CN1077254A - 多作用变量叶片泵和马达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液压传动机械领域的油泵和油马达， 是一种双作用和多作用变量叶片泵和马达。其特征 是将传统的定子圈解体，定子圈内壁的各条圆弧和曲 线分别由各个块体组成，并放置在对应形状的泵壳内 腔里，固定具有短半径圆弧和过渡曲线的块体，移动 具有长半径圆弧的块体，改变泵和马达的容积，达到 变量的目的。本发明可应用于液压传动汽车的车轮 油马达、液压驱动桥、液压变速箱。本发明同时可广 泛应用于所有需要传动和变速的各个机械领域。

Description

本发明涉及液压传动机械领域的油泵和油马达，是一种双作用和多作用变量叶片泵和马达。

在现有的液压传动机械设备中所使用的双作用或多作用叶片泵和马达，全部是定量的。不可变量限制着该泵和马达的应用范围及液压机械的工作效率。本发明推翻了双作用或多作用叶片泵和马达不能变量的错误论断，填补了双作用和多作用叶片泵和马达只能定量使用的空白，使双作用叶片泵特别是双作用叶片马达和多作用叶片马达的应用范围更广，经济价值更大，使液压传动汽车成为现实。

双作用和多作用变量叶片泵和马达的基本原理是从定量泵的基础上发展而成，其转子、叶片、配油盘基本相同，所不同的是变量泵和马达的定子已经完全解体，定子圈内壁上的圆弧和过渡曲线分别由若干个块体组合而成并放置于对应形状的壳体内腔里，固定具有短半径圆弧和过渡曲线的块体，移动具有长半径圆弧或曲线的块体，改变泵和马达的容积，实现变量的目的。变量泵和马达具有长半径圆弧或曲线的块体的开合移动依靠背压室、随动阀反馈油缸、平衡弹簧或连杆、曲柄、偏心轮和比例电磁铁。

多作用变量叶片泵和马达是在双作用变量叶片泵和马达的基础上发展而成，其基本结构和工作原理完全相同，下面着重叙述双作用变量叶片泵和马达的结构和工作原理。

图1双作用变量叶片泵和马达原理图

图2双作用变量叶片马达随动阀原理图

图3附加丁形叶片原理图

图4四作用变量叶片马达原理图

图5经向尺寸受限制时，双作用变量叶片马达原理图（结构图）

1、滑动块    16、背压室

2、滑动座    17、低压室

3、过渡板    18、主叶片

4、随动阀    19、付叶片

5、缺口    20、转子

6、壳体    21、锚形块

7、阀芯    22、泵壳

8、阀套    23、罗栓孔

9、差压套    24、平衡油道

10、平衡弹簧    25、阀肖

11、月形缺口    26、阀芯卧钩

12、进四油通孔    27、挡板

13、均压通道    28、泄油道

14、高压进油道    29、调节油道

15、低压回油道    30、进油道

定子内壁的4条圆弧和4条过渡曲线分别的位置是：两段长半径R的圆弧分别由左右两边可移动的滑动块（1）构成，两段短半径r的圆弧分别由上下两块滑动座（2）的中间突台构成。4条过渡曲线分别由8块过渡板（3）构成，除了两段长半径的圆弧可随两边滑动块（1）作开合移动，其余的圆弧和过渡曲线装配完毕后便固定不动。过渡板套装在滑动座上，可采用燕尾座连接，见图（5），也可采用肖钉连接，见图（1），或直接与滑动座做成整体（小功率泵做成整体）而成锚形块，见图（4）。过渡板的过渡曲线分别与短半径圆弧r相接，与长半径圆弧R相交如图（1），随着滑动块的开合移动，其交点位置也相对移动，下面分别叙述变量泵每个部件的结构和原理。

