齒輪液壓泵的結(jié)構(gòu)合理性探討

張宗元，趙升噸

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引言

齒輪泵是以嚙合原理工作的液壓泵，目前銷售和使用的液壓齒輪泵主要有兩種結(jié)構(gòu)形式，即外嚙合齒輪泵和內(nèi)嚙合齒輪泵。齒輪泵是現(xiàn)代液壓技術(shù)中結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單、價(jià)格最低、產(chǎn)量及用量最大的一種液壓泵，尤其是標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線外嚙合直齒齒輪泵由于其齒輪易于加工和檢測(cè)，應(yīng)用極為普遍。而由于齒輪泵本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致齒輪泵產(chǎn)生泄漏、 徑向液壓力不平衡和困油現(xiàn)象，影響了齒輪泵的額定壓力和容積效率；導(dǎo)致使用壽命縮短；產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲并引起振動(dòng)和氣蝕，影響工作平穩(wěn)性，難以實(shí)現(xiàn)高壓化。

1 傳統(tǒng)齒輪泵存在的不足

1.1 外嚙合齒輪泵

外嚙合齒輪泵是最簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍最廣的齒輪泵，其工作原理如圖1 所示。外嚙合齒輪泵由兩個(gè)相互嚙合的齒輪以及容納它們的泵體和前后泵蓋所組成。當(dāng)主動(dòng)齒輪1 和從動(dòng)齒輪2 按圖示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于靠吸油腔側(cè)嚙合的齒逐漸退出嚙合，空間增大，形成局部真空，油在外界大氣壓作用下進(jìn)入吸油腔；而排油腔側(cè)的齒逐漸進(jìn)入嚙合，把齒間的油液擠壓出來(lái)，從壓油口強(qiáng)迫流出。當(dāng)齒輪不斷轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪泵就不斷吸油和壓油。這就是齒輪泵的工作原理。

圖1 外嚙合齒輪泵工作示意圖

|該齒輪泵應(yīng)用十分廣泛，其設(shè)計(jì)和生產(chǎn)水平已趨于成熟，目前這種齒輪泵的額定壓力可達(dá)25MPa。不過(guò)，外嚙合齒輪泵在工作過(guò)程中，兩個(gè)齒輪會(huì)受到徑向液壓力和齒輪嚙合力的作用，其徑向液壓力受力示意圖如圖2 所示。雖然現(xiàn)在有采用平衡槽來(lái)減小齒輪（軸承）的徑向不平衡力，但是仍不能從根本上解決齒輪所受徑向力問(wèn)題，因?yàn)檫@是齒輪泵的結(jié)構(gòu)所決定的。這種因結(jié)構(gòu)受力對(duì)稱性差產(chǎn)生的徑向力，易使齒輪泵產(chǎn)生泄露和磨損，降低軸承壽命。

圖2 外嚙合齒輪泵的徑向液壓力分布示意圖

外嚙合齒輪泵的的瞬態(tài)流量公式為：

從式中可以看出，瞬時(shí)流量是隨齒輪的轉(zhuǎn)角按拋物線規(guī)律變化。隨著嚙合點(diǎn)的移動(dòng)，齒輪的排量發(fā)生周期性的波動(dòng)，其波動(dòng)頻率為主動(dòng)齒輪的齒數(shù)。由于外嚙合齒輪泵的齒數(shù)一般較少，導(dǎo)致外嚙合齒輪泵的流量脈動(dòng)較大。

1.2 內(nèi)嚙合齒輪泵

內(nèi)嚙合齒輪泵和外嚙合齒輪泵的原理完全相同，其工作示意圖如圖3 所示。同外嚙合齒輪泵相比，內(nèi)嚙合齒輪泵除了加工難度有所增加、成本有所提高外，結(jié)構(gòu)更加緊湊、 體積小，特別是可以采用較大面積的吸油窗口，因而吸入性更好，允許轉(zhuǎn)速更高。同時(shí)內(nèi)嚙合泵的流量脈動(dòng)頻率較小，泵的噪聲小，壽命高，容積效率高。近年來(lái)，各國(guó)都比較重視內(nèi)嚙合泵的發(fā)展，相信隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，內(nèi)嚙合齒輪泵將會(huì)越來(lái)越多地代替外嚙合齒輪泵，并廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域中。

