改进型齿轮式液压装置

摘要

本发明提供一种改进型齿轮式液压装置，包含一对啮合齿轮，被安装在一壳体内入口侧与出口侧之间，可以朝相反方向转动，用于在使用中形成相对齿轮旋转轴基本为横向流动的流体。啮合齿轮在其相对旋转中在相应的配合齿之间形成渐进啮合构形。在至少一个所述渐进啮合构形中，在齿轮的至少一个横截面内，在相应流体圈闭齿之间至少可形成一个封闭区域。所述封闭区域会减小，直至其在上述相应配合齿之间独立的渐进啮合构形处基本消失，而出现在至少另外一个独立的渐进啮合构形处。

说明书

技术领域

本发明涉及一种改进型齿轮式液压装置。本发明的开发已特别参照齿轮式回转正排量泵，在本说明后续部分将对其进行专门的引用，但本发明的原理也可按完全相同的方式应用于齿轮式液压马达，因此这种应用也应被视为属于本发明适用范围。

背景技术

齿轮式回转正排量泵通常由两个齿轮组成，多数情况下为直齿轮类型，其中一个称为主动齿轮，连接至一个主动轴，以旋转来驱动被称为从动齿轮的另一个齿轮。在上述通常采用渐开线齿廓的常规齿轮泵中产生的一个特定缺点是，被泵吸的流体将被密封，即圈闭和压缩，或总是承受啮合区内齿廓之间封闭空间容积的变化，由此会产生有害且不可控的局部应力峰值，这是导致直接运行噪声的原因。完全作为示例给出的图1以横截面图示意性示出了一个常规类型的齿轮式液压装置的两个齿轮(即齿轮1和2)在一特定角位置的啮合区，在所述角位置下，相应啮合齿3和4的构形将必然会形成流体被圈闭其中的封闭区域5和6。从图中很容易看出，刚刚在齿轮1和2的反向旋转中形成的封闭区域5将逐渐缩减至区域6的尺寸，随后再次扩大，直至齿轮的旋转导致其轮齿在封闭区域5的相对侧相互分离，由此中断对流体的圈闭。

除以上所示的直接运行噪声之外，已经知道在流体输送中还存在因不规则现象或“纹波”所引发的问题，这将必然伴随有与用户回路内的流量脉动相关、由此也与其压力脉动相关的间接运行噪声，称为纹波噪声。换言之，流体流量的振荡将产生一脉动波，该脉动波通过流体本身传递至周围环境中，特别是泵壁、管道系统和输送管。在上述各方面与振荡或纹波频率共振的情况下，所引发的噪声也可能达到不可预测的水平。一系列研究和实验已经表明，所述振荡在本质上系由上述泵的转子或齿轮的构形所致，所述构形在其各连续啮合阶段中会对导致流体从输入输送到输出的容量变化出现中断。换言之，纹波由所述容积相对时间或相对转子的相对角位置变化的中断而造成。上述现象在以下文章中有清晰而完整的说明：MORSELLI Mario Antonio，“Mechanical and hydraulicnoise in geared pumps”(齿轮泵内的机械和液压噪声)，Oleodinamica Pneumatica，2005年1月，54-59页，以及2005年2月，42-46页，另外见于Fluides & Transmissions(《流体和传动》)，第75期，2005年4月，34-37页和77期，2005年5月，20-26页。

已经知道一些解决方案已或多或少地成功解决了以上所示问题。

这些解决方案中的一些涉及采用常规齿廓的泵，即齿面廓形多数但并不一定为渐开线型，直齿轮类型或较少采用的斜齿轮类型，有齿隙(即一个齿轮的一个齿与另一齿轮的一个对应齿单独接触)或理论上无齿隙(即采用两齿齿面理论上总是处于啮合中的双接触，如Bosch Rexroth AG的SILENCE泵，或Casappa S.p.A.的WHISPER泵)。在这些解决方案中，轮齿间被圈闭的流体至少会被部分“释放”，即被排出，排放的通道为位于齿轮的横向台座或称为支座或衬套的表面上即面向平直横向齿轮端部、使得可以将向适当的相应高压或低压出入口或闸门排出(或吸入)体积压缩流体的壁上所提供的合适的根切或凹穴或导管。

