直升機傳動系統(tǒng)高性能滑油泵關鍵技術淺析

■ 陽新元 吳紅美 / 中國航發(fā)動研所

目前，傳動系統(tǒng)正朝質量輕、效率高、壽命長的總體要求快速發(fā)展，這就需要有先進的潤滑系統(tǒng)與之配套，而作為潤滑系統(tǒng)的關鍵一環(huán)，高速、高性能的滑油泵的設計也是需要考慮的諸多因素之一。

滑油泵是潤滑系統(tǒng)中一個非常重要的元件，為傳動系統(tǒng)的主減速器提供所需的流量和壓力，保證齒輪和軸承等摩擦副正常工作。直升機傳動系統(tǒng)的滑油泵通常為工作壓力小于1.0MPa的低壓泵，一般選用容積式油泵。按照工作原理和結構，容積式油泵又可分為齒輪泵、旋板泵和柱塞泵。柱塞泵由于結構復雜、工藝性差，只在特殊情況下用于潤滑系統(tǒng)[1]。齒輪泵又分為外嚙合齒輪泵和內(nèi)嚙合齒輪泵兩種。外嚙合齒輪泵具有外廓尺寸小、質量輕、結構簡單、工藝性較好、對工作液清潔度敏感性不大和工作可靠等優(yōu)點，其缺點是流量和壓力脈動大、噪聲大，在高壓下工作不采用特殊密封結構時容積效率明顯下降等，且不適用于高轉速。相比之下，旋板泵和內(nèi)嚙合齒輪泵能滿足高速、高性能要求。本文將分別介紹這兩種泵的工作原理，并對其關鍵技術進行分析。

旋板泵

工作原理

典型的雙級旋板泵（如圖1所示）由一對圓柱齒輪驅動，有平行工作的增壓和回油的功能。這種滑油泵主要由殼體、定子、增壓級旋板、回油級旋板、上軸承、中軸承、下軸承及傳動軸等零件組成，其外形和結構如圖1所示。旋板泵工作時，傳動軸帶動旋板旋轉，相互垂直的旋板與定子及兩端軸承面所形成的四個腔的容積逐漸發(fā)生變化，即有兩個腔的容積由小變大形成真空吸油，同時另兩個腔的容積不斷減小而排油，傳動軸連續(xù)地帶動旋板轉動，從而完成連續(xù)不斷的吸油和排油過程，其工作原理如圖2所示。

圖1 雙級旋板泵的實物和結構圖

圖2 雙級旋板泵工作原理簡圖

關鍵技術

旋板泵具有工作平穩(wěn)、輸出流量均勻、脈動小、噪聲小、效率較高、結構較緊湊和進口真空度較高的特點[2]，在設計生產(chǎn)時應掌握如下要點。

一是選擇合理的定子內(nèi)廓曲線。定子曲線的形狀關系到旋板泵的性能（噪聲、效率、流量均勻性等）和壽命。定子內(nèi)表面是非圓柱面而且具有一定的偏心，為使葉片在定子內(nèi)高速運動且在曲線轉接處不致于產(chǎn)生很大的加速度，必須選擇合理的定子曲線。先根據(jù)泵的結構和流量要求初步確定定子曲線進行泵的三維建模，再利用仿真軟件進行性能仿真，對設計優(yōu)化提供參考。

二是傳動軸和旋板保持適當?shù)拈g隙。傳動軸和旋板均為泵的核心部件，傳動軸帶動兩組旋板旋轉，旋板在定子內(nèi)高速旋轉。為了滿足旋板在傳動軸槽內(nèi)靈活滑動，旋板和槽必須有適當間隙——間隙較小，旋板會出現(xiàn)卡滯，同時間隙又不能過大，否則會出現(xiàn)泄漏。因此，其配合間隙、材料、硬度、精度和粗糙度的選擇均為設計重點。

三是保證零件的加工精度。定子是旋板泵功能的核心部件，同時也是加工難點。一般定子內(nèi)廓為多段曲線光滑過渡曲線，需用慢走絲進行線切割。旋板也是旋板泵的重要零件，旋板要求高的平行度及表面質量。傳動軸是旋板泵的驅動軸，同時旋板在傳動軸槽內(nèi)滑動，傳動軸上旋板槽的加工難度較大，它要求有較高的平行度和對稱度，表面質量要求也較高。加工質量直接影響受力情況和工作的平穩(wěn)，須利用高精度的磨床來保證。

內(nèi)嚙合齒輪泵

工作原理

內(nèi)嚙合齒輪泵有漸開線齒輪泵和擺線齒輪泵(又名轉子泵)兩種[3]。典型內(nèi)嚙合齒輪泵主要由滑油泵殼體、傳動軸、螺旋卡圈、長定位銷、卡圈、上支承殼體、上支承襯套、碟形片組件、下支承殼體、內(nèi)轉子、外轉子、偏心套和級間殼體等零部件組成。傳動軸通過其軸端的半圓鍵與主減速器滑油泵傳動小錐齒輪相連，為滑油泵提供動力，其剖視圖如圖3所示。

