一种行星齿轮式静压耦合传动机构.pdf

本发明提供一种行星齿轮式静压耦合传动机构，包括：传动模块、控制模块、传动油液；所述传动模块包括：双转子静压耦合传动机芯和支架；所述双转子静压耦合传动机芯包括：行星齿轮转子和独立齿轮转子，所述独立齿轮转子上的齿轮与所述行星齿轮转子中的行星齿轮啮合；所述行星齿轮转子包括：行星齿轮、密封块和端盖，所述端盖与密封块固定与一体，所述行星齿轮布置于端盖之间；所述控制模块是由液压压力、流量控制元件构成的液压控制回路。该联轴器具有启动、过载保护能力，同时传动效率高，而且容易控制。当使用磁流变液作为传动油液时，本发明还具有控制灵敏度高、易于实现计算机自动控制的优点。

权利要求书1.  一种行星齿轮式静压耦合传动机构，包括：传动模块(1)、控制模块(2)、传动油液；所述传动模块(1)包括：双转子静压耦合传动机芯(3)和支架(4)；所述双转子静压耦合传动机芯(3)包括：行星齿轮转子(31A；31B)和独立齿轮转子(32A；32B)，所述独立齿轮转子(32A；32B)上的齿轮与所述行星齿轮转子(31A；31B)中的行星齿轮(311)啮合；所述行星齿轮转子(31A；31B)包括：行星齿轮(311)、密封块(312A；312B)和端盖(313A，314A；313B，314B)，所述密封块(312A；312B)固定在两端盖(313A，314A；313B，314B)之间，三者连成一体，所述行星齿轮(311)布置于两个端盖(313A，314A；313B，314B)之间；其特征在于：所述行星齿轮转子(31A；31B)和独立齿轮转子(32A；32B)都能够绕同一轴线转动，且这两者之一用转动副与所述支架(4)连接，行星齿轮转子(31A；31B)、独立齿轮转子(32A；32B)和支架(4)这三者两两之间能够发生相对转动；所述行星齿轮转子(31A；31B)和独立齿轮转子(32A；32B)共同围成了液压腔室(315)，这些液压腔室(315)分布于每个行星齿轮(311)的两侧，液压腔室(315)内充满了传动油液，在端盖(313A，314A；313B，314B)上设有能够将液压腔室(315)与所述控制模块(2)连通的传动油液通道(316)；所述控制模块(2)是由液压压力、流量控制元件构成的液压控制回路，该回路通过前述传动油液通道(316)与传动模块(1)内的液压腔室(315)连通并组成一个液压系统；利用传动模块(1)所传递扭矩大小与液压系统压力、流量大小的耦合关系，控制模块(2)控制系统的压力、流量就能够控制传动模块(1)所传递扭矩大小。2.  根据权利要求1所述的一种行星齿轮式静压耦合传动机构，其特征在于：所述传动油液为磁流变液。

说明书一种行星齿轮式静压耦合传动机构
技术领域
本发明属于液压传动技术领域，特别涉及一种行星齿轮式静压耦合传动机构，本发明是通过改进现有齿轮泵技术来实现的。
背景技术
液力耦合器又称作液力联轴器，是一种非刚性的传动机构，在冶金设备、矿山机械、电力设备、化工、汽车、船舶等领域有广泛的应用。
液力耦合器具有如下结构，它的泵轮和涡轮组成一个可使液体循环流动的密闭工作腔，泵轮装在输入轴上，涡轮装在输出轴上。动力机带动输入轴旋转时，液体被离心式泵轮甩出。这种高速液体进入涡轮后即推动涡轮旋转，将从泵轮获得的能量传递给输出轴。最后液体返回泵轮，形成周而复始的流动，依靠液体与泵轮、涡轮的叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。
由于液力耦合器两传动轴之间没有直接相连，而用传动油液在泵轮和涡轮之间周而复始的流动来传递扭矩，这一特点使它对发动机的过载保护效果好。但是，因流动产生摩擦阻力会导致传动油液易发热、油温高，因而能量损耗较大，传动效率低，而且液力耦合器不易控制负载转速，控制灵敏度低，响应时间长。因此，液力耦合器这些缺陷限制了它的应用范围。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种传动机构，该传动机构具有过载保护能力，同时与现有的液力偶合器相比，其传动效率高、容易控制。
