等应力滚道径向球面活塞液压马达的制作方法

专利名称：等应力滚道径向球面活塞液压马达的制作方法
技术领域：
本发明涉及内曲线径向柱塞钢球或滚子液压马达或泵的改进。
内曲线径向柱塞液压马达是一种低速大转矩液压马达，它具有结构紧凑，输出转矩脉动小，起动效率高，低速稳定性好等优点。它与高速高压变量柱塞泵可以组成静压传动系统。它可以省去传动系统中的减速装置，实现直接驱动，使整机结构简化;它可实现无级变速，方便操作;它可改善传动系与内燃机的匹配，节约燃油消耗;它便于实现产品的系列化，组成多种变形机种，开拓更广泛的市场。从发展趋势看，静压传动可能在非常广阔的机械领域内，去取代机械传动、液力传动和电力传动。
当前，阻碍内曲线径向柱塞液压马达在静压传动系统中广泛应用的主要原因是它在压力高，负载重，运行时间长的机器上的工作寿命达不到要求。
研究表明，内曲线径向柱塞液压马达的工作寿命L10取决于滚动元件与滚道之间的接触应力σo值，以及该应力的循环作用次数nZ，即L10∝ 1/(nzσ010) (1)
式中Z-液压马达的单排柱塞数;
n-液压马达的转速。
由此我们提出液压马达优化设计的目标函数是Zσ10→最小;(2)显然可见，起决定性作用的是σo值，因为工作寿命与σo值的10次方成反比。
接触应力σo的数值可以按照赫兹公式计算σo＝ (3N)/(2πab) (3)
式中N-法向作用力;
a-接触面椭圆长半轴长度;
b-接触面椭圆短半轴长度;
μ1、μ2-滚动元件、滚道材料的泊松比;
E1、E2-滚动元件、滚道材料的弹性模量ξ、η-椭圆积分函数，其值取决于滚动元件和滚道的主曲率ρ11、ρ12及ρ21，ρ22
Σρ-滚动元件及滚道在纵、横两断面里的主曲率之和Σρ＝ρ11+ρ12+ρ21+ρ22(6)在接触椭圆里面，接触应力σ的分布呈半椭圆球体σ= (3N)/(πab) (1-( (x)/(a) )2-( (y)/(b) )2)1/2(7)由此可见，滚动元件与滚道环的接触，是一个立体的问题，在滚道环各个位置上的接触应力σo，它不仅取决于滚道环在纵向剖面里的滚道曲线形状，同时也取决于滚道环横向剖面滚道槽的轮廓曲线形状。
现有内曲线径向柱塞液压马达的滚道曲线有的是按照几何学的观点设计的，如可以用简单的偏心轮靠模加工的余弦摆线。这种液压马达运转中，当配流器使柱塞腔从与进油管道相通，转换到与回油管道相通时，必定有短暂的柱塞腔油路闭死过程。此时，若滚道仍迫使柱塞位移，将挤压腔中油液，使压力及滚动元件与滚道之间接触应力骤然升高，引起噪声，破坏滚道。这种液压马达的输出转矩有较大脉动。液压马达滚道上接触应力分布不均，在局部位置有较高的峰值，限制了液压马达的工作寿命。
现有内曲线径向柱塞液压马达广泛采用的是按照运动学观点设计的等加速度滚道曲线。这种滚道曲线是根据给定柱塞一滚动元件副的相对运动学规律即零速度-等加速度-等速度-等减速度-零速度运动规律。对这种柱塞-滚动元件副的加速度变化曲线，作一次和二次积分运算，即可求得它的速度，以及位移变化曲线。这种滚道曲线上设置了零速区段，当柱塞腔油路闭死时，柱塞副不发生位移，避免了“困油”引起的高压和噪声。适当分配零速、等加速、等速、等减速等区段的幅角，可以使各柱塞相对速度之和保持恒定，理论上可以消除液压马达输出转矩的脉动，但是，计算中由于没有计及柱塞与缸孔间摩擦力的影响，实际上转矩脉动未能完全消除。这种液压马达的滚道上，接触应力值分布仍是不均匀的，应力峰值部位首先破坏，限制了它的工作寿命。