內(nèi)嚙合齒輪泵的工作原理與外嚙合齒輪泵相同，均是通過內(nèi)外轉子在轉動過程中形成的各封閉腔容積的變化，產(chǎn)生的吸油和排油過程。該泵的一個重要特點是內(nèi)轉子和外轉子只相差一個齒，其好處是結構更緊湊，不需要額外設置隔板。

關鍵技術

典型的內(nèi)嚙合齒輪泵的主要參數(shù)見表1。

內(nèi)嚙合齒輪泵除了具有外嚙合齒輪泵的優(yōu)點外，還有以下幾個重要的特點：適用于高轉速（高轉速下的離心力能使油液更好地充入密封工作腔），可獲得較大的容積效率；由于齒輪轉向相同，滑動速度相對較小，磨損少，使用壽命長，流量脈動遠比外嚙合齒輪泵小，因而脈動和噪聲都較??；傳動軸設計有保險截面（保險截面設計成在最大扭矩為40～55N·m時才失效），在泵發(fā)生故障時可以保護主減速器傳動系統(tǒng)。擺線齒輪泵在設計制造時需解決的關鍵技術如下。

圖3 典型內(nèi)嚙合齒輪泵剖視圖

表1 內(nèi)嚙合齒輪泵的主要參數(shù)

一是確定內(nèi)外轉子的偏心距。偏心距決定了泵的流量和結構尺寸大小，只有準確確定內(nèi)外轉子的偏心距，才能保證轉子正確嚙合，滿足流量等性能參數(shù)要求。偏心距的選擇必須與轉速和齒輪寬度一起考慮，以求得好的匹配關系?？山柚脤Ｓ梅抡孳浖M行性能仿真，為設計優(yōu)化提供參考。

二是確保零件加工精度。內(nèi)、外轉子與普通齒輪有很大的區(qū)別，內(nèi)、外轉子外形為特定函數(shù)曲線，尺寸、形位公差精度要求嚴，一般還需要滲氮處理，熱處理后零件變形很大。一般配合尺寸及形位公差精度要求高達5級，表面粗糙度要求為Ra0.1，需要一次裝夾對零件端面、外圓進行高精度磨削。為了保證加工精度，需要專用的擺線齒輪的專用刀具和磨削設備。

滑油泵選用分析

在設計滑油泵時，除須考慮前面所述的關鍵技術外，還須考慮滑油泵的工作壓力范圍、轉速、流量、容積效率、自吸能力、壓力脈動、造價及工作油液的清潔度等多種因素，分別說明如下。

工作壓力：直升機傳動系統(tǒng)滑油泵的工作壓力通常小于1.0MPa，齒輪泵、旋板泵均適用。

轉速：外嚙合齒輪泵和旋板泵使用轉速一般要求在5000r/min以下，旋板泵使用轉速不能太低，要求500r/min以上，內(nèi)嚙合齒輪泵容許使用高轉速，可到10000r/min以上。

流量：外嚙合齒輪泵流量脈動大，旋板泵流量均勻，內(nèi)嚙合齒輪泵流量脈動比外嚙合齒輪泵小。

容積效率：內(nèi)嚙合齒輪泵和旋板泵比外嚙合齒輪泵容積效率高。

自吸能力：外嚙合齒輪泵和內(nèi)嚙合齒輪泵自吸性好，外嚙合齒輪泵高速或低速運轉都可以自吸； 旋板泵吸油特性稍差，要求轉速和油液黏度均不能太高或太低，會影響吸油不良或降低容積效率。

壓力脈動：外嚙合齒輪泵壓力脈動大，內(nèi)嚙合齒輪泵和旋板泵壓力脈動小。

成本：外嚙合齒輪泵結構相對簡單，工藝性較好，費用便宜；內(nèi)嚙合齒輪泵和旋板泵結構比外嚙合齒輪泵復雜很多，且加工精度高，需要專門的制造設備，造價較貴。

工作油液：由于內(nèi)嚙合齒輪泵和旋板泵內(nèi)部動部件與相關零件的配合間隙小，所以對工作油液的清潔度要求比較高，若出現(xiàn)稍大的雜質有可能會卡滯轉子或旋板的正常轉動，一般建議滑油濾的過濾精度需20μm以上，油液清潔度需達ISO20/18/15以上。外嚙合齒輪泵相對來說，對油液污染性不太敏感。

因此，要綜合考慮上述因素來選用滑油泵。一般來說，低速的可選用外嚙合齒輪泵和旋板泵，其中對流量和壓力波動要求高、結構和質量受限制的條件下需選用旋板泵外，其余的均可選用外嚙合齒輪泵。在轉速比較高（＞5000r/min）的情況下需選用內(nèi)嚙合齒輪泵。在內(nèi)嚙合齒輪泵中，擺線齒輪泵與漸開線齒輪泵相比，結構更加簡單，而且由于嚙合的重疊系數(shù)大，傳動更平穩(wěn)，吸油條件更好。因此，航空上使用的高速泵更傾向于擺線齒輪泵。