘上。

斜盘对柱塞的反作用力F 分解为轴向分力Fx 和垂直分力Fy 。Fx 与作用在柱塞上的液压力平衡，Fy 则产生使缸体发生旋转的转矩，带动轴5转动。液压马达产生的转矩应为所有处于高压腔的柱塞产生的转矩之和，R —柱塞在缸体上的分布圆半径；θ—第i 个柱塞和缸体垂直中心线的夹角。 可见，随着角θ的变化，每个柱塞产生的转矩是变化的，液压马达对外输出的总的转矩也是脉动的。

2 偏摆锥差行星式液压马达的结构

由图1显示，1Z （齿轮1）和2Z （齿轮2） 组合成一对内啮合锥齿轮，1Z =47, 2Z =48。 3Z （齿轮3）和4Z （齿轮4）组成一对周向限制副，3Z =4Z =84，齿轮1和齿轮3是相对固定的，并且通过主轴驱动连接在一起。液压缸主轴的经向间距是均匀相等的。以便使齿轮3沿着固定的锥齿轮滚动。实际中它是绕着锥尖固定点旋转。由于齿轮1和齿轮2形成了锥差式少齿差传动装置，齿轮2便可以绕着相反的方向低速旋转。齿轮2安装在斜轴5上。齿轮2和齿轮3在抵消偏摆的过程中会使斜轴5转动，同时齿轮4也随之旋转，以实现液压油的流动和分配。通过主轴连接使内部锥轮1Z 循环摆动。主动轮是1Z ，从动轮是2Z ，斜轴5来传动扭矩[1,2,3]。最初的低速大扭矩液压马达是由油泵的一个定转子部件发展而来的，这个部件由一个内齿圈和一个与之相配的齿轮或转子组成。内齿圈与壳体固定在一起，从油口进入的油推动转子绕一个中心点公转。这种缓慢旋转的转子通过花键轴驱动输出成为摆线液压马达（见图1）。这种最初的摆线马达问世后经过几十年演化，另一种概念的马达也开始形成。这种马达在内置的齿圈中安装了滚子（见图

2）。具有滚子的马达能提供较高的启动与运行扭矩，滚子减少了摩擦，因而提高了效率，即使在很低的转速下输出轴也能产生稳定的输出。通过改变输入输出流量的方向使马达迅速换向，并在两个方向产生相等的扭矩。

图1偏摆锥差行星式液压马达齿轮1和齿轮2组成了内啮合锥齿轮。

Z3的和Z4形成了周向限制副。

Z1和Z3的是相互固定的，并且通过主轴来驱动。

3．液压马达绞盘的应用

a）一种新型马达设计

输出轴驱动绞盘：

b ）简图

图2 液压马达锥齿轮行星的传动及绞盘的应用

4偏摆锥齿轮少齿差行星传动几何设计

图3消除偏摆的锥齿轮行星传动

上图显示的是主要机械原理图，齿轮1绕着它的固定轴旋转，齿轮2是绕着行星齿轮的固定点O 旋转，相对应的输出轴H 来传输扭矩。它驱动齿轮2的轴线0A 绕着n-n 轴向回转。设定它的角

速度是H ω，齿轮2相对于H 轴回转，角速度是2H ω，因为两个齿轮之间齿数不同，而且还存在

周向限制副[6,7,8,9]。B 轴限制了齿轮2沿n-n 轴向的摆动，假设输入轴的角速度是H ω，齿轮1以低速1ω沿相反方向旋转，如果给整个机构一个相反的角速度H ω-，它将能够改变整个机构的输出角速度，其传动比则为：

312213

3121z z z i z z z H H H ωω=== 23()z z = （1）

要确定齿轮1和齿轮3之间的旋转方向，我们必须用“箭头画法”如同图1所示。让齿轮1的箭头向上（表示圆周方向速度）。由于齿轮1和齿轮2内部啮合，箭头的方向都应该指向节点，因此齿轮2的方向也是向上的。齿轮2和齿轮3是一对周边约束齿轮对，因此两者的箭头也是应该指向节点的。因此齿轮1和齿轮3的方向是一致的。这种转化的效率是很有益的。

111310H H H H

i ωωωωω-==-+-; 121211311

z 110z H H H z z i i z ωω-==-=-=<；

111120H H z i z z ωω=

=<- （2）

因为1z 和2z 比较小，一般等于1，传动比1H i 则非常大，并且输出和输入的旋转方向是相同的。比较轴2和轴3的扭矩，我们发现新型减速器的比例远远大于以前的减速器比例。 [10,11] 5抵消锥齿轮摆动的新型液压马达

如图5所示，是新型锥齿轮摆动的液压马达，其中的齿轮2是固定的，齿轮4可自由旋转，这个和原来的固定框架结构是一样的。在那里，我们使用了偏移锥齿轮行星摆动驱动器倒置的原则。新型行星马达功能特点，行星配流马达是低速大扭矩（LSHT ）液压马达发展中的最新型一代产品，行星配流设计提供能内在的改进措施超过其他的低速大扭矩马达的配流形式；因此，结果是体积小，效率高，高压能力高。这些改进在诸如滑动转向装载机，小型挖掘机，控沟机和伐本设备的使用中已明显表现出体积小，性能好的优点。