现有内曲线径向柱塞液压马达在正、反转两个方向上的滚道曲线是对称的，具有相同的接触疲劳强度。这种液压马达用于单方向旋转，或者一个方向载荷重，另一方向载荷轻的场合时，液压马达的工作寿命是由载荷重，工作时间长的这个方向的滚道强度所决定的，因此，整台马达相当于只有“半个”马达发挥了作用。
一般径向柱塞-钢球液压马达滚道槽的横剖面曲线，常采用与钢球一点接触的圆弧曲线，圆弧的曲率半径略大于钢球半径。
一般径向柱塞-滚子液压马达滚道环的横剖面母线是直线。它与圆柱形滚子理论上呈线接触，使接触应力值降低，工作寿命提高。但是，由于零部件加工误差，变形和配合间隙等原因，滚子与滚道面的两根母线不能保持平行。实际上往往仍然是点接触，接触应力值相当高。与此同时，滚子稍有倾斜，就有侧向滚动趋势，使滚子端面与侧板之间产生较大摩擦力，阻止滚子滚动，使滚子与滚道的接触面内产生局部滑移，引起磨损。
现有内曲线径向柱塞液压马达的柱塞及缸孔均呈圆柱形，柱塞相对缸孔只能沿其中心线方向移动，不能有相对摆动。在实际的液压马达中，由于零部件的误差、配合间隙、受力变形等原因，缸孔中心线不总是位于滚道环横向剖面的对称平面里，这就可能引起钢球与滚道槽侧边接触，或滚子侧着与滚道面接触的边缘效应，使接触应力峰值升高。
现有径向柱塞-滚子液压马达的滚子两侧装有平面档环。液压马达运转时，滚子与挡环之间有金属对金属的滑动摩擦。
本发明的以降低滚动元件与滚道之间的接触应力，限制其间的局部滑移，改善其滚动状况，达到提高液压马达工作寿命的目的。为此提出了一种双向等强的内曲线径向柱塞液压马达和一种单向加强的内曲线径向柱塞液压马达。提出了滚道环纵向剖面和横向剖面的最优曲线。滚道环的纵向剖面里是等接触应力转矩无脉动滚道曲线，它使滚动元件与滚道之间的接触应力尽可能降低，且在主要区段保持均匀，同时又保障液压马达无困油现象和输出转矩的脉动现象;滚道环横向剖面是与钢球二点接触的连续光滑滚道槽轮廓线，或是与滚子圆弧母线二点接触的直线型滚道槽轮廓线;它们既降低了滚动元件与滚道之间的接触应力，又使接触面之间的局部滑移减少到最低程度;活塞小端为球面体，大端为方柱体，活塞-滚动元件副在滚道横剖面方向可摆动，即使在液压马达零部件有加工安装误差的情况下，也能使滚动元件妥贴地与滚道槽二点接触;滚子两端嵌有钢球，用以减少滚子滚动时所受到的摩擦阻力。单向加强的液压马达，用于单方向运转或一个方向的载荷重，运行时间长的工况，可以取得更大的效果。在此总构思下，提出以下六项

发明内容
1.双向等强等接触应力转矩无脉动滚道径向柱塞液压马达;
2.单向加强等接触应力转矩无脉动滚道径向柱塞液压马达;
3.与钢球二点接触连续光滑曲线滚道槽;
4.与滚子圆弧母线二点接触直线V型滚道槽;
5.球面活塞一滚动元件副;
6.两端嵌钢球的滚子。
本发明的等接触应力转矩无脉动滚道曲线，其主要技术参数是根据材料的接触疲劳强度特性，考虑动力学的作用而确定的。设计滚道曲线时，先确定滚动元件中心点的运动轨跡，然后，以滚动元件的半径为圆，作轨跡曲线的外包路线，这就是滚道曲线。
设液压马达的作用次数为W，在双向等强型液压马达中，正向和反向运转的工作幅角φw是相等的φw＝ (π)/(w) (8)
每个工作幅角内的滚道曲线，都由下列区段组成内零速区段φo，等接触应力区段φs，转矩平衡区段φb及外零速区段φo。
内、外零速区段φo分别设置在曲线的内、外死点附近。它是与液压马达同心的一段圆弧。柱塞-滚动元件副在这个区段里不发生径向位移，避免了柱塞腔的困油现象。φo取为2～4°。
