專利名稱：改進型齒輪式液壓裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種改進型齒輪式液壓裝置。本發明的開發已特別參照齒輪式回轉正
排量泵，在本說明后續部分將對其進行專門的引用，但本發明的原理也可按完全相同的方式應用于齒輪式液壓馬達，因此這種應用也應被視為屬于本發明適用范圍。
背景技術：
齒輪式回轉正排量泵通常由兩個齒輪組成，多數情況下為直齒輪類型，其中一個稱為主動齒輪，連接至一個主動軸，以旋轉來驅動被稱為從動齒輪的另一個齒輪。在上述通常采用漸開線齒廓的常規齒輪泵中產生的一個特定缺點是，被泵吸的流體將被密封，即圈閉和壓縮，或總是承受嚙合區內齒廓之間封閉空間容積的變化，由此會產生有害且不可控的局部應力峰值，這是導致直接運行噪聲的原因。完全作為示例給出的圖1以橫截面圖示意性示出了一個常規類型的齒輪式液壓裝置的兩個齒輪(即齒輪1和2)在一特定角位置的嚙合區，在所述角位置下，相應嚙合齒3和4的構形將必然會形成流體被圈閉其中的封閉區域5和6。從圖中很容易看出，剛剛在齒輪1和2的反向旋轉中形成的封閉區域5將逐漸縮減至區域6的尺寸，隨后再次擴大，直至齒輪的旋轉導致其輪齒在封閉區域5的相對側相互分離，由此中斷對流體的圈閉。 除以上所示的直接運行噪聲之外，已經知道在流體輸送中還存在因不規則現象或"紋波"所引發的問題，這將必然伴隨有與用戶回路內的流量脈動相關、由此也與其壓力脈動相關的間接運行噪聲，稱為紋波噪聲。換言之，流體流量的振蕩將產生一脈動波，該脈動波通過流體本身傳遞至周圍環境中，特別是泵壁、管道系統和輸送管。在上述各方面與振蕩或紋波頻率共振的情況下，所引發的噪聲也可能達到不可預測的水平。 一系列研究和實驗已經表明，所述振蕩在本質上系由上述泵的轉子或齒輪的構形所致，所述構形在其各連續嚙合階段中會對導致流體從輸入輸送到輸出的容量變化出現中斷。換言之，紋波由所述容積相對時間或相對轉子的相對角位置變化的中斷而造成。上述現象在以下文章中有清晰而完整的說明M0RSELLI Mario Antonio， "Mechanical and hydraulicnoise in gearedpumps"(齒輪泵內的機械和液壓噪聲)，Oleodinamica Pneumatica， 2005年1月，54-59頁，以及2005年2月，42-46頁，另外見于Fluides & Transmissions (《流體和傳動》)，第75期，2005年4月，34-37頁和77期，2005年5月，20-26頁。
已經知道一些解決方案已或多或少地成功解決了以上所示問題。
這些解決方案中的一些涉及采用常規齒廓的泵，即齒面廓形多數但并不一定為漸開線型，直齒輪類型或較少采用的斜齒輪類型，有齒隙(即一個齒輪的一個齒與另一齒輪的一個對應齒單獨接觸)或理論上無齒隙(即采用兩齒齒面理論上總是處于嚙合中的雙接觸，如Bosch Rexroth AG的SILENCE泵，或Cas即pa S. p. A.的WHISPER泵)。在這些解決方案中，輪齒間被圈閉的流體至少會被部分"釋放"，即被排出，排放的通道為位于齒輪的橫向臺座或稱為支座或襯套的表面上即面向平直橫向齒輪端部、使得可以將向適當的相應高壓或低壓出入口或閘門排出(或吸入)體積壓縮流體的壁上所提供的合適的根切或凹穴或
