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CN104919181B - 齿轮液压机器及相关齿轮 - Google Patents

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CN104919181B CN201380066306.0A CN201380066306A CN104919181B CN 104919181 B CN104919181 B CN 104919181B CN 201380066306 A CN201380066306 A CN 201380066306A CN 104919181 B CN104919181 B CN 104919181B
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Abstract

一种用于齿轮泵或马达的齿轮，包括多个非对称齿(14)，每个齿(14)包括：带有凸起形状的驱动侧(15)，所述驱动侧与对置齿轮的对应凸起侧相配合；和排出侧(16)，所述排出侧在其大部分长度上限定为所述凸起轮廓的空腔(25)，其中，所述排出侧(16)构造成，使得经过所述齿(14)的末端的半径(L)大体上至少与所述排出侧(16)相切或与所述排出侧相交。

Description

齿轮液压机器及相关齿轮
技术领域
本发明涉及齿轮泵或马达。
背景技术
大家都知道，齿轮泵适于在由马达带动旋转时泵送加压流体，而在齿轮泵的排出端连接至加压流体源时，齿轮泵可以作为马达运行。所以，一般而言，通过改变辅助部件的构造(这是本领域技术人员已知的)，泵结构适于作为马达运行。
在本说明书的其余部分，为了简洁起见，将使用术语"齿轮泵"表示还适于作为"齿轮马达"运行的装置，并且对其也可以进行同样的定义，所以措辞"泵"意思是"泵或马达"。
尤其是，本发明涉及一种设置有两个齿轮的齿轮泵，这两个齿轮相互啮合以输送流体，所述流体通常是油。
目前，市面上有许多不同类型的齿轮泵，这些齿轮泵主要在相关齿轮的齿构造上相互不同。
例如，可以举证带有直齿的泵、带有螺旋齿的泵和带有非对称齿的泵。
一般来说，因为齿轮泵通过其连续的隔离小容积级输送流体，所以瞬时流量具有随时间而非连续的分布，并且因而压力具有随时间而非连续的分布。
这种非连续的或脉动的压力分布被称为"压力波动"或简称为"波动"，其影响泵运行中的噪声度。
对这种现象进行的各项研究已经发现，通过减小"波动"，泵的噪声度实现了相应降低。
通常可以说，操作精度要求最小的最简单、成本效率最大的泵是具有带有单接触的直齿轮的齿轮泵。
然而，虽然带有直齿的泵有这样的经济优势，但是这种泵的噪声比上述其他类型的泵大。
为了减小带有直齿轮的齿轮泵的"波动"并因而降低其噪声，必须增加齿轮的齿数或增加齿轮的齿高。还有一种(相当有争论的)被称作"双接触"的解决方案，在这种解决方案中，通过将齿的两侧设置成与趋近于零的间隙接触，在波动方面取得了良好的效果。实现"零"间隙或趋近于"零"间隙的啮合在操作精度上显然是非常难的，在实践中，这种泵持续的时间量有限，并产生由于强加这种啮合而引起的噪声，这种啮合使泵对任何齿形误差都非常敏感。
但是，对于目前技术水平而言，齿数的简单增加需要减小齿高以不影响法向模数的比例，这里，法向模数＝节圆直径/齿数。
但是，由于齿高的这种减小具有减小泵的比容量的负面作用，所以，目前，传统对称构造的齿数的简单增加不能提供对降低噪声度问题的有效解决。
另一方面，不可能任意增大齿高，因为一方面会碰到尖齿极限的问题，另一方面会碰到齿根处欠侵蚀极限的问题。
所以，目前建议的这种解决方案也是不利的。