圖3 內(nèi)嚙合齒輪泵工作示意圖

但是由于泵結(jié)構(gòu)本身所決定的液壓徑向力、流量脈動(dòng)仍然存在，并且內(nèi)嚙合齒輪泵的設(shè)計(jì)不能采取普通齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)原則和計(jì)算公式，如何采用專門的設(shè)計(jì)方法，選擇合適的參數(shù)設(shè)計(jì)出適合生產(chǎn)制造的內(nèi)嚙合齒輪泵仍然是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前我國(guó)大部分企業(yè)生產(chǎn)內(nèi)嚙合齒輪泵的設(shè)備多為全套進(jìn)口或者大部分引進(jìn)，對(duì)內(nèi)嚙合齒輪泵基本參數(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)齒輪內(nèi)嚙合齒輪泵替代國(guó)外產(chǎn)品已經(jīng)迫在眉睫。

1.3 改善傳統(tǒng)齒輪泵的途徑

無(wú)法提高齒輪泵的工作壓力和降低齒輪泵的流量脈動(dòng)是制約齒輪泵發(fā)展的最關(guān)鍵的因素。齒輪泵本身的徑向力不平衡問(wèn)題，導(dǎo)致了工作壓力增高時(shí)，齒輪泵的徑向液壓力增大，會(huì)造成軸承壽命大大縮短、泵的泄露量加劇，容積效率下降等問(wèn)題。由齒輪泵嚙合原理決定的齒輪泵的流量脈動(dòng)是造成齒輪泵振動(dòng)和噪聲的主要因素，設(shè)法降低齒輪泵的流量脈動(dòng)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高壓化以及低流量脈動(dòng)進(jìn)行了以下研究工作：

（1）對(duì)齒輪泵的徑向間隙進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)對(duì)徑向間隙參數(shù)的合理優(yōu)化，來(lái)降低齒輪泵的徑向力；

（2）通過(guò)優(yōu)化齒輪參數(shù)、縮小排液口尺寸等措施來(lái)降低齒輪泵的徑向液壓力；

（3）采用新材料、采用滑動(dòng)軸承替代滾珠軸承等方式，提高軸承承載能力；

（4）采用增加齒輪齒數(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)非漸開(kāi)線齒輪泵、 增設(shè)濾波的方法來(lái)降低齒輪泵的流量脈動(dòng)，等等。

但是這些措施都沒(méi)有從根本上解決齒輪泵無(wú)法實(shí)現(xiàn)高壓化、低流量脈動(dòng)的問(wèn)題。因?yàn)檫@些問(wèn)題是由齒輪泵的結(jié)構(gòu)本身決定的。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從齒輪泵的結(jié)構(gòu)方面做了很多研究。利用級(jí)聯(lián)齒輪泵、平衡式復(fù)合齒輪泵等結(jié)構(gòu)，使從根本上解決液壓徑向力不平衡問(wèn)題得到了實(shí)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)經(jīng)歷了單齒輪泵—多齒輪泵—雙聯(lián)齒輪泵—平衡式復(fù)合齒輪泵的過(guò)程。

2 平衡式多齒輪泵

普通齒輪泵由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致泵存在無(wú)法避免的流量脈動(dòng)，并且當(dāng)泵的排量增大到一定數(shù)值時(shí)，泵的吸油能力開(kāi)始明顯下降，究其原因是泵的轉(zhuǎn)速到達(dá)一定程度后，由于離心力影響，引起吸油不足。因此當(dāng)需要進(jìn)一步降低泵的流量脈動(dòng)和增大泵的排量時(shí)，往往采用平衡式多齒輪泵和多聯(lián)泵結(jié)構(gòu)。

平衡式多齒輪泵的結(jié)構(gòu)原理如圖4 所示。該泵由太陽(yáng)輪、衛(wèi)星輪、前端蓋、后端蓋以及殼體組成。三個(gè)衛(wèi)星輪均勻分布在太陽(yáng)輪周圍，組成并列的三個(gè)外嚙合齒輪子泵，前端蓋與后端蓋上面布置有進(jìn)油口與出油口，太陽(yáng)輪與衛(wèi)星輪分別由軸套支撐。

圖4 多齒輪泵結(jié)構(gòu)原理圖

由平衡式多齒輪的工作原理可知，當(dāng)太陽(yáng)輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（假設(shè)太陽(yáng)輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)）時(shí)，通過(guò)齒輪嚙合關(guān)系，太陽(yáng)輪帶動(dòng)三個(gè)衛(wèi)星輪做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，形成相互并聯(lián)疊加的三個(gè)外嚙合齒輪子泵，一方面大大增加了泵的排量，另一方面通過(guò)合理設(shè)置參數(shù)，將三個(gè)外嚙合子泵的峰值錯(cuò)開(kāi)，使疊加后的泵的流量脈動(dòng)明顯減小。通過(guò)研究分析可知：