等接触应力区段φs里，滚动元件与滚道之间的接触应力值比别的区段高，这里的接触应力值决定了液压马达的工作寿命。本区段采用等接触应力曲线，没有接触应力的峰值点，即没有接触疲劳强度特别薄弱的点。
等接触应力曲线是根据等接触应力曲线的微分方程求解而得。
将下列与滚动元件中心运动轨跡的坐标(ρ，φ)，一阶导数dρ/dφ，二阶导数d2ρ/dφ2有关的各项参数的表达式，代入赫兹公式(3～5)，并令σo＝常数，这就是等接触应力曲线(滚动元件中心运动轨跡曲线)的微分方程式。作用在活塞上的各作用力的合力是ΣP＝Ph+Pj+Pf+Pc+Ps(9)式中Ph-活塞上所受到的液压力;
Ph=ρ (πd2O)/4 (10)p-油液压力，计算中设p为常数;
do-活塞直径;
Pj-活塞-滚动元件副受到的惯性力;
Pj＝mρω2d2ρ/dφ2(11)mρ-活塞-滚动元件副的质量;
ω-液压马达旋转角速度;
Pf-活塞受到的摩擦力;
Pf＝μPhtgβ＝μPhdρ/ρdφ (12)β-滚道曲线的压力角;
μ-活塞裙与缸体导向槽之间的摩擦系数;
Pc-活塞-滚动元件副受到离心力;
Pc＝mρω2ρm (13)ρm-活塞-滚动元件副的重心至液压马达中心的距离;
Ps-活塞受到的弹簧力;
Ps＝Cs△ρsCs-弹簧的刚度;
△ρs-弹簧的变形量。
作用在一个接触点上的法向力是
α-滚动元件与滚道槽接触点的法线与滚道槽对称中心面之间的夹角。
对于钢球液压马达Σρ = 4/(dB) + 1/(Rc) + 1/(RG) (15)Rc-滚道曲线在与钢球接触点上的曲率半径;
dB-钢球直径;
RG-滚道槽曲线在与钢球接触点上的曲率半径。
对于滚子液压马达Σρ＝ 2/(dr) + 1/(Rr) + 1/(Rc) (16)dr-滚子直径;
Rr-滚子圆弧母线的曲率半径;
滚道曲线的曲率半径Rc是
利用电子计算机可方便地求解上述微分方程式，求得滚动元件中心运动轨跡曲线的各点坐标值(ρ，φ)。由此，可以求得滚道曲线坐标(ρc，φc)ρc＝ρCosε+ (d)/2 Cos(β-ε) (18)φc＝φ-ε (19)ε＝arctg (d/2Sinβ)/(ρ+d/2Cosβ) (20)
等接触应力区段幅角φs是φs＝ (π)/(Z) -2φo-φb (21)转矩平衡区段φb里，柱塞完成减速运动。其减速度值也是变化的。φb区段的曲线是根据液压马达输出转矩无脉动的条件而确定的。在此转矩无脉动的条件里，计及了活塞裙与导向槽的摩擦力Pf的影响，而不是一般只考虑各活塞瞬时速度的平衡。由于转矩脉动主要影响液压马达的低速工作稳定性，因此，计算中可忽略惯性力Pj和离心力Pc的影响。
单个活塞产生的转矩是Mi＝ρT＝ρΣPtgβ＝ρ(Ph-Pf)tgβ＝Ph(1-μ (dρ)/(ρdφ) )( (dρ)/(dφ) ) (22)由此可以得出，当输入油压和流量不变时，液压马达输出转矩不发生脉动的条件是Σ(1-μ (dρ)/(ρdφ) )i·( (dρ)/(dφ) )i＝常数 (23)液压马达各活塞运动参数之和的变化，总是以相差角△φ为周期的。△φ是△φ＝ (2πm)/(WZ) (24)式中m-W与Z的最大公约数。
转矩平衡区段的幅角φb是φb＝△φ＝ (2πm)/(WZ) (25)待零速区段φo及等接触应力区段φs的曲线确定后，根据其曲线的坐标ρ及一阶导数 (dρ)/(dφ) 值，代入转矩平衡方程式(23)，即可求得对应的转矩平衡区段φb的曲线的一阶导数 (dρ)/(dφ) 曲线。对此曲线作一次积分运算，即可求得转矩平衡区段的滚动元件中心运动轨跡和滚道曲线。
至此，整个等接触应力转矩无脉动滚道曲线已全部求得。