一、滑动块（1）

两个带有长半径圆弧和曲面的滑动块（1）置于泵壳（6）里位于转子的两侧，见图（1），其上下端分别以机翼形滑动座（2）贴紧，并能左右移动。滑动块的正面（朝转子的一面）为一圆弧或曲线，滑动块背后的上突出部紧贴在泵壳内壁的台阶上，滑动块背后的下突出部紧贴在下滑动座的一端，上下突出部直接与泵壳组成背压室（16），滑动块的开合移动改变着背压室的容积，上下突出部的边角开有沟槽，见图（2），槽中装有叶片或密封条，用以保证背压室（16）的密封性，下突出部中间部位按装随动阀，及钻有进排油通道。滑动块正面上下尖端部位铣有位置对称的缺口（5）4个，见图（1），两边的滑动块共有8个缺口，分别容纳8块过渡板，为了完善泵或马达的性能，滑动块上还装有某种阀门，图中没画出。在经向尺寸受到限制时，变量马达的滑动块下突出部可以去掉，见图（5），此时，滑动块将出现静压平衡，必须通过滑动块上下端面的沟槽设计来达到部分平衡，以减少端面的静摩擦和动摩擦。

二、滑动座（2）

滑动座可以是机翼形，见图（1），也可以是平底形，本实例采用机翼形结构，滑动座底面形状与泵壳体积有关，与泵的性能无关，滑动座的中间上部为一突台，突台表面为一圆弧凹面。此圆弧便是常规的变量泵定子上的短半径圆弧，圆弧的半径略大于转子的半径，并和该泵的转子同心，其弧长决定该泵转子上的叶片数，变量泵的主付叶片越多，此弧长越短，叶片越少，弧长越长。弧长在两个叶片的夹角之间，以能满足高低压腔的密封为宜，见图（3）。若与带有燕尾座的过渡板配合，滑动座突台两侧应铣有燕尾槽，见图（5），若与带有肖孔的过渡板配合，滑动座突台两侧各铣有2个缺口，并装有固定肖（此时，过渡板应钻有肖孔），见图（1）（肖没画出），图（1）的机翼形滑动座两边翼底下装有调整垫片，用以调整滑动座和滑动块摩擦面的间隙，以利于背压室的密封度。

三、过渡板（3）

变量泵转子上的叶片从长半径圆弧到短半径圆弧的滑动要经过具有一定曲面的过渡曲线板，过渡板用肖子或燕尾座套装在滑动座上，为活动装配式，磨损后可更换，过渡板曲面上的一端与相邻的滑动座突台上的短半径相接，曲面的另一端与相邻的滑动块上的长半径圆弧（或曲线）相交，其交点随滑动块的移动而变动，有了过渡板，叶片便能从长半径圆弧（或曲线）平滑地过渡到短半径圆弧上来，过渡板上曲面的形状和长短决定着叶片滑动性能的优劣，设计优良的曲面能使叶片经过交点时的冲击降到最低限度，采用配流槽法平衡叶片根部的压力能使叶片平滑过渡，有效减少过渡曲面的磨损。这一点在四作用变量马达中尤其重要，实际上在常规的定量叶片泵中，其压油腔过渡曲面的磨损要比进油腔过渡曲面的磨损严重，这种现象与专家理论正好相反，这大概是叶片泵压油腔受到液压卡紧力的作用的缘故，液压卡紧力使叶片紧压在定子的过渡曲面上，叶片的缩回受到严重的阻碍，因而导至过渡曲面和转子槽壁的磨损，影响叶片泵的寿命，本发明应用过渡板将叶片在过渡区域架空起来，基本避免了新旧叶片的液压卡紧力，本发明同时采用最新的叶片根部平衡方法，此方法可以克服叶片的高速离心力、惯性力及液压卡紧力，使叶片在进油区和压油区对过渡曲线的摩擦力减少到零。

四、随动阀（4）

控制滑动块的开合移动有多种方法，本说明书只对随动阀式控制方法的结构和原理作着重说明：

随动阀装在滑动块背后下突出部的圆孔里，其阀体用罗套压紧，阀芯被弹簧组顶住，见图（2），阀体由一个阀套（8）和两个差压套（9）叠加而成，作为液压马达使用，阀套（8）只是一个圆筒体，作为变量泵使用，阀套（8）内壁上铣有缺口，而阀芯（7）上的缺口较短，也就是说变量泵和变量马达的随动阀不能通用，其差别只在于进油缺口（1）位置的互换，另外变量马达使用的是压簧（可以是单条压簧或两条以上的弹簧组），变量泵可用拉簧，也可以用压簧，若用压簧须配一个弹簧外套，此套固定在壳体（6）上，且可以调节，弹簧装在套中，阀芯的一端加长，从套及压簧中穿过，并用卡片和簧座压住弹簧，此构造与发动机汽门和汽门弹簧的连接相似，变量泵和变量马达工作时滑动块的开合移动是相反的，因此要求随动阀的平衡弹簧作用力方向相反，弹簧外套正是起了变压簧为拉簧的作用。