3導管。 然而當希望生產斜齒輪以減小紋波噪聲問題時，在橫向臺座表面上配備凹穴將變得復雜得多。此外，采用斜齒輪在本質上會產生一系列附加問題，因為在這種情況下，如果不采取特殊的策略，每一流體圈閉區的容積也會像齒輪的輪齒一樣在整個齒輪寬度的蝸桿狀螺旋道上延伸，由此在入口與出口之間形成潛在的通路或旁路。換言之，圖1中處于圖紙平面內的區域5和6被清晰地"圈閉"在兩個齒輪即齒輪1和2的廓線之間，在斜齒輪在空間中螺旋運動的情況下采用大螺旋角時，泵的高壓區會被連接至低壓區。在實踐中，或者要遵守齒輪螺旋角較小的要求，或者要采用從構造角度將非常復雜且昂貴的解決方案，例如在Brown David Hydraulics Ltd.的EP-0769104文獻中所述，其中齒輪在其每一個橫截面內均至少有兩個齒同時處于嚙合中。而所述解決方案非常復雜，且本質上并不十分有效，因為其在開發時所基于的概念更接近于數學抽象而非實用且技術上可行的可能性；在實踐中，所述凹穴的幾何形狀總歸不能達到完全令人滿意的折衷效果。 總之，所有已知的在橫向臺座上采用排放凹穴的泵解決方案，不管是采用直齒輪還是斜齒輪類型，單接觸還是雙接觸，均還會有一個可能變化但不能被排盡的殘余圈閉容量，由此除了形成顯著且有害的紋波之外，還會產生一定的殘余噪聲。 針對上述直接和間接噪聲問題的其他已知解決方案涉及采用非常規齒廓的泵，所述齒廓可被定義為"采用連續接觸"，這樣不會在齒頂與齒根之間圈閉流體。在實踐中，相互嚙合的齒輪齒廓在齒頂處具有圓形外觀，且理論上為單點接觸，該接觸點從齒輪的一個齒面連續移動至另一齒面，其移動方式將使得在整個齒輪寬度上的嚙合期間從不會形成任何流體圈閉的封閉區域。這一原理在文獻US-2159744、 US_3164099、 US-3209611中以寬泛的術語進行了非常概括性的理論說明，然而卻從沒有任何實際的應用。在與本申請相同的發明人和聯合申請人的文獻EP-A-1132618、 EP-B-1371848、 US-6769891以及上述技術論文中已對所述原理進行了全面的展開和說明，且已在Settima FlowMechanisms公司的Contimmn^的泵中獲得了實際應用。本發明人所開發的輪齒類型在泵的入口與出口之間沒有旁路，流體脈動最小，且嚙合相當安靜。最后這種解決方案盡管在安靜程度方面已被證明顯著優越于常規泵，然而相比存在流體圈閉的已知的泵解決方案，卻存在定容輸出稍低的缺點。其主要原因在于，可采用依"無密封"概念設計的齒廓所形成的適度齒高，以及由此在相同齒數條件下實現的與之對應的適度的每單位容積有效流量。為了獲得與有密封的泵相當的有效單位流量，可以采用較少數量的輪齒，但這樣必然會因高壓出口與低壓入口之間密封縮減而造成更大的容積損失，因為輪齒還會起迷宮式密封的作用。
在計劃讓液壓裝置以高壓力差運行的情況下，例如齒輪泵在壓力差超過幾十bar甚至超過80-100bar時，上述所有問題將更為嚴重。
發明內容
因此本發明的一個目的是提供一種補救現有技術缺點的齒輪式液壓裝置，特別是
相比有流體密封的常規裝置要顯著降低噪聲，基本接近無密封裝置的安靜程度，同時要實現比所述其他裝置更好的定容輸出，且所有這些都不能使生產的成本和/或復雜度比商業上已得到更廣泛應用的解決方案有顯著的增加。本發明的另一個目的是提供一種齒輪式液
壓裝置具有良好的密封特性，生產和維護簡單且經濟，且即使在高要求應用場合也可長時
4間保持非常可靠，特別是要求在高壓力差下實現高性能的場合。 為實現上述目的，本發明的主旨是一種改進型齒輪式液壓裝置，包含一對嚙合齒輪，安裝在一殼體內入口側與出口側之間，可以相互旋轉，用于在使用中形成相對齒輪旋轉軸基本為橫向流動的流體。嚙合齒輪在其相對旋轉中在相應的配合齒之間形成漸進嚙合構形，在至少一個所述漸進嚙合構形中，在齒輪的至少一個橫截面內，相應齒之間至少可形成一個封閉的流體圈閉區，所述封閉圈閉區逐漸減小，直至其在前述相應配合齒之間至少另一個獨立的漸進嚙合構形處基本消失。 根據本發明的一個具體方面，齒輪式液壓裝置是一臺齒輪式回轉正排量泵。在一臺這種類型的泵中，發生流體密封的可能性使得可以采用比同樣由本發明人所開發的采用現有技術的連續接觸型解決方案更高的輪齒比例，由此改善其輸出。
根據本發明的另一個具體方面，齒輪式液壓裝置為液壓馬達。 在一種具體實施方式