本发明的单向加强型等接触应力转矩无脉动滚道曲线能保证滚压马达正转和反转都正常平稳运转。但是这种液压马达正方向运转的承载能力和工作寿命要高得多。
单向加强型等接触应力液压马达的设计与上述双向等强型的一样，只是正方向的等接触应力区段幅角φs1大于反方向的幅角φs2。即φs1＞φs2 (26)增大φs1值，可以降低接触应力σo值，提高其工作寿命。增大φs1值的程度，取决于正、反方向工作负载的差异及对工作寿命的不同要求。
增大φs1时，应同时减小φs2，保持
φs1+φs2＝2φs (27)这样，单向加强型仅是双向等强型液压马达在滚道环和配流盘两个零件有所不同的一种变型产品。并且，这两个零件安装方向不同，即可改变加强的方向，对生产和使用都十分方便。
本发明的与钢球二点接触的一种滚道槽曲线，是一条光滑连续的曲线。确定曲线时，既考虑尽可能降低接触应力值，又考虑尽可能减少接触面内滚动元件和滚道槽之间的相对滑移量。相对滑移增加滚动的能量损耗，加速滚道槽的磨损。
钢球与滚道槽的接触是一个椭圆曲面。当钢球滚动时，在接触面里，只在瞬时转动中心轴的那一点上，钢球与滚道之间的相对运动速度为零，不产生相对滑移。在接近瞬时转动中心的位置上，由于接触材料的弹性变形，相对滑移也可能不发生。在离转动中心距离S较大的部位上，滑移现象比较严重。
增大钢球与滚道槽接触处的曲率半径，可缩短接触椭圆的半径b的长度，减少滑移量。但是，这样会增加接触应力σo值。
为了降低两个接触点上的法向作用力，减少接触面内各点至瞬时转动中心的距离S，降低滑移量，都应该减少两接触点法线之间的夹角2α。但是，过分地减小2α值，当α＜Sin-1( (2b)/(d) )时，二个接触椭圆将部份重叠。重叠部位的接触应力值将迭加，出现应力峰值(见图4b)。
本发明与钢球二点接触的滚道槽曲线的实施例之一是把滚道槽曲线方程定为y＝Axk(28)式中系数A及K由下列联立方程式确定
AKx(K-1)＝tg(Sin-1(2b)/(d) ) (30)式中RG-滚道槽曲线与钢球接触处的曲率半径RG＝(0.51～0.52)d;
b-接触椭圆面的半轴长度。可按公式(5)以等接触应力区段的参数代入计算，计算中式(10)的φ取高工作压力值。
可以只在等接触应力区段φs中采用二点接触的滚道槽，在其余区段仍采用一般单点接触圆弧滚道槽。这不影响液压马达工作寿命的提高。
本发明的与滚子圆弧母线二点接触的滚道槽轮廓线，是两根直线组成的V形线。为了使二个接触点之间的距离大致等于滚子长度L的一半，V形线之间的夹角2θ应为2θ≌2Cos-1( (d)/(Rr) )，其中d为滚子的公称直径;Rr为滚子圆弧母线的曲率半径。增大Rr值可降低接触应力σo值，但提高了对加工精度的要求。
本发明的球面活塞-滚动元件副，其活塞分大小两头，活塞小头为球面体，它在圆柱形缸孔中可自由转动和沿缸孔中心线移动;活塞大头为方柱体，它在缸体上的平面导向槽中，可沿缸孔中心移动和在与导向槽平行的平面里移动。因此，整个球面活塞-滚动元件副，只可完成沿缸孔中心线移动和在与导向槽平行的平面里绕活塞小头球面体中心摆动。
球面活塞-滚动元件副能在缸体横剖面里有一定的摆动自由度，这就使得滚动元件与滚道环横向剖面里的滚道槽的轮廓线二点接触，即使液压马达各零件存在加工误差，零件变形和间隙等。为了弥补球面体活塞密封性能差的缺点，球面体上有密封槽，槽中有○形橡胶密封圈和U形塑料密封环组成的组合密封件。
本发明的两端嵌有钢球的滚子，它使一般滚子与侧档板之间的滑动摩擦变成滚动摩擦，而滚子体与钢球之间，由于有减摩球形垫的存在，其摩擦系数很小，不产生卡滞现象，有利于提高滚道的工作寿命。
