1 外行星摆线针轮液压马达结构原理
研究设计的新型外行星摆线针轮液压马达主要 由如图 1 所示的液力转换机构、如图 2 所示的孔销输 出机构、如图 3 所示的端面配油机构及其他附件组成。 马达二维图形结构参见文献［2］，外形如图 4 所示。
液力转换机构采用带左右轴头上装有角接触轴
* 浙江省科技厅资助项目( 2008C21147)
图 11 应力探测
835 MPa，安全性高，材 料 富 裕 度 过 大，可 以 减 小 其 内、
外径尺寸，也可以选用屈服极限相对较小的材料，以
降低成本。
2. 2 摆线齿轮轴尺寸优化分析
1) 设计变量 X 的建立: X = ［x1 ，x2 ，x3 ，x4］T = ［D，A，K，b］T 式中: D 为摆线齿轮轴的外径( 为当量直径) ; A 为该轴
由液力转换机构中的轴摆线齿轮处进油，径向输 入，轴向输出到针轮体，在针轮体中进行液力转换，内 部转 1 圈，外部转 7 圈。再由轴向输出动力到孔销输 出机 构，由 孔 销 输 出 机 构 带 动 花 键 轴 转 动，完 成 液 压 马达的动力传动。
2 主要结构件优化分析
优化的基本原理是通过建立优化模型，让其满足 设计 条 件，运 用 优 化 方 法，求 得 目 标 函 数 的 极 小 值 而 得到最优设计方案。
URES / m 1. 06E － 06 1. 16E － 06 8. 34E － 07 4. 56E － 07 4. 70E － 07 1. 46E － 06 8. 52E － 07
x / mm 50. 025 50. 9 59. 65 48. 275 48. 275 53. 525 59. 65
0 引言
传统的内行星摆线齿轮液压马达以其结构简单、 体积 小、转 矩 大、单 位 质 量 功 率 远 比 其 他 类 型 的 液 压 马达大，且转速范围广、使用可靠、低速稳定性好和价 格低廉等优点，自问世以来获得了迅速发展; 被广泛 用于塑 料 机 械、工 程 机 械、农 业 机 械、煤 矿 机 械、起 重 运输机械、渔业( 船舶) 机械以及专用机床等。
轴的许用扭转角，此处取［Φ］= ( 0. 5 ～ 1) ° / m。
( 2) 马达排量 q 为:
[ ] q =
4KZp br2p sin
180( Zp
1
－
0.
1619
×
1 + K) KK2
×
( ) 1 + 1 Zc
式中: rp为针轮针齿分度圆半径; K2 为针轮短幅系数。
( 3) 马达扭矩:
Mmax
2011 年第 3 期
现代制造工程( Modern Manufacturing Engineering)
设备设计 /诊断维修 /再制造
船用外行星摆线针轮液压马达的
*
结构优化设计
戎瑞亚1 ，章海2 ，刘全良2 ( 1 浙江海洋学院船舶与建筑工程学院，舟山 316000; 2 浙江海洋学院机电工程学院，舟山 316000)
四点的雅克比式检查进行网格划分，得到网格化有限 元模型，如图 6 所示。
图 6 网格化有限元模型
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2011 年第 3 期
现代制造工程( Modern Manufacturing Engineering)
在模态研究 中，分 别 添 加 设 计 变 量 和 约 束，得 到 位移、应力和应变图解，如图 7、图 8 和图 9 所示; 并在 齿轮中依次取 7 个节点进行探测，其静态位移如表 1 所示，位移、应力探测结果如图 10、图 11 所示。
=
Δpmax qη总 2π
式中: Mmax 为马达最大扭矩; Δpmax 为马达进出口最大 压差; η总 为机械效率。
( 4) 摆线齿轮齿宽: 取 14≤b≤20，即 14≤x4 ≤20。 ( 5) 短幅系数: 取 0. 4375≤K≤1，即 0． 4375≤x3 ≤ 1。
( 6) 当量外径 D 和内径 d: 取 27≤D≤30，12≤d≤
图 8 中，齿轮轴在加载情况下的 VonMises 应力比 较小，最大应力约100. 3MPa，远小于材料的屈服极限
图 10 位移探测
图 7 位移图解( 合力位移)
图 8 应力图解( Von Mises)
图 9 应变图解( 等量)
表 1 静态位移
节点 51996 52594 52760 90420 61886 52710 6034
现有内行星摆线齿轮液压马达是一种以针轮作 为 固 定 太 阳 轮，摆 线 齿 轮 为 行 星 轮 的 液 力 传 动 机 构， 其运动输出采用一球形内齿外套万向节轴来连接花 键轴头，轴向尺寸相对较大; 另其循环油路设计复杂， 密封不充分，采 用 的 轴 向 配 流 方 式 因 其 流 量 不 断 变 化，使得液压马达的总效率和调速范围难以提高; 齿 数和功率受到原理性结构限制，很难大幅度扩展，在
Structural optimization design of a marine outer planet-cycloid hydraulic motor