本发明更进一步解决的技术问题是提供了一种行星齿轮式静压耦合传动机构，包括：传动模块、控制模块、传动油液；所述传动模块包括：双转子静压耦合传动机芯和支架；所述双转子静压耦合传动机芯包括：行星齿轮转子和独立齿轮转子，所述独立齿轮转子上的齿轮与所述行星齿轮转子中的行星齿轮啮合；所述行星齿轮转子包括：行星齿轮、密封块和端盖，所述密封块固定在两端盖之间，三者连成一体，所述行星齿轮布置于端盖之间；所述行星齿轮转子和独立齿轮转子都能够绕同一轴线转动，且这两者之一用转动副与所述支架连接，行星齿轮转子、独立齿轮转子和支架(4)这三者两两之间能够发生相对转动；所述行星齿轮转子和独立齿轮转子共同围成了液压腔室，这些液压腔室分布于每个行星齿轮的两侧，腔室内充满传动油液，在所述端盖上设有能够将液压腔室与所述控制模块连通的传动油液通道；所述控制模块是由液压压力、流量控制元件构成的液压控制回路，该回路通过前述传动油液通道与传动模块内的液压腔室连通并组成一个液压系统；利用传动模块所传递扭矩大小与液压系统压力、流量的大小的耦合关系，控制模块控制系统的压力、流量就能够控制传动模块所传递扭矩大小。
工作时，将独立齿轮转子和行星齿轮转子中一个作为主动转子与发动机连接，另一个作为从动转子与负载连接，在全联动状态下，即两转子以相等的速度转动时，行星齿轮处于锁死状态，液压系统内传动油液无法流动。此时，扭矩由主动转子直接传递给从动转子，传动油液只起到控制扭矩的作用。所以在此状态下，本发明较传统的液力偶合器传动效率高；并且，控制主动转子的转速能够直接控制从动转子的转速，容易控制，且响应迅速。
作为本发明一种行星齿轮式静压耦合传动机构的另一项改进，使用磁流变液作为传动油液，这样能够使用磁流变阀控制压力、流量。由于磁流变液对磁场变化响应迅速，因此控制灵敏度高，而且易于实现计算机自动控制。
附图说明
图1为本发明实施方式一的双转子静压耦合传动机芯的主要零部件分解立体示意图。
图2为本发明实施方式一的传动模块的立体示意图。
图3为本发明实施方式一的传动模块内部剖视图。
图4为本发明实施方式二的双转子静压耦合传动机芯的主要零部件分解立体示意图。
图5为本发明实施方式二的传动模块的立体示意图。
图6为本发明实施方式二的传动模块内部剖视图。
图7为本发明传动模块后视图。
图8为本发明传动模块与控制模块连接的立体示意图。
图9为本发明控制模块内的液压控制回路示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，以便更清晰的展示本发明的构思、所解决的技术问题、构成技术方案的技术特征和带来的技术效果。但需要明确的是，对以下实施方式的说明是示意性的，并不构成对本发明的具体限定。本发明包含但不限于以下实施方式，在不脱离本发明原理、构思的情况下，任何对以下实施方式进行的变化、修改、替换和变型均属于本发明的保护范围。
如图2、4、7、8所示，一种行星齿轮式静压耦合传动机构，包括：传动模块(1)、控制模块(2)、传动油液；所述传动模块(1)包括：双转子静压耦合传动机芯(3)和支架(4)。
实施方式一如图1-3所示，所述双转子静压耦合传动机芯(3)包括：行星齿轮转子(31A)和独立齿轮转子(32A)；所述独立齿轮转子(32A)为一个内齿圈，该内齿圈与行星齿轮转子(31A)中的行星齿轮(311)啮合；所述行星齿轮转子(31A)包括：行星齿轮(311)、密封块(312A)和端盖(313A，314A)，所述密封块(312A)固定在两端盖(313A，314A)之间，三者连成一体，所述行星齿轮(311)布置于两端盖(313A，314A)之间（在该实施方式中，独立齿轮转子(32A)从外侧包裹行星齿轮转子(31A)，所以独立齿轮转子(32A)叫做外转子，行星齿轮转子(31A)叫做内转子）。