如前所述，本发明的液压马达的工作寿命L10和滚动元件与滚道之间接触应力σo值的10次方成反比例。接触应力的些许降低，就能使液压马达工作寿命获得明显的提高。例如，σo值降低7%，L10提高到2倍;σo值降低20%，L10提高到10倍;σo值降低26%，L10提高到20倍。实验已经表明，本发明的等接触应力液压马达，与结构尺寸，类型相同的一般等加速度液压马达相比较，工作寿命可提高数倍至十数倍。液压马达的效率特性和低速稳定性也有相当大的提高。
下列附图表明了本发明的原理，并提供了实施例的具体结构。


图1，滚道在纵向和横向剖面里的受力图。
图2，双向等强型等接触应力转矩无脉动滚道曲线，及接触应力σo，tgβ，曲率半径1/Rc等参数的变化图。
图3，单向加强型等接触应力转矩无脉动滚道曲线，及接触应力σo，tgβ，曲率半径1/Rc等参数的变化图。
图4，滚道槽曲线，接触应力σ及接触面内的局部滑移示意图;a、钢球单点接触圆弧滚道槽;b、钢球二点接触曲线滚道槽;c、滚子二点接触V型滚道槽。
图5，球面活塞一钢球副，a、结构图;b、组合密封件(放大图)。
图6，球面活塞-滚子副，a、滚子每端带一个钢球的方案;b、滚子每端带多个钢球的方案。
图7，本发明的采用球面活塞-钢球副的一个实施例的纵向剖视图。
图8，本发明的采用球面活塞-滚子副的一个实施例的纵向剖视图。
图9，本发明的采用单向加强型滚道及球面活塞-钢球副的一个实施例的纵向剖视图。
图10，本发明的采用单向加强型滚道及球面活塞-滚子副的一个实施例的纵向剖视图。
图11，本发明用于工程运输机械车辆静压传动的车桥驱动器的一个实施例的横向剖视图。它由二只并列的等应力滚道径向球面活塞液压马达组成。左、右液压马达缸体〔4〕的中部的花键孔，与驱动车桥的左、右半轴〔26〕连接，直接去驱动左右车轮。驱动器壳与半轴套管连接，形成驱动桥壳。
图中，1-滚道环;2-球面活塞-钢球副;3-球面活塞-滚子副;4-缸体;5-平面配流盘;6-活塞的球面体;7-活塞的密封槽;8-密封组件;9-活塞的方柱体;10-钢球;11-滚子;12-减摩球形垫;13-减摩瓦形垫;14-缸孔;15-缸体上的导向槽;16-U形塑料密封环;17-○形橡胶密封圈;18-圆形静压支承油腔;19-方形静压支承油腔;20-节流栓;21-钢球滚道槽;22-滚子的钢球;23-滚子挡板;24-减摩球垫;25-滚子的圆弧母线;26-车辆驱动桥半轴;27-驱动器壳体;28-轴承座体;29-滚子的V形滚道槽，30-双向等强等接触应力转矩无脉动滚道曲线;31-单向加强等接触应力转矩脉动滚道曲线。
P-进出油口;D-泄漏口;c-瞬时转动中心;S-接触面上一点至瞬时转动中心的距离;SR-球面活塞球体半径。
权利要求
1.一种内曲线径向柱塞液压马达或泵，由滚道环[1]，柱塞-钢球副[2]或柱塞-滚子副[3]，缸体[4]和平面配流盘[5]等主要零部件组成，其特征在于滚道环[1]的内表面的纵向剖面是双向等强等接触应力转矩无脉动滚道曲线[30]，本曲线的正向工作帽角φz与反向工作幅角φF相等φz=φF=φw= (π)/(w) ；每个工作幅角φw内的曲线均由内零速区段φo，等接触应力区段φs，转矩平衡区段φb及外零速区段φo组成；零速区段帽角φo=2～4°，等接触应力区段幅角φs= (π)/(w) -2φo-φb，转矩平衡区段幅角φb= (2πm)/(Zw) ；在零速区段里，曲线是以液压马达旋转中心为圆心的圆弧，在等接触应力区段φs里，曲线上各点的坐标(ρ、φ)、一阶导数( (dρ)/(dφ) )及二阶导数( (d2ρ)/(dφ2) )值代入式(3-20)，所求得的接触应力δo值均应相等；在转矩平衡区段φb里，曲线上各点的坐标(ρ、φ)及一阶导数( (dρ)/(dφ) )值，代入式(23)，所得结果均应相等。