发明内容
鉴于这一尚未有效解决的问题，本申请人探索了一种新的且有创新性的起作用的解决方案，该解决方案大体上通过增加齿数而不用对应地不得不减小齿高并因而降低泵的流速，同时还保持或甚至增大泵的比流速(流速/齿轮容积)，能够降低齿轮泵、尤其是带有直齿或带有小螺旋角的齿轮泵的噪声度，泵的比流速与齿高成比例并且与齿轮的相贯度(interpenetration)成比例。
本发明的目的是制成一种泵，对于相同的体积和齿高，所述泵相比现有技术中的具有同样流速的齿轮具有更多数量的齿，并且因而具有较小的噪声。
本发明的另一个目的是以特别经济有效的方式实现波动的减小，因此无需强加齿形的精度(这在双接触泵中会发生)或无需考虑复杂且昂贵的轴向力平衡系统(这在带有大螺旋角的泵中是必须的)。
本发明的进一步的目的是提供一种泵，对于相同的体积，所述泵相比传统泵允许获得更高的比流速，允许更大的齿高，同时允许齿轮更大的相贯度，流速与这些参数的关系特性是已知的。
依照本发明，这些目的是通过构造如下所述的技术方案实现的。
一种用于齿轮泵或马达的齿轮，包括多个非对称齿，每个非对称齿包括：带有凸起形状的驱动侧，所述驱动侧和与所述齿轮相接合的对置齿轮的对应齿的凸起驱动侧相配合；和排出侧，所述排出侧在其大部分长度上限定为所述凸起轮廓的空腔，其中，所述排出侧构造成，使得经过每个非对称齿的末端的半径至少与所述排出侧相切，或者与所述排出侧相交，所述非对称齿之间的齿距小于如下的渐开线对称齿之间的齿距的0.9，优选小于所述渐开线对称齿之间的齿距的0.8，更优选为所述渐开线对称齿之间的齿距的约0.7，所述渐开线对称齿具有带有与相同直径和齿高的齿轮的驱动侧的轮廓对应的轮廓的侧。
一种齿轮泵或马达，包括：第一驱动齿轮，所述第一驱动齿轮能被致动而绕自己的轴线作旋转运动；和第二从动齿轮，所述第二从动齿轮与所述第一驱动齿轮相啮合，所述第一驱动齿轮和第二从动齿轮的每个齿均包括驱动侧和排出侧，每个齿的所述驱动侧和排出侧相对彼此不对称，所述第一驱动齿轮和第二从动齿轮的对应齿的驱动侧相互配合，所述第一驱动齿轮和第二从动齿轮的齿的排出侧不相互配合，其特征在于，所述排出侧构造成，使得经过所述齿的末端的半径与所述排出侧相切或与所述排出侧相交，并且所述齿之间的齿距小于如下的渐开线对称齿之间的齿距的0.9，优选小于所述渐开线对称齿之间的齿距的0.8，更优选为所述渐开线对称齿之间的齿距的约0.7，所述渐开线对称齿具有带有与相同直径和齿高的齿轮的驱动侧的轮廓对应的轮廓的侧。
附图说明
参照所附带的示意性附图，依照本发明的齿轮的特征和优点将从下列作为例子给出且并非用于限制目的的描述中变得更加清晰，其中：
图1显示了依照现有技术的用于泵的齿轮；
图2显示了依照本发明的用于泵的齿轮；
图3显示了已知齿轮的齿与依照本发明的齿轮的齿之间的对比；
图4显示了已知齿轮的齿与依照本发明的齿轮的齿之间在齿距上的区别；
图5显示了依照本发明的两个齿轮的放大细节；
图6显示了已知齿轮的齿与依照本发明的齿的另一对比。
具体实施方式
从下列描述中可见，相对于类似的带有直齿的已知泵，本发明的泵10具有构造上的区别，从而对其工作特性产生了重要的技术影响。
参照图2，本发明的泵10将以仅仅两个齿轮11和13举例说明，泵的其余构造性部件都是现有技术中已知的。
正如已知的那样，齿轮11被致动而绕自己的中心12作旋转运动M，以带动对应的从动啮合齿轮13旋转。
为了更加清楚形成本发明的基础的发明构思，值得考虑如图1所示的用于泵的带有直齿的已知齿轮。
从图1与图2之间的对比中可以清楚，对于相同的体积和齿高，依照本发明的齿轮具有更多数量的齿14。
在本发明的泵目标中，两个齿轮具有相同数量或大体同样数量的齿。