实施方式二如图4-6所示，所述双转子静压耦合传动机芯(3)包括：行星齿轮转子(31B)和独立齿轮转子(32B)；所述独立齿轮转子(32B)为齿轮轴，该齿轮轴上的齿轮与所述行星齿轮转子(31B)中的行星齿轮(311)啮合；所述行星齿轮转子(31B)包括：行星齿轮(311)、密封块(312B)和端盖(313B，314B)，所述密封块(312B)固定在两端盖(313B，314B)之间，三者连成一体，所述行星齿轮(311)布置于两端盖(313B，314B)之间（在该实施方式中，行星齿轮转子(31B)从外侧包裹独立齿轮转子(32B)，所以行星齿轮转子(31B)叫做外转子，独立齿轮转子(32B)叫做内转子）。
在以上两种实施方式中，所述行星齿轮转子(31A；31B)和独立齿轮转子(32A；32B)都能够绕同一轴线转动，且这两者之一用转动副与所述支架(4)连接，行星齿轮转子(31A；31B)、独立齿轮转子(32A；32B)和支架(4)这三者两两之间能够发生相对转动；所述行星齿轮转子(31A；31B)和独立齿轮转子(32A；32B)共同围成了液压腔室(315)，这些液压腔室(315)分布于每个行星齿轮(311)的两侧，液压腔室(315)内充满了传动油液，在所述端盖(313A，314A；313B，314B)上设有能够将液压腔室(315)与所述控制模块(2)连通的传动油液通道(316)（可以在两个端盖(313A，314A；313B，314B)中的一个上设置传动油液通道(316)，也可以两个端盖(313A，314A；313B，314B)都设置传动油液通道(316)，但是无论怎样设置，只要能够将所述液压腔室(315)与所述控制模块(2)连通，而且控制模块(2)能够控制系统的压力、流量，就能够实现本发明的目的）。
如图9所示，所述控制模块(2)是由溢流阀（22）、比例阀（21）构成的液压控制回路，该回路通过前述传动油液通道(316)与传动模块(1)内的液压腔室(315)连通并组成一个液压系统（此处采用溢流阀（22）作为系统压力控制元件，采用比例阀（21）作为系统流量控制元件，但需要说明的是，本发明所述压力、流量控制的液压元件包含但不限于以上列举的类型）。在以上的实施方式中，整个控制模块(2)固定于行星齿轮转子(31A；31B)上，跟随其同轴线转动的，这样设计结构紧凑、泄漏少。也可以用旋转接头把控制模块(2)与行星齿轮转子(31A；31B)连接起来，这样控制模块(2)固定不动，便于控制。上述连接方式各有优势，无论使用上述哪种方式连接，只要能够将控制模块(2)与行星齿轮转子(31A；31B)内的传动油液通道(316)连通，而且控制模块(2)能够控制系统的压力、流量，就能够实现本发明的目的。
将行星齿轮转子(31A；31B)和独立齿轮转子(32A；32B)中一个作为主动转子与发动机连接，另一个作为从动转子与负载连接，由于主动转子旋转方向的改变会引起传动油液流动方向的改变，以下以图9所示传动油液流动方向为例进行说明（将本发明与负载、发动机等连接时，可根据需要将链轮、皮带轮或齿轮等与外转子固定在一起，并与之同轴线转动，以方便传递动力）。主动转子的转动驱使行星齿轮(311)自转；行星齿轮(311)发生自转后就会从其一侧的液压腔室(315)吸入传动油液，并将传动油液压出到另一侧的液压腔室(315)内，使得与压出侧液压腔室(315)连通的液压系统压力升高；同时，液压腔室(315)内高压的传动油液会阻碍行星齿轮(311)的自转，于是行星齿轮(311)就会将扭矩传递到从动转子，实现传动。由此可见，主动转子与从动转子之间所传递的扭矩的大小与液压系统压力大小存在耦合关系，即转子之间传递的扭矩越大，液压系统的压力也越高。因此，通过调节溢流阀（22）就能控制液压系统的最大压力值，从而控制主动转子与从动转子之间所能够传递的最大扭矩值，以实现限制扭矩、保护发动机的功能。液压系统的流量大小与两转子之间的相对转速（转差）大小相关，即相对转速（转差）越大，液压系统的流量也越大。因此调节比例阀（21）就能控制主动转子与从动转子之间的相对转速（转差）大小。