变量泵和变量马达的随动阀结构相似，原理相反。本说明书只叙述图（2）中变量马达随动阀的工作原理：

高压油由高压油道（14）经过左边差动套上的进油孔进入差动套内的环形腔内，由于右边差动套（9）的环形腔通向低压室（通向出油口），此时便有一个环形压力差作用在阀芯（7）的左端，使阀芯向右移动，压缩平衡弹簧（10），阀芯向右移动适当位置，阀芯上的两个月形缺口（11便与右边的低压环形槽相通，此时背压室（16）里的油液经过阀芯（7）中的均压连通孔（13）进回油通孔（12）、月形缺口（11）、右环形腔、低压回油道（15）、低压室（17）直至回油管。背压室（16）的油液一旦减少，滑动块（1）在正面压力作用下迅速外移（向右移动），滑动块带动阀套（8）右移达到一定位置，阀芯（7）上的两个月形缺口被遮住，此时，背压室（16）被封闭，滑动块停留在新的位置上，液压马达负荷越重，反映在进油道（14）里的压力越高，左环形腔给阀芯（7）和压簧（10）的作用力越大，滑动块右移的位置也越大，马达的驱动扭矩即随排量和压力的增大而快速提高，反之负荷减轻，油压降低，阀芯（7）在平衡弹簧的作用下左移，压力油经过左环形腔、阀芯月形缺口（11）、进回油道（12）、均压油道（13）进入背压室（16）。此时，滑动块（1）左移，马达排量减少，转速提高。变量泵的动作完全相反;压力升高，背压室进油，滑动块左移，泵排量减少，压力降低，背压室回油，滑动块右移，泵排量加大。在泵和马达的壳体上都装有调整罗栓（图中无画出），用以调整随动阀的平衡弹簧，使左右两边的滑动块的开合移动基本达到同步，并能调整泵和马达在一条固定的特性曲线上。

下面是其它工况下变量马达的运行原理。

A、倒转

作为液压马达，大多是需要倒转的，图（1）中作为马达可以倒转，但倒转是不能变量的，其原理见图（2），马达倒转时，原回油口变成进油口，低压回油道（15）换成高压进油道，随动阀的右边环形腔受压，阀芯在液压力和平衡弹簧压力下向左移动，阀芯上的月形缺口（11）与油道（14）沟通。此时，背压室（16）的油液在滑动块（1）的正压作用下全部流入回油道，滑动块（1）处在最大右移位置，马达排量最大，扭矩也最大，但转速最慢，倒转不要求变速的马达在很多场合下是适用的，特别是液压传动汽车的车轮马达、液压驱动桥或者液压变速箱最为适用，在倒转须要脱空（自由轮状态）的工程起重机械或船舶甲板机械中，此类马达也能胜任，在倒车要求变速的机械设备可使用图（4）的四作用油马达。

B、滑行

作为车轮液压马达是需要滑行的，因为滑行能节约很多燃料。图（1）、图（4）、图（5）所示的油马达均能做到这一点，无论进转或倒转，只要滑动块正面受压减少到一定程度，装在滑动块背后的回位弹簧（附图没画出）和平衡弹簧有足够的推力将滑动块推向转子方向，使马达处于最少排量位置，即基本处于自由轮状态。

C、倒转变速

适当改变背压室（16）的尺寸和位置，见图（4），便能实现液压马达的倒转变量，但会产生滑动块的静压不平衡，加剧各摩擦面的磨损，如果在这些摩擦面上加针轴承，势必增加马达构造的复杂性，并且破坏背压室的密封性，因此除多作用低速大扭矩油马达外，双作用马达最好不要倒转变量，在固定液压设备上可以采用倒转齿轮（机械换向）。

D、制动

只要叶片马达的壳体、转子、叶片、驱动轴的刚度、强度设计合理，本发明的马达完全可以直接用来制动，采用关闭进回油阀的方法，使汽车或机械设备迅速停止运转，无论进车或倒车，制动时均通过装在马达上的控制阀关闭进油道或回油道，马达内腔形成的高压将达到最大常压的2～3倍，制动时马达会自动处于最大排量位置。