参照图3可见，每个齿轮11和13的齿14的"工作"侧15，即搁置在首先啮合的齿轮的齿14的对应侧15上的那侧15，保持其典型的现有技术中已知的配合轮廓，例如渐开线轮廓。
另一方面，相同齿14的相对的"排出"侧16相对于在对称齿中具有的构造而言具有下降的轮廓。
特别地，依照本发明，齿14的轮廓相对于配合轮廓的减少部分25不但使得齿非对称，而且使得齿沿排出侧16不彼此配合。只有"排出"侧的朝向齿顶的凸起端部分才能与朝向对置齿轮的齿底定位的凹入部分配合。从该图中很清楚，朝向齿顶的凸起部分的长度比朝向齿底的凹入部分的长度小得多。由此可见，排出轮廓具有两个截然不同的区段：凸起区段和凹入区段。
凸起区段具有有限长度，并且还可以为零长度，使齿成品具有锐利边缘，不过，小的凸起部分在制造期间的尺寸控制步骤中以及在泵的运行步骤中都是有用的，其使得齿在容置箱上的应力更可控；而凹入部分更长，并且凹入部分从凸起部分的端部开始以大的半径延伸直至齿底。从图中可以看到，排出侧的凸起部分完全位于节圆的外部，从而能够减小直至趋向于零。
从图4中可见，优选地，齿底曲线具有非常大的弯曲半径。在其中齿底曲线是由具有形成圆周圆弧的辐设头部的磨机或螺纹磨床(包络滚刀)产生的次摆线的最常见情况下，这些工具辐设头部优选约为0.5-0.7模数，典型为0.5模数，与之相反，该值通常在0.2模数到0.3模数之间。该特征尤其适用于结构性问题：本发明的齿比已知的齿更薄，因而本发明的齿必须密集地辐设以减少侵蚀作用，并改善其抗弯曲能力，这是能够甚至在高压下运行所必需的条件。完全等比啮合也有利地受该选择的影响。
所以，一般而言，本发明想到采用这样的齿轮，典型地而非必要地采用带有直齿的齿轮，其中，这种非对称齿具有基本上不匹配的排出侧16(或以如上所述凸起部分16a与对置齿轮的凹入部分16b的方式匹配)，并且相对于配合轮廓凹进得更多。
如图3所示，本发明还可想到齿14的喉部在工作侧15的基部处以及在排出侧16的基部处都具有另外的下降部分或空腔26。
很清楚，喉部的这种下降部分或空腔26增大了齿高。
制造非对称齿14，更特别地想到齿14的沿排出侧16的下降部分或空腔25的可能性是现有技术中已知的。
实际上，带有其中在排出侧形成凹部的齿的用于液体齿轮泵的齿轮是现有技术中已知的。
例如，文献US6123533实际上描述了一种齿轮泵，其中，每个齿轮具有在齿高和齿距方面以通常方式设计尺寸的齿，齿的一部分沿排出侧被移除，以便增大齿之间所俘获的流体体积。
同样，文献GB2012876示出了一种齿轮泵，其中，排出侧具有凹部，以便增大齿之间的液体体积，并避免气穴现象，特别是避免泵送诸如燃料的挥发性流体时的气穴现象。
文献DE2737761显示了用于齿轮泵的齿轮，所述齿轮具有带有凹部的排出侧，以避免出现齿轮的啮合区域中形成超压力的现象，从而允许泵以更高转速运行。
根据本申请人的知识，在现有技术中，齿的排出侧具有凹部的构造恶化了泵的效率。
带有凹部的齿因而设于US294026中所示的容积计数器中，其中，在流体与齿轮之间需要最小动力传递。
在现有技术的这些解决方案中，没有任何建议提出利用齿的排出侧的凹进构造来增加齿数。
有关齿轮机器的现有技术都忽略了这个，现有技术中不存在任何本发明要解决的技术问题，并且本领域技术人员因而不能从现有技术中获得有用的教导。
依照本发明，齿14的不需要匹配的排出侧16的容积25的移除不用来增大齿之间俘获的流体体积，而是用来减少齿14之间的齿距。
示意图4精确地显示了相对于具有相同齿高的已知齿轮所预知的齿距P2，由于齿14的排出侧16的下降部分25的缘故，齿距P1可以大大减小，不用牺牲泵的运行。
通过减小齿轮，齿数因而得到增加。