（1）由于結(jié)構(gòu)方面的對(duì)稱性，太陽(yáng)輪所受的徑向液壓力以及齒輪嚙合力是平衡的，有利于提高太陽(yáng)輪運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性以及軸承壽命。

（2）當(dāng)太陽(yáng)輪齒數(shù)z1=3k1+1 時(shí)，多齒輪泵的流量脈動(dòng)最小，此時(shí)三個(gè)內(nèi)嚙合泵的嚙合角相互交錯(cuò)α/3（α 為齒輪嚙合角），假設(shè)每個(gè)子泵的排量為 VB，三個(gè)子泵瞬態(tài)流量疊加交錯(cuò)疊加，其瞬態(tài)流量特性曲線如圖5 所示。

（3）此種平衡式多齒輪泵衛(wèi)星輪數(shù)量可以不限于3 個(gè)，設(shè)衛(wèi)星輪的數(shù)量為N 時(shí)，同樣成立。

圖5 z1=3k1+1 時(shí)多齒輪泵的流量特性曲線

3 多聯(lián)齒輪泵

多聯(lián)齒輪泵的原理是由兩個(gè)或者兩個(gè)以上的普通齒輪泵組合而成。有并聯(lián)和串聯(lián)組合兩種方式，串聯(lián)方式的多聯(lián)泵，工作壓力為單級(jí)泵的N 倍（N 為泵級(jí)數(shù)），并聯(lián)泵的流量為單級(jí)泵的N 倍，同時(shí)可利用泵的瞬態(tài)流量疊加特性將各個(gè)單級(jí)泵的峰值錯(cuò)開(kāi)，降低泵的流量脈動(dòng)。多聯(lián)泵一般共用一個(gè)輸入軸，有多個(gè)進(jìn)油口和出油口。為了適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境，可獲得多種流量。

圖6 為雙聯(lián)內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)示意圖，該泵采用單輸入、雙輸出的模式，具有一個(gè)進(jìn)油口兩個(gè)出油口。兩個(gè)內(nèi)嚙合泵之間用細(xì)牙花鍵連接，該泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、噪聲小、流量脈動(dòng)小等特點(diǎn)。

圖6 雙聯(lián)內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)示意圖

4 平衡式復(fù)合齒輪泵

平衡式復(fù)合齒輪泵，是在多齒輪泵基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步的改進(jìn)，平衡式復(fù)合齒輪泵被認(rèn)為是齒輪泵較為理想的一種結(jié)構(gòu)，其原理圖如圖7 所示。平衡式復(fù)合齒輪泵主要由中心輪、惰輪、內(nèi)齒輪、密封塊及前后泵蓋等組成，既保留了普通齒輪泵的優(yōu)點(diǎn)，又徹底解決了普通齒輪泵存在的徑向液壓力不平衡問(wèn)題。其排量大，流量均勻性好，易于實(shí)現(xiàn)齒輪泵的高壓化。但是該泵的密封塊的封油區(qū)間角較小，高低壓腔數(shù)量較多，致使泄露加大，從而齒輪泵的容積效率降低。目前，這種齒輪泵在實(shí)際工程領(lǐng)域還未能得到運(yùn)用和推廣。

圖7 平衡式復(fù)合泵原理圖

由平衡式復(fù)合齒輪泵的工作原理可知，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（假設(shè)太陽(yáng)輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）時(shí)，通過(guò)齒輪嚙合關(guān)系，太陽(yáng)輪帶動(dòng)三個(gè)衛(wèi)星輪做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，形成相互并聯(lián)疊加的三個(gè)外嚙合齒輪子泵和三個(gè)內(nèi)嚙合齒輪子泵，相當(dāng)于六個(gè)子泵并聯(lián)疊加。通過(guò)研究分析可知：

（1）由泵體結(jié)構(gòu)可知，該泵相當(dāng)于三個(gè)內(nèi)嚙合泵和三合外嚙合泵的疊加，具有流量大、 流量均勻性好，徑向液壓力平衡等優(yōu)點(diǎn)。

（2）經(jīng)過(guò)對(duì)三衛(wèi)星輪情況下泵的流量特性分析可知，當(dāng)太陽(yáng)輪齒數(shù)z1=3k1+1、衛(wèi)星輪齒數(shù)z2=2k2（其中k1、k2為整數(shù)）時(shí)，復(fù)合齒輪泵的流量脈動(dòng)最小，此時(shí)三個(gè)外嚙合泵的嚙合角相互交錯(cuò)α/3（α 為齒輪嚙合角），六個(gè)子泵的嚙合角相互交錯(cuò)α/6，假設(shè)每個(gè)子泵的排量相同，都為VB。六個(gè)子泵的瞬態(tài)流量交錯(cuò)疊加，其瞬態(tài)流量特性曲線如圖8 所示。

