單邊徑向浮動潤滑軸套的設計

　 (淮安信息職業(yè)技術學院 機電工程系, 江蘇 淮安　223003)

引言

齒輪泵是一種液壓傳動的基礎元件，由于具有結構簡單、重量輕、體積小、制造與維修方便、價格低、工作可靠、自吸性能好、抗污染能力強等優(yōu)點，被廣泛用于農機、汽車、建筑機械等作為液壓動力源。

齒輪泵市場年需求量很大，生產齒輪泵的廠家眾多，僅在我院所在地淮安市就有十多家齒輪泵生產廠。我市齒輪泵生產廠主要生產市場上需求量非常大的CBN-E300 、CBN-E400 系列齒輪泵。CBN-E300 、CBN-E400 系列齒輪泵是我國60年代末70年代初仿造德國博世公司齒輪泵而設計的，主要作為拖拉機等農業(yè)機械的液壓動力源。這兩種系列齒輪泵性能好、工藝簡單，因而得到廣泛推廣，但隨著工業(yè)的發(fā)展、市場競爭的加劇，這兩種系列齒輪泵也暴露出來一些問題：

(1) 齒輪泵噪聲較大。這兩種系列齒輪泵輪齒齒數(shù)都為10個齒，齒數(shù)比較少，流量脈動較大，因而噪聲較大，不符合當前環(huán)保的要求；

(2) 單位齒寬排量較小。現(xiàn)在市場競爭非常激烈，生產廠總要千方百計降低成本。單位齒寬排量較小，相同排量的齒輪泵所需要消耗的金屬材料就多，特別是齒輪泵泵體等零件一般為較貴的鋁合金，使工廠的生產成本提高，降低市場競爭力；

(3) 齒輪泵的壓力等級不高。拖拉機等農業(yè)機械在使用的時候常常會超載，使齒輪泵所受負荷加大，常造成齒輪泵以炸泵體、燒軸套、斷軸等形式被破壞。

針對以上缺點，我們對齒輪泵進行了優(yōu)化設計，重點對軸套進行了優(yōu)化。

1　軸套結構和工況分析

軸套是齒輪泵中的一個零件，它主要起支撐齒輪軸頸的作用，在一個齒輪泵中有兩個軸套，裝在齒輪的兩端。在圖1所示的CBN-E300系列齒輪泵的結構圖中，序號4的零件就是軸套。

軸套4它可在泵體3中作軸向浮動，軸套的結構一般采用如圖2所示整體軸套結構。該軸套在軸向所受液壓力基本平衡, 而在徑向軸套所受的液壓力不平衡，由于齒輪泵出口壓力高，進口壓力低， 軸套被壓向低壓側，因此起密封作用將齒輪泵高低壓腔隔開的主要是軸套和泵體的低壓側。

1.前蓋　2.定位銷　3.泵體　4.浮動軸套　5.外密封件 6.后蓋　7.螺母　8.螺栓　9.內密封件　10.主動齒輪 11.被動齒輪　12.骨架油封

圖2　整體軸套結構圖

2　軸套結構的優(yōu)化設計思路

我們知道齒輪泵存在徑向力不平衡，齒輪自動壓向低壓處的泵體內表面，起密封作用的是軸套和泵體的低壓側，在不影響軸套性能和不改變加工工藝前提下，可將高壓側中間部分挖空，形成挖槽軸套，節(jié)約鋁合金的消耗量，降低成本。挖槽軸套如圖3所示。

圖3　挖槽軸套結構圖

作用在齒輪上的徑向液壓不平衡力由軸套支撐，徑向不平衡力越大，軸套承受的壓力越大，軸套和泵體之間的摩擦力越大，軸套浮動性越差。為了降低徑向不平衡力，可擴大高壓區(qū)。擴大高壓區(qū)就是在部分區(qū)域人為地增加泵體內壁和齒頂?shù)拈g隙，只使在吸油口前1至2個齒的齒頂和泵體保持很小的徑向間隙，起密封作用。擴大高壓區(qū)也可從軸套結構改進上來實現(xiàn)，可采用單邊軸套，如圖4所示，該軸套在滿足剛度和強度的前提下將高壓區(qū)部分軸套基體削去一部分，使齒輪和軸套大部分圓周上承受高壓油，同時降低了齒輪和軸套所受的徑向不平衡力。在軸套正面(和泵蓋接觸的面)由于要留有安裝內密封件的位置，軸套基體不能削去太多，而背面可適當多削去一些，這樣就形成一個邊。軸套高壓側的兩個凸起部分起加強筋的作用，它的頂部和軸套低壓側部分在同一圓周上，這樣在加工軸套時，軸套外圓尺寸容易測量，在齒輪泵裝配時，軸套易于在泵體中定位，便于安裝。

圖4　單邊軸套結構圖

單邊軸套和挖槽軸套相比，節(jié)約的鋁合金更多，并且加工工藝好，軸套毛坯不但可采用金屬模澆鑄，而且可采用壓鑄的方法；單邊軸套四周和兩面需要機械加工的面積大幅減少，提高了加工效率。單邊軸套使軸套四周大部分處于高壓油中，降低了軸套本身所受的液壓不平衡力，并且軸套在縱向兩頭被削去一部分可防止軸套受熱膨脹而卡死，這樣提高了軸套的浮動性。