中，齒輪為斜齒輪。在此情況下，甚至可以采用明顯的螺旋角，而不會有入口與出口之間(具體對于正排量泵而言，即輸入與輸出之間)發生旁路的風險。斜齒可以最大限度降低因嚙合產生的噪聲，嚙合噪聲則是縱切齒廓的特性，因為在齒輪的配合齒之間接觸點由一對輪齒到另一對的過程并非逐漸進行。斜齒還可以最大限度降低流體的輸出脈動，由此使紋波噪聲將至最低。斜齒的重疊度優選為等于或接近于1。
本發明的液壓裝置可以在齒輪的橫向臺座或支座或襯套的表面上配以根切或凹穴或導管，其布置方式旨在與上述嚙合構形在齒輪端部橫截面內形成的封閉流體圈閉區連通，以便向相應的高壓或低壓側、出入口或閘門排出被圈閉流體。所述排放凹穴的尺寸選擇既簡單又優化，因為嚙合構形中入口側與出口側之間的旁路被輪齒本身所阻塞，封閉的流體圈閉區基本被縮減為零，一個齒輪的齒頂與另一齒輪的齒底之間基本上沒有間隙。
顯然，在此"無間隙"應理解為可確保流體密封功能的實現，但并不排除在齒輪之間可能存在一定的"運行"間隙，以適于確保正確的機械功能。 在具體實施方式
中，本發明的液壓裝置將配有多個輪齒，輪齒數目優選范圍為5至15，更優選為5至14，更優選為5至13，更優選為6至12，更優選為6至ll，更優選為6至10，更優選為6至9，更優選為7至9，最優選齒數等于8。 在具體實施方式
中，本發明的液壓裝置的齒寬與節徑幅度比將優選為0. 5至2，更優選為0. 6至1. 7，更優選為0. 7至1. 5，更優選為0. 8至1. 3，更優選為0. 85至1. 2，更優選為0.9至1. l，而最優選則為接近l。
從以下參照附圖給出的詳細說明可以清晰地了解本發明的其他特性和優勢，所給出的附圖僅作為非限制性的示例，其中-圖1已在本說明書的前文中被討論，其示出了現有技術中泵的齒輪的嚙合齒齒廓，其中包括任何嚙合構形中的流體密封；-圖2以透視圖示出根據本發明的一種正排量泵的一對嚙合齒輪，其被安裝在一橫向支承和臺座襯套上，可以轉動；-圖3以透視圖、放大比例方式示出圖2中的橫向支承和臺座襯套；
_圖4為圖2中的齒輪對在第一嚙合角位置的一個橫截面-圖5是一個與圖4類似的截面圖，示出處于第二嚙合角位置的所述齒輪對；
-圖6以部分透明透視圖示出根據本發明的兩個嚙合齒輪，其中顯示出作為輸入與輸出間密封的共軛齒廓的接觸區，以及一定量的流體被圈閉其中的兩個相互隔離的凹穴區；以及-圖7以部分透明透視圖示出根據一種完全無密封的現有技術解決方案的兩個嚙合齒輪，所述解決方案以同屬本發明人的專利EP 1132618、 EP 1371848、 US 6769891中的教導為依據。
具體實施例方式
盡管以下討論是參照泵給出，相同的推理和考慮事項也可適用于類似的液壓馬達。 參見圖2，一種橫流式回轉正排量泵，包括第一和第二齒輪或轉子10、11。第一齒輪10 —體化連接至主動軸12，或通過業界通曉的一種固定形式連接至主動軸12，當泵處于應用中時，主動軸12將從驅動件(未示出)接收運動。第二齒輪11與第一齒輪嚙合，在使用中，由第一齒輪驅動而轉動。齒輪10與11均配有像主動軸12 —樣以密封方式安裝在臺座或襯套15上以實現旋轉的柱腳或軸13、14a、14b，為了圖示清晰起見，圖2中僅示出其中之一。如回轉泵領域為人所熟知的，齒輪10、11被密封于一個配有用于輸送被泵送流體的輸入口和輸出口的殼體(未示出)中。 流體以相對齒輪旋轉軸基本為橫向的方向由一個口被輸送至另一個口 (取決于所使用的是泵還是液壓馬達)。 齒輪10、11中每一個均有一系列廓形相同的外圍輪齒16a、16b，在考慮螺旋角的條件下，其數目應使從動齒輪11由主動齒輪10的嚙合和帶動在任何角位置均可得到保證。輪齒數范圍將優選為5至15，更優選為5至14，更優選為5至13，更優選為6至12，更優選為6至11，更優選為6至10，更優選為6至9，更優選為7至9，而每一齒輪的最優選齒數等于8。 