当然，我们认为传统齿形预知用带有预定直径的节圆线的配合轮廓形成最大数量的对称齿。齿的尺寸设计使得其构造大体呈如图4虚线20所表示的尖状，其中配合侧用21表示，该配合侧适于搁置在泵的对应齿轮的齿侧上。齿20的排出侧的轮廓用22显示。
该附图表示了依照现有技术的齿的轮廓以及用实线示出的、并列的依照本发明的一系列齿14。
齿14的配合侧15的轮廓包括齿高将过大以具有对称轮廓的齿14的轮廓。就最大齿高来说，如果带有对称轮廓，两侧的轮廓将使这样的齿呈尖状。
如图4所示，对于相同的齿轮直径并且对于相同的齿高，具有传统构造的12个齿的齿轮的齿形依照本发明可以具有17个齿。
依照本发明的齿轮中的齿距P1比具有相同直径和齿高的传统构造的齿轮中的齿距P2小0.9倍，优选小于0.8倍，甚至更优选为约0.7倍。
如前面所述，该齿形的排出侧16从带有凹入轮廓的配合轮廓15的齿顶开始通过移除材料制成凹进的。
从几何形状角度来看，排出侧16的空腔25被制成使得经过齿的末端点的半径L与排出侧16的轮廓大体上相切。
齿的末端部分不采用锐利边缘的形式，而是以小周向面的形式延伸，这既是为了构造性原因，也是为了相对于其中接收齿轮的支座形成有效的密封。这里，半径L应当被作为经过构成齿的末端的面的中点的半径。
每个齿轮的齿的末端必须不能干涉或接触另一个齿轮的齿，以避免两个齿轮的齿形之间双接触，并促进两个齿轮的齿的工作侧之间可靠的密封接触。
尤其是，这一半径L可以大致位于排出侧16的内部，或者可以在某一点处与排出侧16相切，或者可以在两个点17、18处与排出侧16相交，从而标识出实际上位于齿14的外部的短部分。
该情况显示在图5中，并且还表示了与现有技术中出现的情况的区别，在现有技术中，经过齿的顶点的半径完全位于相应齿的内部，并且甚至在非对称齿的情况下，也是大体上位于相应齿的内部。
在图5中所示的实施例的细节中，排出侧16包括与面对的齿轮的对应齿配合的第一尖状部分16'和带有不与面对的齿轮的对应齿配合的喉部的第二连接区段16"。
优选地，排出侧16的该第二连接区段16"具有面向相对于驱动侧15的相同方向的凹面。
更有利地，排出侧16的第二连接区段16"大体上平行于驱动侧15。
第一尖状部分16'的轮廓可以选择成渐开线，即大体上接近传统构造的齿所制成的轮廓，或者其可以不同于这种形状，例如可以为带有圆形轮廓的圆弧形状。
在第一尖状部分16'与第二连接区段16"之间可以设置具有变化构造的短连接区段，这也是为了构造需要，基本上不会影响泵的性能。
依照该最后一个实施例，甚至可以说，齿14实际上正好在作业侧15塌陷，这在任何情况下都限定了尺寸设计成承受泵使用期间的机械应力的齿厚，这也是为了高压。
在图4中可以清楚地看到，依照本发明制成的齿构造中，齿距P1约为0.7P2(在任何情况下，齿距P1等于或小于0.9P2，优选小于0.8P2)，该齿构造使得凹进的排出侧的轮廓在其凹入部分16"处与具有等直径和等齿高的传统齿轮的齿所具备的工作侧的轮廓大体上一致。
由本发明基于齿高和齿距实现的意想不到的效果还可以参照图6示出。通常，用于高性能和高压的带有直齿的齿轮泵的齿数可以在9到12之间，本创新性几何形状一方面使得对于相同的比容量而言可以采用几乎两倍数量的齿，从而使压力波动急速下降，或者另一方面使得可以采用同样数量的齿，而使比容量增加几乎50％，理论上完全允许所有的中间选择。
在所有情况下，无论是对于等齿高而言增加齿数，还是对于相同齿数而言增大齿高，亦或进行中间选择(这从描述啮合的公式中都是众所周知的)，都实现了横向覆盖系数的急速增大，正如众所周知的，这对机械噪声产生了有利的影响，即机械噪声降低。
附图标记30表示具有依照目前技术构造的两个配合侧的齿。