（3）此種平衡式復(fù)合齒輪泵衛(wèi)星輪數(shù)量可以不限于3 個(gè)，設(shè)衛(wèi)星輪的數(shù)量為N 時(shí)，同樣成立。

（4）此結(jié)構(gòu)需要專門的配油結(jié)構(gòu)，由于吸排油口相對(duì)于各個(gè)齒輪為對(duì)稱布置，故各齒輪受到的穩(wěn)態(tài)液壓力平衡。由于各個(gè)齒輪副的嚙合點(diǎn)變動(dòng)會(huì)造成齒輪上將作用有瞬態(tài)液壓力，但是該瞬態(tài)液壓力很小，不會(huì)對(duì)泵造成影響。

圖8 z1=3k1+1，z2=2k2 時(shí)多平衡式復(fù)合齒輪泵的流量特性曲線

5 齒輪泵的發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)正向著快響應(yīng)、小體積、低噪聲的方向發(fā)展，為適應(yīng)這種要求，齒輪泵也不斷向高壓化、低流量脈動(dòng)、低噪聲、大排量、變排量、集成化的方向發(fā)展。

一直以來(lái)，齒輪泵都被認(rèn)為是中低壓泵，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高壓化是制約齒輪泵發(fā)展的一個(gè)重要因素； 低流量脈動(dòng)是泵發(fā)展的重要方向之一，流量脈動(dòng)是產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的根源之一，如何降低泵的流量脈動(dòng)一直都是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)；國(guó)外很早就有“ 安靜泵”之說(shuō)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)齒輪泵的要求越來(lái)越嚴(yán)格，如何降低嚙合過(guò)程的機(jī)械噪聲與困油沖擊產(chǎn)生的液壓噪聲是齒輪泵發(fā)展的趨勢(shì)之一；大排量與變排量是齒輪泵適應(yīng)各種工作環(huán)境的必然要求；集成化是機(jī)械設(shè)備發(fā)展的必然趨勢(shì)，泵與電機(jī)的一體化，能夠減小設(shè)備的體積，提高傳動(dòng)效率，控制方便等優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)齒輪泵的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)齒輪泵參數(shù)及泵體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、齒輪泵噪聲的控制技術(shù)、齒輪泵的高壓化途徑、 齒輪泵的變量方法研究等方面做了大量研究工作。特別是各種新的泵體結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，包括多齒輪泵、多級(jí)齒輪泵、復(fù)合齒輪泵等等，使齒輪泵的高壓化與低流量脈動(dòng)從根本上得以實(shí)現(xiàn)。但是這些新的泵體結(jié)構(gòu)中真正能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的很少，尚需要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，研制出可轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品、性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠的齒輪泵。

6 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)齒輪泵存在著液壓徑向力不平衡、流量脈動(dòng)大等缺點(diǎn)，這會(huì)易使齒輪泵產(chǎn)生泄露和磨損，降低軸承壽命，難以實(shí)現(xiàn)高壓化。這是由齒輪泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的。

（2）多齒輪泵采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上解決了齒輪泵液壓徑向力不平衡的問(wèn)題。采用瞬態(tài)流量疊加原理，很大程度上降低了齒輪泵的流量脈動(dòng)。

（3）多聯(lián)齒輪泵是另外一種解決齒輪泵流量脈動(dòng)大的結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、噪聲小、流量脈動(dòng)小等特點(diǎn)。

（4）平衡式復(fù)合齒輪泵是在多齒輪泵基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步的改進(jìn)，平衡式復(fù)合齒輪泵被認(rèn)為是齒輪泵較為理想的一種結(jié)構(gòu)。既保留了普通齒輪泵的優(yōu)點(diǎn)，又徹底解決了普通齒輪泵存在的徑向液壓力不平衡問(wèn)題。其排量大，流量均勻性好，易于實(shí)現(xiàn)齒輪泵的高壓化。

（5）齒輪泵也不斷向高壓化、低流量脈動(dòng)、低噪聲、大排量、變排量、集成化的方向發(fā)展。研發(fā)新型泵體結(jié)構(gòu)，從根源上解決齒輪泵液壓徑向力不平衡、流量脈動(dòng)大的問(wèn)題，是未來(lái)齒輪泵的發(fā)展方向。

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