輪齒16a、16b在每一齒輪10、 11的整個高度上以螺旋形延伸，其齒面重疊度基本等于或接近l，換言之，即兩相鄰輪齒之間的軸向節距等于或接近于齒輪在轉軸方向的高度。由于這種構形，一輪齒16a或16b在齒輪10、11的端面17a、17b上的橫向廓形與一相鄰輪齒16a、16b在相應齒輪10、 11的另一端面18a、18b上的橫向廓形被基本對齊(沿平行于齒輪自身旋轉軸線的方向)。 本發明的泵的齒寬(face width)與節徑(pitch diameter)幅度比將優選為0. 5至2，更優選為0. 6至1. 7，更優選為0. 7至1. 5，更優選為0. 8至1. 3，更優選為0. 85至1. 2，更優選為0. 9至1. l，而最優選則為接近1。 在齒輪10、 11的每一個橫向支承和臺座襯套15上均配有根切或凹穴或導管19、20(另見圖3)，根切或凹穴或導管19、20分別引向泵的輸出側和輸入側，并與齒輪10、11的輪齒之間的流體圈閉區連通(將在下文中討論)，以使輪齒之間被圈閉的流體逐漸且均勻地從所述圈閉區中排出。在圖3中很容易看出，橫向襯套15的兩個根切19、20由密封區21隔開，齒輪10、 11的嚙合齒16a、16b在密封區21上以密封方式滑動。如下文將要更明確介紹的，所述密封區在齒輪10、11的輪齒16a、16b之間的一個嚙合角位置時完全沒有流體的圈閉或密封。 圖4和5示出在相對齒輪10、 11的旋轉軸的橫截面內，在齒輪按箭頭R方向的轉動中輪齒16a、16b在相繼兩個嚙合瞬間所處的位置。齒輪10的一個輪齒16a'與齒輪11的相應輪齒16b'嚙合，其前齒面22a'與相應輪齒16b'的后齒面23b'接觸，推動后者轉動。齒輪ll的轉動使輪齒16a'的后齒面23a'與同輪齒16b'在角度上相鄰的輪齒16〃的前齒面22b〃接觸。很明顯，在這種情況下，齒輪10的輪齒16a'頂部與齒輪11的輪齒16b'與16b〃間的齒槽底面之間將形成封閉區域25，將有一定量的流體被圈閉在其內。在齒輪10、11按箭頭R的轉動中，齒頂和齒底區處有倒圓的輪齒16a、16b構形將使封閉區域25逐漸減小，直至其在大約圖5所示的齒輪10、11的后續角位置時消失。在所述構形中，除加工公差和運行間隙之外，齒輪10的輪齒16a'齒頂將與齒輪11的輪齒16b'與16b〃間的齒槽底面發生實質性的配合，使流體密封區基本消除，并在整個齒輪寬度上形成位于輸出與輸入之間的密封區。 在齒輪寬度上被圈閉在輪齒16a'與16b'之間封閉區域25 (和在圖5之后的嚙合角位置下在輪齒16a'與16b〃之間形成的相應封閉區域，以及其類似區域)內的流體可以被有效排放至臺座或襯套15的根切19(及20)內，而不在泵的輸出與輸入區之間形成任何旁路，這要歸功于由齒輪在輪齒齒頂與齒根之間的齒廓的配合構形所實現的密封。以同樣的方式，在兩組輪齒間形成流體圈閉區的可能性允許按比例配合，其中輪齒可能要高于連續接觸、無密封的已知齒形的輪齒，使得能夠比后者的泵使用更多的輪齒，由此在輸出方面實現改進。 在實踐中，齒輪10和11的齒廓可通過實驗或分析方法加以確定。在本發明的優選實施方式中，橫向嚙合比小于l，更優選但非限制地，橫向嚙合比是在0. 55至0. 80之間。
本發明在輸入與輸出間壓力差高于幾十bar、更特定情況下高于50bar左右、甚至更特定情況下高于約80-100bar的條件下使用時特別有利。 自然地，在本發明原理保持相同的情況下，實施方式的形式和生產的細節可能與所介紹和例示的內容有廣泛的不同，但并不因此而超出本發明的保護范圍。
權利要求