五、丁字形叶片（19）

叶片泵或叶片马达其转子上的叶片越多，流量或扭矩越均、性能越好，但叶片多了，转子及叶片本身的强度就成了问题，作为要求带制动停车的叶片马达，这个问题尤其突出，其办法只能是加厚叶片并减少片数，以及提高材质，因这三个办法的应用均受到一定限制，所以本发明采取增加付叶片的办法，在液压马达中增加了付叶片其主叶片可以减少，这样可达到既加厚主叶片，又不减弱转子强度的目的，增加了付叶片，滑动座上的短半径圆弧可以缩短，对于多作用叶片马达特别重要，对于叶片根部应用配流槽平衡法相当有利。丁字形叶片***转子上的沟槽里，其丁字头夹在沟槽圆孔中，只能作少量的经向移动，丁字头保证叶片高速旋转时不被摔出沟槽。

六、多作用变量叶片马达

根据双作用变量叶片泵和马达的结构原理可直接制成多作用变量叶片泵和马达。其实用价值较大的是多作用变量叶片马达。图（4）是四作用变量叶片马达结构原理图，应用主付叶片结构，主叶片（18）起密封和产生转矩作用，付叶片（19）只起密封和隔离高低压腔的作用，过渡板（3）和短半径圆弧制成整体成为锚形块（21），锚形块嵌入壳体（22）的沟槽里，便固定不动，滑动块（1）直接和壳体的宽槽组成背压室（16），宽槽应有一定深度比例，否则滑动块容易卡死。4个随动阀（4）分别装在4个滑动块（1）的里面。随动阀可以是一旋转阀，也可以是滑动阀，通过马达端盖上的连杆、油缸、弹簧机构达到同步调整。

原理综述

迄今为止，任何一本液压书籍，任何一个液压界的专家、学者，都是同一个结论：“双作用叶片泵和马达不能变量”。在1989年9月27日的实用新型公告了一种名为“双作用变量叶片泵”的专利申请，其结构是由两个单作用变量叶片泵组合而成，实质上只能称为双联单作用变量叶片泵。本发明以液压传动汽车为目标，以双作用变量叶片马达为出发点，首先把传统的双作用定量叶片马达的定子解体，把定子的内曲线分解成若干个块体，固定其短半径圆弧和过渡曲线，移动其长半径圆弧以达到变量的目的，这是本发明的主要特征之一。附有长半径圆弧或曲线的块体，必须建立背压室，这是特征之二。外作用力或内作用力使两个长半径圆弧的块体作开合移动，这是特征之三。具体理论分析如下：

一、定子圈的分解：

双作用变量泵定子圈内壁的4条过渡曲线至少可分解成4个块体：分别是长半径圆弧的块体2个，短半径圆弧包括过渡曲线的块体2个。如果把过渡曲线的块体从短半径圆弧块体上再分割开，则块体总数又增加了4个，总共为8个。如果每条过渡曲线分别由两块过渡板担任，则4条过渡曲线由8块过渡板担任，此时双作用叶片泵定子圈分成的块体共有12个，图（1）、图（5）便是此种结构，图（4）是四作用变量叶片马达结构图，在该结构中，短半径圆弧的块体和4个过渡板做成整体，有利于加工、装配，且简化构造。变量泵定子圈分解成块体的多少，与加工工艺有关，与泵的参数无关。

二、背压室的形式

A、由滑动块的背后突出体直接与泵的壳体内壁组成背压室，此种方法结构简单，制造容易，背压室液压力直接作用在滑动块上，背压室可以是开式，也可以是闭式，应用开式的背压室，滑动块正面与背面的作用力面积的平均值基本相同，背压室与正面压力腔有阻尼孔连通。此结构背压室不要求密封。应用闭式背压室要求高度密封，背压室油液的进出只经过随动阀或其它控制阀，并且背压面积比正压面积大很多。

B、根据变量泵转子轴向和经向尺寸比例的大小，应用圆形或方形活塞与泵壳组成背压室，活塞的压力先作用在托铁上，再由托铁传给滑动块，由托铁和活塞承担静压不平衡，托铁和活塞可以做成整体，也可以分开，这种结构可以做成双向变量的双作用油马达，其缺点是经向尺寸较大，总体重量和体积都较大。