可以看到，侧31的轮廓与侧32的轮廓在点33处相交，由此确定最大理论可容许齿高。
因为齿的轮廓的完全尖状形状是不可接受的，所以实际上，最大齿高将仍然相当小。
依照本发明，完全抛弃了依照配合轮廓构造齿的排出侧的要求。
这样，依照本发明的齿可以具有遵循理论配合轮廓31、甚至超过点33的工作侧，由此确定更大的齿高。
依照本发明的齿的排出侧将具有用36表示的轮廓，该轮廓确定了齿部分37，该齿部分可以存在于对称齿不会被允许存在材料的位置，而在具有对称轮廓的齿中允许的部分38中缺少材料，该部分38在依照本发明的齿形中是不存在的，以避免啮合齿形之间的干扰。
由此实现了获得更大的齿形相贯度或使齿轮以更小的中心距和节圆直径工作并且在减小圆形节圆线的情况下增加齿数的目的。
从上面的描述可以看到，依照本发明的带有非对称侧的齿的排出侧具有与配合轮廓相差很远的、趋近于凹形的轮廓，但是该轮廓也允许为大体直线形的。
排出侧的"局部"压力角将趋近于负，最大达到约1-2,5°。
齿的弧齿厚实质上是虚值：实际上，由表达式"线节圆周长/齿数/2"计算得到的弧齿厚产生一值，该值不影响齿的材料厚度(该材料厚度小得多)，也不是在齿完成的情况下齿将具有的厚度(而且因为最小压力角，该厚度将大得多)。
如果参数化实模数，啮合时相贯的齿的齿高相对于目前技术中使用的参数来说过大。一旦实模数已经定义为运行节圆直径/齿数，在现有技术中的用于泵的齿轮中，得到的直径与中心距(相贯时的齿高)/实模数之差等于约2-2.2；而在本发明形成的几何形状中，该参数的值为大约3-3.5。
因此，排出侧在其凹入或直线部分的局部压力角优选小于5°，更优选小于2.5°，并且优选为负。
依照本发明构造的齿轮在波动方面尤其有利，所述齿轮的齿数在15到23个齿的范围内，更优选在16到22个齿的范围内，甚至更优选在17到21个齿的范围内。
由此可见，依照本发明的齿轮泵实现了之前概述的目的。
实际上，对于相同的体积，这种泵具有更多数量的齿但不会恶化泵的功能，并且因而由"波动"现象引起的噪声较小。
此外，齿数的增加不但不对应于齿高及齿的相贯度的减小，而是相反地，其实际上对应于齿高及齿的相贯度的增大。
由此构思的本发明的泵可以进行许多修改和变形，所有这些修改和变形都由同一发明构思覆盖；此外，所有零件都可以由技术上等效的元件代替。实际上，所使用的材料和尺寸可以根据技术要求设计。
依照本发明的齿的构造尤其适用于带有直齿的齿轮，但是其也可以被采用在带有螺旋齿的齿轮中，特别是被采用在带有小螺旋角的齿轮中。
另外，当该装置用作"马达"时，也借助于上述作为"泵"的装置实现如上所述依照本发明获得的优点，特别是在所输送的流体体积、波动减小和由较多齿数确定的操作安静度方面的优点。

Claims (17)

1.一种用于齿轮泵或马达的齿轮，包括多个非对称齿(14)，每个非对称齿(14)包括：带有凸起形状的驱动侧(15)，所述驱动侧和与所述齿轮相接合的对置齿轮的对应齿的凸起驱动侧相配合；和排出侧(16)，所述排出侧在其大部分长度上限定为所述凸起形状的空腔(25)，其特征在于，所述排出侧(16)构造成，使得经过每个非对称齿(14)的末端的半径(L)至少与所述排出侧(16)相切，或者与所述排出侧相交，所述非对称齿之间的齿距小于如下的渐开线对称齿之间的齿距的0.9，所述渐开线对称齿的侧的轮廓对应于相同直径和齿高的齿轮的驱动侧的轮廓。
2.如权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述半径(L)在限定位于所述非对称齿(14)的外部的区段(L')的两个点(17，18)处与所述排出侧(16)相交。
3.如权利要求1或2所述的齿轮，其特征在于，所述排出侧(16)的轮廓没有凸度。