然而当希望生产斜齿轮以减小纹波噪声问题时，在横向台座表面上配备凹穴将变得复杂得多。此外，采用斜齿轮在本质上会产生一系列附加问题，因为在这种情况下，如果不采取特殊的策略，每一流体圈闭区的容积也会像齿轮的轮齿一样在整个齿轮宽度的蜗杆状螺旋道上延伸，由此在入口与出口之间形成潜在的通路或旁路。换言之，图1中处于图纸平面内的区域5和6被清晰地“圈闭”在两个齿轮即齿轮1和2的廓线之间，在斜齿轮在空间中螺旋运动的情况下：采用大螺旋角时，泵的高压区会被连接至低压区。在实践中，或者要遵守齿轮螺旋角较小的要求，或者要采用从构造角度将非常复杂且昂贵的解决方案，例如在Brown David Hydraulics Ltd.的EP-0769104文献中所述，其中齿轮在其每一个横截面内均至少有两个齿同时处于啮合中。而所述解决方案非常复杂，且本质上并不十分有效，因为其在开发时所基于的概念更接近于数学抽象而非实用且技术上可行的可能性；在实践中，所述凹穴的几何形状总归不能达到完全令人满意的折衷效果。

总之，所有已知的在横向台座上采用排放凹穴的泵解决方案，不管是采用直齿轮还是斜齿轮类型，单接触还是双接触，均还会有一个可能变化但不能被排尽的残余圈闭容量，由此除了形成显著且有害的纹波之外，还会产生一定的残余噪声。

针对上述直接和间接噪声问题的其他已知解决方案涉及采用非常规齿廓的泵，所述齿廓可被定义为“采用连续接触”，这样不会在齿顶与齿根之间圈闭流体。在实践中，相互啮合的齿轮齿廓在齿顶处具有圆形外观，且理论上为单点接触，该接触点从齿轮的一个齿面连续移动至另一齿面，其移动方式将使得在整个齿轮宽度上的啮合期间从不会形成任何流体圈闭的封闭区域。这一原理在文献US-2159744、US-3164099、US-3209611中以宽泛的术语进行了非常概括性的理论说明，然而却从没有任何实际的应用。在与本申请相同的发明人和联合申请人的文献EP-A-1132618、EP-B-1371848、US-6769891以及上述技术论文中已对所述原理进行了全面的展开和说明，且已在Settima FlowMechanisms公司的的泵中获得了实际应用。本发明人所开发的轮齿类型在泵的入口与出口之间没有旁路，流体脉动最小，且啮合相当安静。最后这种解决方案尽管在安静程度方面已被证明显著优越于常规泵，然而相比存在流体圈闭的已知的泵解决方案，却存在定容输出稍低的缺点。其主要原因在于，可采用依“无密封”概念设计的齿廓所形成的适度齿高，以及由此在相同齿数条件下实现的与之对应的适度的每单位容积有效流量。为了获得与有密封的泵相当的有效单位流量，可以采用较少数量的轮齿，但这样必然会因高压出口与低压入口之间密封缩减而造成更大的容积损失，因为轮齿还会起迷宫式密封的作用。

在计划让液压装置以高压力差运行的情况下，例如齿轮泵在压力差超过几十bar甚至超过80-100bar时，上述所有问题将更为严重。

发明内容

因此本发明的一个目的是提供一种补救现有技术缺点的齿轮式液压装置，特别是相比有流体密封的常规装置要显著降低噪声，基本接近无密封装置的安静程度，同时要实现比所述其他装置更好的定容输出，且所有这些都不能使生产的成本和/或复杂度比商业上已得到更广泛应用的解决方案有显著的增加。本发明的另一个目的是提供一种齿轮式液压装置：具有良好的密封特性，生产和维护简单且经济，且即使在高要求应用场合也可长时间保持非常可靠，特别是要求在高压力差下实现高性能的场合。

为实现上述目的，本发明的主旨是一种改进型齿轮式液压装置，包含一对啮合齿轮，安装在一壳体内入口侧与出口侧之间，可以相互旋转，用于在使用中形成相对齿轮旋转轴基本为横向流动的流体。啮合齿轮在其相对旋转中在相应的配合齿之间形成渐进啮合构形，在至少一个所述渐进啮合构形中，在齿轮的至少一个横截面内，相应齿之间至少可形成一个封闭的流体圈闭区，所述封闭圈闭区逐渐减小，直至其在前述相应配合齿之间至少另一个独立的渐进啮合构形处基本消失。