三、控制方式

双作用和多作用变量叶片泵及马达依靠滑动块的开合移动，达到变量的目的，滑动块开合移动的作用力来自下面几种形式：

A、手动机械控制式

此种方式中，手的作用力通过连杆、杠杆、油臂或偏心轮推动滑动块作开合移动，滑动块的开合移动具有同步作用。

B、自动油缸、机械控制式

此方式由单个油缸配以平衡弹簧，通过杠杆、曲臂或偏心轮推动各个滑动块作开合移动，***的压力通过油缸和弹簧取得平衡，各滑动块的开合移动具有同步作用。

C、压差弹簧控制式

滑动块正面与背面的受力面积差决定着压力差，此压力差和平衡弹簧的压缩程度，决定着滑动块的开合位置，也就是决定着泵或马达的排量，把滑动块的背压受力面积和正压受力面积做成一定的差值，加上平衡弹簧的调节可以控制泵及马达在特定的功率曲线上，此方法最为简单，但受转速范围的严格限制，适用于与恒定转速的电动机配套，因高低转速时叶片的离心力差别很大，面积差是固定的，弹簧组的弹力也是固定的，强大的离心力将对滑动块产生额外的推力，使泵及马达偏离原定的功率曲线，造成失控。

D、随动阀控制式

随动阀的控制方式有两种，第一种是外作用力控制式，采用手动、离心、真空、比例电磁铁、反馈油缸等多种方式控制随动阀的移动，此种方式各阀的移动容易达到同步，第二种是内作用力控制式，采用泵或马达自身的压力，在随动阀上造成的压力差，带动随动阀移动，通过调节平衡弹簧可基本达到滑动块的同步移动，见图（2）。随动阀可装在滑动块上，也可装在壳体上，应用随动阀、背压室的密封要求较严格，否则会造成内漏，降低容积效率。应用随动阀，泵及马达高速旋转时叶片所产生的强大离心力对于滑动块的开合移动的影响甚微;足够大的背压将使泵变量自由特性稳定。

和单作用变量叶片泵同样，双作用和多作用变量叶片泵和马达的特性曲线仍然可根据要求设计成压力控制、流量控制、功率控制、转速控制等多种控制形式。原来应用单作用变量泵和双作用定量泵的设备、机械、车辆等，全部可由双作用变量叶片泵代替。双作用和多作用变量叶片马达的诞生，无疑地使液压传动汽车成为现实。由于此马达的变速范围和低速扭矩都较大，并且结构简单耐用，制造容易，因此，它的应用范围极为广泛，在液压传动车辆上，既可作为全轮驱动的车轮马达，也可双联组成液压驱动桥，或与变量泵组成液压变速箱，在轻型车或摩托车上可直接与定量的叶片泵、齿轮泵、柱塞泵配套，本发明在汽车上的应用可取消原来的离合箱、变速箱、传动轴和驱动桥，以及原来的全部制动***，甚至连传统的转向机构也可取消，使车辆的结构变得简单、耐用、安全可靠。本发明同时可广泛使用于所有需要传动和变速的各个机械领域。

Claims (5)

1、一种双作用和多作用变量叶片泵和马达，其特征是泵和马达定子圈内壁上的圆弧和过渡曲线分别由若干个块体组合而成并放置于对应形状的壳体内腔里，固定具有短半径圆弧和过渡曲线的块体，移动具有长半径圆弧或曲线的块体。

2、根据权利要求（1）所述，其特征在于：泵和马达具有长半径圆弧或曲线的块体的开合移动依靠背压室、随动阀反馈油缸、平衡弹簧或连杆、曲柄、偏心轮和比例电磁铁。

3、根据权利要求（1）和权利要求（2）所述，其特征在于：泵和马达具有长半径圆弧或曲线的块体背后或背后突出部直接与壳体内壁组成背后室。

4、根据权利要求（1）和权利要求（2）所述，其特征在于：泵和马达具有长半径圆弧或曲线的块体的背压室或由方形活塞或圆形活塞与壳体组成。

5、根据权利要求（1）所述，其特征在于：泵和马达的转子上装有丁字形付叶片。

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