行星配流马达关键特征：体积非常小；输出扭矩大；提高了效率；可靠的设计和结构；静音、工作平稳；可靠的驱动润滑。可选的特征：SAE 或BSP 油口规格；ISO 或SAE 形式安装；多种输出轴配置等。

1）另一项新设计

轴心可以绕着外端盖旋转

b）简图

图5一种行星锥齿轮驱动的新型液压马达

6新型绞盘液压马的达应用

传统井架车的液压驱动系统是：液压马达驱动减速，然后又一个绞盘机减速器。如表1所示。

另一种液压驱动系统是：轴向活塞马达和内部摆线针轮驱动器的应用，这样的减速器和绞盘合二为一，如表1显示，以便简化系统的传输。在这三种机构中，液压马达的应用，这可以被认为是轴向活塞和行星减速器的液压马达的组合，然后驱动绞盘，以便简化系统传输，如表1所示。偏移摆动的锥齿轮行星传动的新型液压马达：它由液压马达、内部行星锥齿轮减速器和绞盘组成最为紧凑的结构，如表1所示。它能最大限度的节省空间。

摆线液压马达应用领域

1、工程车辆驱动装置。例如滑动转向装载机；小型挖掘机；控沟机；螺旋桨推进器；伐本设备；联合收割机；压路机。

2、石油焊碳、冶金机械。例如：焊矿作业用掘进机械，港道支护机械，井口超车等，石油中油井机械，修井机械等；冶金机械中：高炉开口机械，传输装置等。

3、轻工业、农业、渔业机械。例如：橡树机械、压铸机械，渔船起网机起瞄机械等，各种农业机械驱动和传动装置等。

4、其他领域。例如机床，机械的回转机构。

表1 对比的传输系统

传统：绞盘——减速器——液压马达

应用型液压马达：绞盘——（液压马达+减速器）

应用型摆线针驱动：（绞盘+减速器）——液压马达

应用新型液压马达：（绞盘+减速器+液压马达）

7运动分析

角速度H ω,4ω,4H ω和2H ω的方向平行于固定轴，齿轮3配合在斜轴上。3H ω的方向沿着齿轮2

的锥向方向回转。各个齿轮的角速度在图6上显示出来。从三角形我们可以得到：

34,,H H AC AB ωω==

34,CD BD ωω==

34,H AD BC ωω==

图6 运动分析

由于周边约束对的存在，我们得出：

34

H H ωω=, （4） ABC ACB ∠=∠ （5）

因此：34δδδ==

2CAB πδ∠=- (6)

2BDC δ∠= (7)

()BCD ππδδ∠=--= (8)

22δδδ=- (9)

由于锥齿轮的安装条件可知：

1234δδδδ+=+ （10）

从正弦曲线可以看出，有下列角速度之间的关系：

342sin sin ωωδδπδ=（-）（-）

（11） 32sin sin H ωωδδπδ=（2-）（-2）

(12) 有以下的相对角速度之间的关系：

34

H H ωω= (13) 2H H ωω=- (14)

8效率分析时，载波输出功率

假设在齿轮3上的驱动力矩是3M 。输入功率是：

333N M ω= (16)

在转换时候的输入功率是：

333332cos(2)H H N M M ωωδδ=+- (17)

通过转换后的摩擦损失功率：

30(1)H f N N η=- (18)

该系统的实际效率：

33233

()

cos(2)(1)1H f N N N ωδδηηω---==- （19） 3322H M ωδδ=- （20）

从△ACD 中可以看出：

33sin sin(2)

H ωωδπδ=- （21） 行列式的方法：由于H 是它的扭矩输出轴，所以角速度必定在相反的方向上。H 轴弯矩向右，2轴弯矩向左。因此，我们可以写下转矩平衡方程，功率转换平衡方程和功率平衡方程：

32cos 0H M M M δ-+= (22)

332022cos(2)0H H M M ωδδηωω--= (23)

330H H M M ωηω-= (24)

通过让上述方程的行列式为零。我们可以得到：

2230232

cos cos(2)H H H H ωωδωηδδηωω--= (25) 9分析绞盘的输出效率

因为齿轮4是驱动元件，它的扭矩方向与其角速度的方向相反，弯矩方向向右。因此我们写下力矩平衡方程和功率平衡方程如下：

3242cos 0M M M δ--= (26)

33440M M ωηω-= (27)

在转换的时候，4ω和4M 的方向是相同的，功率是有效功，然而2H ω和2M 的方向是相反的。

因此在转换的时候，功率从齿轮4传递给齿轮3产生功率3H N ，最终在齿轮2上输出，如表2所示。在系统的功率转换平衡方程是：

22340H H H H H M M M ωωηωη-++= (28)

让次方程为零，我们得到：

430223240(cos )()

H H H H ωωηωδηωωωη-=- （29） 10结论

偏移摆动的锥齿轮行星传动的新型液压马达，有液压马达、内部行星锥齿轮减速器及绞盘组成最紧凑的结构。它最大的优点是在空间有限的情况下节省了空间的利用率。