根据本发明的一个具体方面，齿轮式液压装置是一台齿轮式回转正排量泵。在一台这种类型的泵中，发生流体密封的可能性使得可以采用比同样由本发明人所开发的采用现有技术的连续接触型解决方案更高的轮齿比例，由此改善其输出。

根据本发明的另一个具体方面，齿轮式液压装置为液压马达。

在一种具体实施方式中，齿轮为斜齿轮。在此情况下，甚至可以采用明显的螺旋角，而不会有入口与出口之间(具体对于正排量泵而言，即输入与输出之间)发生旁路的风险。斜齿可以最大限度降低因啮合产生的噪声，啮合噪声则是纵切齿廓的特性，因为在齿轮的配合齿之间接触点由一对轮齿到另一对的过程并非逐渐进行。斜齿还可以最大限度降低流体的输出脉动，由此使纹波噪声将至最低。斜齿的重叠度优选为等于或接近于1。

本发明的液压装置可以在齿轮的横向台座或支座或衬套的表面上配以根切或凹穴或导管，其布置方式旨在与上述啮合构形在齿轮端部横截面内形成的封闭流体圈闭区连通，以便向相应的高压或低压侧、出入口或闸门排出被圈闭流体。所述排放凹穴的尺寸选择既简单又优化，因为啮合构形中入口侧与出口侧之间的旁路被轮齿本身所阻塞，封闭的流体圈闭区基本被缩减为零，一个齿轮的齿顶与另一齿轮的齿底之间基本上没有间隙。

显然，在此“无间隙”应理解为可确保流体密封功能的实现，但并不排除在齿轮之间可能存在一定的“运行”间隙，以适于确保正确的机械功能。

在具体实施方式中，本发明的液压装置将配有多个轮齿，轮齿数目优选范围为5至15，更优选为5至14，更优选为5至13，更优选为6至12，更优选为6至11，更优选为6至10，更优选为6至9，更优选为7至9，最优选齿数等于8。

在具体实施方式中，本发明的液压装置的齿宽与节径幅度比将优选为0.5至2，更优选为0.6至1.7，更优选为0.7至1.5，更优选为0.8至1.3，更优选为0.85至1.2，更优选为0.9至1.1，而最优选则为接近1。

附图说明

从以下参照附图给出的详细说明可以清晰地了解本发明的其他特性和优势，所给出的附图仅作为非限制性的示例，其中：

-图1已在本说明书的前文中被讨论，其示出了现有技术中泵的齿轮的啮合齿齿廓，其中包括任何啮合构形中的流体密封；

-图2以透视图示出根据本发明的一种正排量泵的一对啮合齿轮，其被安装在一横向支承和台座衬套上，可以转动；

-图3以透视图、放大比例方式示出图2中的横向支承和台座衬套；

-图4为图2中的齿轮对在第一啮合角位置的一个横截面图；

-图5是一个与图4类似的截面图，示出处于第二啮合角位置的所述齿轮对；

-图6以部分透明透视图示出根据本发明的两个啮合齿轮，其中显示出作为输入与输出间密封的共轭齿廓的接触区，以及一定量的流体被圈闭其中的两个相互隔离的凹穴区；以及

-图7以部分透明透视图示出根据一种完全无密封的现有技术解决方案的两个啮合齿轮，所述解决方案以同属本发明人的专利EP 1132618、EP 1371848、US 6769891中的教导为依据。

具体实施方式

尽管以下讨论是参照泵给出，相同的推理和考虑事项也可适用于类似的液压马达。

参见图2，一种横流式回转正排量泵，包括第一和第二齿轮或转子10、11。第一齿轮10一体化连接至主动轴12，或通过业界通晓的一种固定形式连接至主动轴12，当泵处于应用中时，主动轴12将从驱动件(未示出)接收运动。第二齿轮11与第一齿轮啮合，在使用中，由第一齿轮驱动而转动。齿轮10与11均配有像主动轴12一样以密封方式安装在台座或衬套15上以实现旋转的柱脚或轴13、14a、14b，为了图示清晰起见，图2中仅示出其中之一。如回转泵领域为人所熟知的，齿轮10、11被密封于一个配有用于输送被泵送流体的输入口和输出口的壳体(未示出)中。