2.一种内曲线径向柱塞液压马达或泵，由滚道环〔1〕，柱塞一钢球副〔2〕或柱塞一滚子副〔3〕，缸体〔4〕和平面配流盘〔5〕等主要零部件组成，其特征在于滚道环〔1〕的内表面的纵向剖面是单向加强等接触应力转矩无脉动滚道曲线〔31〕，本曲线的正向工作幅度φz大于反向工作幅角φFφZ＞φW＞φF;且φZ+φF＝(2π)/(W) ;每个正向或反向工作幅度角φZ或φF里的曲线，均由零速区段φo，正向等接触应力区段φsz或反向等接触应力区段φsF，转矩平衡区段φb及外零速区段φo组成;零速区段幅角φo＝2～4°，转矩平衡区段幅角φb＝ (2πm)/(WZ) ，正向等接触应力区段幅度φsz大于反向等接触应力区段幅度φsFφsz＞φsF，且φsz+φsF＝ (2π)/(W) -4φo-2φb;在零速区段φo里，曲线是以液压马达中心为圆心的圆弧，在正向或反向等接触应力区段φsz或φsF里，曲线上各点的坐标(ρ、φ)一阶导数( (dρ)/(dφ) )及二阶导数(( (d2p)/(dφ2) ))值代入式(3-20)，所求得的接触应力σo值均应相等，在转矩平衡区段φb里，曲线上各点的坐标(ρ、φ)及一阶导数( (dρ)/(dφ) )值，代入式(23)，所得结果均相等。
3.如权利要求1或2所述的液压马达或泵，其特征在于滚道环〔1〕的内表面的横向剖面是与柱塞一钢球副〔2〕的钢球〔10〕二点接触的连续光滑滚道槽曲线〔21〕，曲线与钢球接触点上的曲率半径RG＝(0.51～0.52)d，曲线两个接触点上的法线的夹角2α略大于2Sin-1( (2b)/(d) )。
4.如权利要求1或2所述的液压马达或泵，其特征在于滚道环〔1〕的内表面的横向剖面是与柱塞、滚子副〔3〕的滚子〔11〕的圆弧母线二点接触的滚道槽的V形线;V形线由二根直线组成，其间夹角2θ≌2Cos-1( (d)/(Rr) );直线交点处可设越程槽。
5.如权利要求1或2所述的液压马达或泵，其特征是柱塞-钢球副〔2〕或柱塞-滚子副〔3〕的柱塞为球面活塞，即柱塞小端为球面体〔6〕，上有密封槽〔7〕，其中装有由O形橡胶密封圈〔17〕和U形塑料密封环〔16〕组成的密封组件〔8〕;活塞的大端为方柱体〔9〕，它位于缸体〔4〕各导向槽〔15〕中。
6.如权利要求1或2所述的液压马达，其特征在于柱塞-滚子副〔3〕的滚子的两端，各嵌有至少一个钢球〔22〕;钢球各与滚道两侧的档板〔23〕相接触;钢球与滚子体之间装有覆盖塑料层的金属片制成的半球形减摩垫〔24〕，减摩垫的顶部有凸起，伸入滚子体的定位孔中。
全文摘要
本发明是一种双向等强和一种单向加强内曲线径向柱塞液压马达。滚道环纵向剖面是等接触应力转矩无脉动滚道曲线；横向剖面有与钢球或滚子二点接触的滚道槽；活塞小端为球面体，大端为方柱体，可横向摆动。本发明可降低滚动元件与滚道之间的接触应力，限制局部滑移，大幅度提高液压马达的工作寿命。单向加强液压马达，用于单向负载重的工况，可取得更大效果。
文档编号F01B13/06GK1052172SQ8910902
公开日1991年6月12日 申请日期1989年11月28日 优先权日1989年11月28日
发明者张有颐 申请人:浙江省机电设计研究院