一種改進型齒輪式液壓裝置，包含一對嚙合齒輪，被安裝在一殼體內入口側與出口側之間，可以相互旋轉，用于在使用中形成相對齒輪旋轉軸基本為橫向流動的流體，所述嚙合齒輪在其相互旋轉中在相應的配合齒之間形成漸進嚙合構形，在至少一個所述漸進嚙合構形中，在所述齒輪的至少一個橫截面內，相應輪齒之間至少可形成一個封閉的流體圈閉區，所述封閉的流體圈閉區逐漸減小，直至其在前述相應的配合齒之間的至少另一個單獨的漸進嚙合構形中基本消失。
2. 如權利要求1所述的液壓裝置，其中，所述液壓裝置為齒輪式回轉正排量泵。
3. 如權利要求1所述的液壓裝置，其中，所述液壓裝置為液壓馬達。
4. 如權利要求1至3中任何一項所述的液壓裝置，其中，所述齒輪采用斜齒。
5. 如權利要求4所述的液壓裝置，其中，所述斜齒的重疊度等于或接近于1。
6. 如前述任一項權利要求所述的液壓裝置，其在所述齒輪的橫向臺座或支座或襯套的表面上配有根切或凹穴或導管，其布置方式旨在與前述嚙合構形在齒輪端部橫截面內形成的封閉流體圈閉區連通，以便向相應的高壓或低壓側、出入口或閘門排出被圈閉流體。
7. 如前述任何一項權利要求所述的液壓裝置，其中，每一齒輪所包含的輪齒數在5至15之間。
8. 如權利要求7所述的液壓裝置，其中，每一齒輪所包含的輪齒數等于8。
9. 如前述任一項權利要求所述的液壓裝置，其中，每一齒輪的齒寬與節徑的幅度比在0. 5至2之間。
10. 如權利要求9所述的液壓裝置，其中，每一齒輪的齒寬與節徑的幅度比接近于1。
11. 一對齒輪，用于如前述任何一項權利要求所述的液壓裝置。
12. —個齒輪，用于如權利要求ll所述的一對齒輪。
13. —對齒輪(10、11)，用于如權利要求1至10中任何一項所述的液壓裝置，所述一對齒輪(10、11)可繞其相應轉軸轉動，每一個齒輪均包含在齒輪(10、11)繞所述相應轉軸的轉動中與對方相互嚙合的輪齒(16a、16b)，所述輪齒(16a、16b)的齒廓在至少一個相對所述轉軸為橫向的截面內的構形，使得第一齒輪(10)的輪齒(16a)的第一輪齒(16a')與相應的第二齒輪(11)的輪齒(16b)的第二輪齒(16b')的漸進嚙合首先確定第一輪齒(16a')的前齒面(22a')與第二相應輪齒(16b')的后齒面(23b')的接觸點，使第二齒輪(11)的持續轉動帶動第一輪齒(16a')的后齒面(23a')與第二齒輪(11)的輪齒(16b)的第三輪齒(16b〃 )的前齒面(22b〃 )接觸，所述第三輪齒(16b〃 )與第二輪齒(16b')在角度上相鄰，使得在第一輪齒(16a')的齒頂與第二輪齒(16b')和第三輪齒(16b〃 )間的齒槽底面之間形成封閉區域(25)，在齒輪(10、11)的逐漸轉動中，輪齒(16a、16b)的構形使封閉區域(25)逐漸減小，直至其在齒輪(10、11)的一個相對角位置時基本消失，在所述角位置時，第一齒輪(10)的第一輪齒(16a')的齒頂與第二齒輪(11)的第二輪齒(16b')和第三輪齒(16b〃 )間的齒槽底面進行實質性配合，以便在使用中形成有效的密封，阻止流體從高壓區流至低壓區。
全文摘要
本發明提供一種改進型齒輪式液壓裝置，包含一對嚙合齒輪，被安裝在一殼體內入口側與出口側之間，可以朝相反方向轉動，用于在使用中形成相對齒輪旋轉軸基本為橫向流動的流體。嚙合齒輪在其相對旋轉中在相應的配合齒之間形成漸進嚙合構形。在至少一個所述漸進嚙合構形中，在齒輪的至少一個橫截面內，在相應流體圈閉齒之間至少可形成一個封閉區域。所述封閉區域會減小，直至其在上述相應配合齒之間獨立的漸進嚙合構形處基本消失，而出現在至少另外一個獨立的漸進嚙合構形處。
文檔編號F04C2/08GK101790622SQ200880015262
公開日2010年7月28日 申請日期2008年3月14日 優先權日2007年3月14日
發明者馬里奧·安東尼奧·默塞爾利 申請人:瑟提馬麥肯尼加有限公司;馬里奧·安東尼奧·默塞爾利