启动发动机时，将比例阀（21）开至最大（此时行星齿轮式静压耦合传动机构为分离状态，不传递扭矩），此后缓慢关闭。在关闭该阀过程中，它对传动油液流动阻碍作用逐渐增大，传动油液流量逐渐减小，同时液压系统压力逐渐升高。因此主动转子与从动转子之间传递的扭矩也会逐渐增大，从动转子的转速逐渐升高（此过程中行星齿轮式静压耦合传动机构处于半联动状态，两转子的转差由大逐渐变小，直至趋于零）。当该比例阀（21）被完全关闭时，行星齿轮(311)处于锁死状，主动转子与从动转子以相等的速度转动（此时行星齿轮式静压耦合传动机构进入全联动状态），发动机的输出扭矩与负载扭矩相等，发动机启动过程结束。由此可见，本发明使发动机启动时经过了负载扭矩逐渐增大这一过程，这就实现了本发明对发动机的启动保护功能。
在启动过程结束后，行星齿轮式静压耦合传动机构进入全联动状态。此时，比例阀（21）被完全关闭，液压系统的压力低于溢流阀（22）所设定的最大值，溢流阀（22）处于关闭状态，并且行星齿轮(311)处于锁死状态无法自转，主动转子与从动转子以相等的速度转动。在这样的状态下，液压系统内传动油液无法流动，这就不会产生液体的摩擦阻力损耗，因此传动油液不易发热。同时，因为两转子以相等的速度转动，所以控制发动机的转速能够直接控制负载的转速，并且控制响应迅速、传动效率高。
在发动机正常工作时，如果负载发生异常，突然停止转动而卡死；本发明的液压系统压力也会突然升高，当系统压力超出溢流阀（22）所设定的最大值时，溢流阀（22）自动打开，以降低系统压力，从而减小传动转子之间所传递的扭矩大小。同时行星齿轮(311)解除锁死状态，开始自转。这样，即便是从动转子因负载异常而停转，本发明也会使主动转子与从动转子分离，让主动转子能够继续转动，这就能够将发动机与异常的负载隔离（此时本发明进入堵转状态，即在传递扭矩的同时，主动转子旋转而从动转子停转）。
作为本发明一种行星齿轮式静压耦合传动机构的另一项改进，使用磁流变液作为传动油液。磁流变液（Magnetorheological Fluid，MRF）是智能材料的一种，是将在磁场作用下可极化的微小固体磁性颗粒均匀分散在基液中而形成的悬浮液，其流变特性随外加磁场的变化而变化。在外加磁场的作用下，磁流变液能在瞬间(毫秒级)从自由流动的牛顿流体转变为具有一定剪切屈服强度的近似固体的粘塑性体，撤去外加磁场后又恢复为自由流动的牛顿流体状态，且这种转变具有连续、可逆、可控的特性。外加磁场对磁流变液的粘度、塑性和粘弹性等特性的影响称为磁流变液的磁流变效应。随着纳米技术的发展，纳米铁磁性颗粒进入产品化生产，由于纳米颗粒具有的表面效应和体积效应，纳米铁磁性颗粒制成的磁流变液的悬浮稳定性有了显著的提高，铁磁性颗粒直径一般在1-60nm范围内，在此范围内的颗粒不会对液压系统造成污染，也不会对系统的工作造成影响，因此磁流变液能够作为液压系统的工作介质。
使用磁流变液作为传动油液的好处在于，能够使用性能优良的磁流变阀替代传统的液压阀来控制液压系统的压力、流量。例如，用磁流变溢流阀来控制液压系统压力大小，用磁流变比例阀来控制液压系统流量大小。
磁流变阀是利用磁流变液的磁流变效应来制作的液压阀，这些元件的性能优于传统液压阀，为磁流变液压系统的设计与研究奠定了基础，也为液压传动与控制技术开辟了新的研究方向。磁流变溢流阀和磁流变比例阀都属于磁流变阀，它们由衔铁和线圈组成，磁流变液从衔铁和线圈之间的间隙流过。当线圈通电时，衔铁和线圈间隙形成一定的磁场，流经间隙的磁流变液在磁场的作用下黏度逐渐增大，流动阻力也随之增大，使阀门进口压力增高，由此减缓或停止液体的流动，只有当压力达到一定值时，磁流变液才恢复原流动状态，继续流动。磁流变溢流阀、磁流变比例阀就是使用这一原理设计的用于压力、流量控制的液压阀门。
由于磁流变液对磁场变化响应迅速，因此用磁流变阀对其进行控制时，具有控制灵敏度高的优点，而且易于实现计算机自动控制。