4.如权利要求1或2所述的齿轮，其特征在于，所述排出侧(16)的轮廓相对于所述驱动侧(15)具有面向相同方向的凹面。
5.如权利要求3所述的齿轮，其特征在于，所述排出侧(16)大体上平行于所述驱动侧(15)。
6.如权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述非对称齿之间的齿距小于所述渐开线对称齿之间的齿距的0.8。
7.如权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述非对称齿之间的齿距为所述渐开线对称齿之间的齿距的0.7。
8.一种齿轮泵或马达(10)，包括：第一驱动齿轮(11)，所述第一驱动齿轮能被致动而绕自己的轴线(12)作旋转运动(M)；和第二从动齿轮(13)，所述第二从动齿轮与所述第一驱动齿轮(11)相啮合，所述第一驱动齿轮(11)和第二从动齿轮(13)的每个齿(14)均包括驱动侧(15)和排出侧(16)，每个齿(14)的所述驱动侧(15)和排出侧(16)相对于彼此不对称，所述第一驱动齿轮(11)和第二从动齿轮(13)的对应齿(14)的驱动侧(15)相互配合，所述第一驱动齿轮(11)和第二从动齿轮(13)的齿(14)的排出侧(16)不相互配合，其特征在于，所述排出侧(16)构造成，使得经过所述齿(14)的末端的半径(L)与所述排出侧(16)相切或与所述排出侧相交，并且所述齿之间的齿距小于如下的渐开线对称齿之间的齿距的0.9，所述渐开线对称齿的侧的轮廓对应于相同直径和齿高的齿轮的驱动侧的轮廓。
9.如权利要求8所述的齿轮泵或马达(10)，其特征在于，所述经过所述齿(14)的末端的半径(L)在限定位于所述齿(14)的外部的区段(L')的两个点(17，18)处与所述排出侧(16)相交。
10.如权利要求8或9所述的齿轮泵或马达(10)，其特征在于，所述排出侧(16)包括共轭的第一末端区段(16')和带有所述齿(14)的喉部的非共轭的第二连接区段(16")。
11.如权利要求10所述的齿轮泵或马达(10)，其特征在于，所述排出侧(16)的所述第二连接区段(16")相对于所述驱动侧(15)具有面向相同方向的凹面。
12.如权利要求11所述的齿轮泵或马达(10)，其特征在于，所述排出侧(16)的所述第二连接区段(16")大体上平行于所述驱动侧(15)。
13.如权利要求8、9、11、12中任一项所述的齿轮泵或马达(10)，其特征在于，所述排出侧(16)包括朝向齿的齿顶的第一凸起区段，所述第一凸起区段在对置齿轮中与第二凹入区段的一部分共轭，所述第二凹入区段将对置齿轮的排出侧的第一凸起区段与齿的齿底连接。
14.如权利要求8、9、11、12中任一项所述的齿轮泵或马达(10)，其特征在于，所述排出侧(16)包括朝向齿的齿顶的第一凸起区段和第二凹入区段，所述第二凹入区段将所述排出侧的第一凸起区段与齿的齿底连接，所述第二凹入区段在节圆的外部延伸。
15.如权利要求8、9、11、12中任一项所述的齿轮泵或马达(10)，其特征在于，配合的凸起侧远至齿的齿顶不具有配合形状，其形成朝向齿的齿顶的一段轮廓，该段轮廓不与对置齿轮的轮廓共轭，而是只用于增大外径、齿轮的相贯度，并因而用于增大比容量，同时减小波动。
16.如权利要求8所述的齿轮泵或马达(10)，其特征在于，彼此不对称的所述齿(14)之间的齿距小于所述渐开线对称齿之间的齿距的0.8。
17.如权利要求8所述的齿轮泵或马达(10)，其特征在于，彼此不对称的所述齿(14)之间的齿距为所述渐开线对称齿之间的齿距的0.7。
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