經過擴大高壓區(qū)以后，齒輪泵所受徑向不平衡力有所減小，但仍然存在徑向不平衡力，在不平衡力作用下，齒輪軸頸被壓向低壓區(qū)，齒輪軸頸受液壓不平衡力作用要發(fā)生撓度變形。而齒輪軸頸在軸套內孔中轉動，在兩者之間形成一層油膜，當壓力高時，軸頸在整個長度上因撓度變形而產生的傾斜變差大，如CBN-E300系列齒輪泵當排量為16 mL/r，壓力為20 MPa時，在軸頸的整個長度上因撓度變形而產生的傾斜差大約為7.2 μm，而最小油膜厚度為10 μm左右，這樣會造成油膜破滅，形成干磨擦，使軸套內孔受到磨損。為了提高軸頸在軸套內孔中的潤滑性能。我們設計了單邊徑向浮動潤滑軸套，如圖5所示。通過兩個斜孔a將高壓油引入軸套兩個內孔，高壓油進入內孔不但提高了軸頸的潤滑性能 ，而且高壓油對軸頸產生一定的浮力，減小了齒輪作用在軸套內孔上所產生的不平衡力。為了提高潤滑油的流動性，避免形成局部高溫，在高壓區(qū)卸荷槽處打一孔b與兩個斜孔a相通，由于輪齒嚙合而產生壓力波動，使油從b孔向a孔間隙流動。

圖5　單邊徑向浮動潤滑軸套立體圖

3　單邊徑向浮動潤滑軸套的設計實例分析

現(xiàn)在市場上大批量生產的CBN-E300系列齒輪泵廣泛用于拖拉機等農業(yè)機械，價格競爭非常激烈，且使用環(huán)境較差，三保率較高。統(tǒng)計分析33%左右齒輪泵失效是因軸套損壞，軸套損壞大多是因軸套浮動性變差造成的。為此，我們對CBN-E300系列齒輪泵軸套進行了結構優(yōu)化，將整體軸套改成單邊徑向浮動潤滑軸套。

3.1　軸套密封部分最小角度的確定

CBN-E300系列齒輪泵齒輪頂部厚Se為0.858 mm，兩齒中心距及軸套兩內孔中心距A為33，齒頂圓φ39，最大排量時進油口φ18。單邊徑向浮動潤滑軸套的部分尺寸參見圖6，有些尺寸可通過經驗和試驗來確定，有些需通過計算來確定。

Stars are dense and don’t twinkle, strong wind will blow next day.

齒頂厚在圓周上的夾角θ為：

式中，Se為齒輪齒頂厚；De齒頂圓直徑；θ齒頂厚在圓周上的夾角。

齒輪泵要保證徑向密封的可靠性，必須最少有1個輪齒參與徑向密封，多時有2個輪齒參與徑向密封，那么軸套上參與徑向密封部分的最小角度為：

β=γ-α=15.9°

式中，Z為CBN-E300系列齒輪泵齒輪輪齒個數(shù)；De為齒頂圓直徑；θ為齒頂厚在圓周上的夾角；D為最大排量時進油口直徑；α為最大排量時進油口邊緣與軸套內孔中心線在圓周上的最小夾角；β為軸套挖空邊緣與軸套內孔中心線在圓周上的最小夾角；γ為軸套上參與徑向密封部分的最小角度。

為了不改變軸套原先的軸向平衡條件和內密封件槽的形狀，我們取β角度比內密封件槽小腳的內側角30°稍大一些(參見圖2)，可取β為33°。

3.2　高壓潤滑油孔a、b的尺寸和位置的確定方法

圖6　單邊徑向浮動潤滑軸套尺寸計算圖

圖7　齒輪徑向液壓受力圖

3.3　優(yōu)化前后軸套的材料消耗比較

優(yōu)化前CBN-E300系列齒輪泵整體軸套重量約0.102 kg，優(yōu)化后軸套重量約為0.077 kg， 每個齒輪泵

有2個軸套可節(jié)約0.05 kg鋁，一般中等規(guī)模齒輪泵生產企業(yè)可年產20萬臺齒輪泵，每年可節(jié)約 鋁合金10 t左右，將會為企業(yè)降低大量成本。

我們將單邊徑向浮動潤滑軸套裝配在CBN-E300系列齒輪泵中，選取的齒輪泵排量為10 mL/r，在試驗臺上進行考核，在轉速為2500 r/min 、 工作壓力為20 MPa、油溫為80 ℃工況下連續(xù)運轉100 h后，測量泵的各項性能指標達到國家標準要求，通過拆檢軸套無偏磨現(xiàn)象，軸套內孔潤滑良好。

4　結論

隨著液壓技術的發(fā)展，對齒輪泵的性能要求不斷提高，而市場競爭又要求降低成本，這就要求軸套必須既具有良好的軸向和徑向浮動性等高性能，又要具有造價低的特點。本研究對整體軸套結構優(yōu)化進行了分析，給出了一種單邊徑向浮動潤滑軸套的設計方法，希望提出的方法能給工程技術人員在設計齒輪泵時提供參考。

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