流体以相对齿轮旋转轴基本为横向的方向由一个口被输送至另一个口(取决于所使用的是泵还是液压马达)。

齿轮10、11中每一个均有一系列廓形相同的外围轮齿16a、16b，在考虑螺旋角的条件下，其数目应使从动齿轮11由主动齿轮10的啮合和带动在任何角位置均可得到保证。轮齿数范围将优选为5至15，更优选为5至14，更优选为5至13，更优选为6至12，更优选为6至11，更优选为6至10，更优选为6至9，更优选为7至9，而每一齿轮的最优选齿数等于8。

轮齿16a、16b在每一齿轮10、11的整个高度上以螺旋形延伸，其齿面重叠度基本等于或接近1，换言之，即两相邻轮齿之间的轴向节距等于或接近于齿轮在转轴方向的高度。由于这种构形，一轮齿16a或16b在齿轮10、11的端面17a、17b上的横向廓形与一相邻轮齿16a、16b在相应齿轮10、11的另一端面18a、18b上的横向廓形被基本对齐(沿平行于齿轮自身旋转轴线的方向)。

本发明的泵的齿宽(face width)与节径(pitch diameter)幅度比将优选为0.5至2，更优选为0.6至1.7，更优选为0.7至1.5，更优选为0.8至1.3，更优选为0.85至1.2，更优选为0.9至1.1，而最优选则为接近1。

在齿轮10、11的每一个横向支承和台座衬套15上均配有根切或凹穴或导管19、20(另见图3)，根切或凹穴或导管19、20分别引向泵的输出侧和输入侧，并与齿轮10、11的轮齿之间的流体圈闭区连通(将在下文中讨论)，以使轮齿之间被圈闭的流体逐渐且均匀地从所述圈闭区中排出。在图3中很容易看出，横向衬套15的两个根切19、20由密封区21隔开，齿轮10、11的啮合齿16a、16b在密封区21上以密封方式滑动。如下文将要更明确介绍的，所述密封区在齿轮10、11的轮齿16a、16b之间的一个啮合角位置时完全没有流体的圈闭或密封。

图4和5示出在相对齿轮10、11的旋转轴的横截面内，在齿轮按箭头R方向的转动中轮齿16a、16b在相继两个啮合瞬间所处的位置。齿轮10的一个轮齿16a′与齿轮11的相应轮齿16b′啮合，其前齿面22a′与相应轮齿16b′的后齿面23b′接触，推动后者转动。齿轮11的转动使轮齿16a′的后齿面23a′与同轮齿16b′在角度上相邻的轮齿16″的前齿面22b″接触。很明显，在这种情况下，齿轮10的轮齿16a′顶部与齿轮11的轮齿16b′与16b″间的齿槽底面之间将形成封闭区域25，将有一定量的流体被圈闭在其内。在齿轮10、11按箭头R的转动中，齿顶和齿底区处有倒圆的轮齿16a、16b构形将使封闭区域25逐渐减小，直至其在大约图5所示的齿轮10、11的后续角位置时消失。在所述构形中，除加工公差和运行间隙之外，齿轮10的轮齿16a′齿顶将与齿轮11的轮齿16b′与16b″间的齿槽底面发生实质性的配合，使流体密封区基本消除，并在整个齿轮宽度上形成位于输出与输入之间的密封区。

在齿轮宽度上被圈闭在轮齿16a′与16b′之间封闭区域25(和在图5之后的啮合角位置下在轮齿16a′与16b″之间形成的相应封闭区域，以及其类似区域)内的流体可以被有效排放至台座或衬套15的根切19(及20)内，而不在泵的输出与输入区之间形成任何旁路，这要归功于由齿轮在轮齿齿顶与齿根之间的齿廓的配合构形所实现的密封。以同样的方式，在两组轮齿间形成流体圈闭区的可能性允许按比例配合，其中轮齿可能要高于连续接触、无密封的已知齿形的轮齿，使得能够比后者的泵使用更多的轮齿，由此在输出方面实现改进。

在实践中，齿轮10和11的齿廓可通过实验或分析方法加以确定。在本发明的优选实施方式中，横向啮合比小于1，更优选但非限制地，横向啮合比是在0.55至0.80之间。

本发明在输入与输出间压力差高于几十bar、更特定情况下高于50bar左右、甚至更特定情况下高于约80-100bar的条件下使用时特别有利。

自然地，在本发明原理保持相同的情况下，实施方式的形式和生产的细节可能与所介绍和例示的内容有广泛的不同，但并不因此而超出本发明的保护范围。