RONG Rui-ya1 ，ZHANG Hai2 ，LIU Quan-liang2 ( 1 School of Navel Architecture and Civil Engineering，Zhejiang Ocean University，
3) 约束条件的选择: 目标函数应受到的约束条件
如下。
戎瑞亚，等: 船用外行星摆线针轮液压马达的结构优化设计
2011 年第 3 期
( 1) 刚度条件: 该摆线齿轮轴应满足扭转刚度要
求，最大扭转角 Φmax 为:
Φmax
=
180 32T π πG( D4 － d4 )
≤ ［Φ］
式中: T 为轴的扭矩; G 为材料剪变弹性模量; ［Φ］为
船舶动力传动应用中有很大的局限性［1］。 本文提出一种其相对运动原理与内行星摆线齿
轮一致的一齿差“外行星摆线针轮”液压马达，该外行 星摆线针轮液压马达可以有更大的转矩、更高的转速 和更大的 功 率，且 体 积 小，应 用 更 为 广 泛。 为 使 设 计 的新型液压马达结构更趋紧凑合理，通过 SolidWorks 建模并运用 CosmosWorks 和 Matlab 优化工具箱对其 主要结构件进行优化设计。
和针轮的偏心距; K 为短幅系数; b 为摆线齿轮齿宽。
2) 目标函数的确定: 以摆线齿轮轴的最小体积为
目标函数。
对轴的体积 V 进行简化计算:
V
=
π(
d24 － 4
82 )
L1
+
π(
D2 － 4
d2 )
L2
+
π( d22 － d23 ) b + π( d23 － d2 ) b
8
4
式中: d4 为轴输出端直径，d4 = 15mm; d 为摆线齿轮轴 内径，d = ZcA = 6A，Zc为摆线齿轮齿数，Zc = 6; d2 为摆 线齿轮齿顶圆直径，d2 = 2 ( r + A － d1 /2) ，r 为针齿分 度圆半径，r = Zp A / K，Zp 为针轮数，Zp = Zc + 1，d1 为针 柱体直径，d1 = 16mm; d3 为齿根圆直径，d3 = 2( r － A － d1 /2) ; L1 、L2 见图 5，L1 = 21. 6mm，L2 = 83. 8mm。
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戎瑞亚，等: 船用外行星摆线针轮液压马达的结构优化设计
2011 年第 3 期
图 1 液力转换机构
图 2 孔销输出机构
图 3 端面配油机构 图 4 外行星针轮摆线液压马达
承的摆线齿轮( 内齿轮) 固定为太阳轮，针轮为行星轮 活套组合构成，以外行星摆线针轮啮合传动原理为基 础，将液压能通过齿轮副啮合旋转运动转化为液力矩。
Zhoushan 316000，Zhejiang，China; 2 School of Electromechanical Engineering， Zhejiang Ocean University; Zhoushan 316000，Zhejiang，China)
Abstract: Proposes a new marine outer planet-cycloid hydraulic motor． Based on SolidWorks，3D solid model is analysed by CosmosWorks software and then structure sizes are optimized by Matlab optimum toolbox． In the result，the optimal structure of the hydraulic motor is obtained． The hydraulic motor is more compact and better performance． Key words: outer planet; cycloid pin wheel; hydraulic motor; structures optimized
y / mm － 21. 375 － 10. 948
－ 0. 95541 9. 7932
－ 22. 966 － 16. 976 － 23. 413
注: URES 为合力位移。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
118
z / mm － 15. 42 － 18. 341 － 26. 698 － 19. 586
7. 0129 － 17. 235 － 12. 604
摘要: 研究设计了一种新型船用外行星摆线针轮液压马达。以 SolidWorks 三维造型软件为基础，采用 CosmosWorks 有限 元分析软件与 Matlab 优化工具箱相结合，以体积为目标建立结构优化设计模型，完成了新型船用外行星摆线针轮液压 马达主要结构件的优化设计。结果表明，通过该方法设计的液压马达结构紧凑，体积更小，性能更优。 关键词: 外行星; 摆线针轮; 液压马达; 结构优化 中图分类号: TP391. 7 文献标志码: A 文章编号: 1671—3133( 2011) 03—0116—04