齿轮液压泵的结构合理性探讨.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 21 2 01 4 O1 0 0 2 9 0 4 齿 轮 液 压 泵 的结构 合 理 性 探 讨 张 宗 元 ，赵 升 吨 西安 交通 大 学 机械 工 程 学院 ， 陕 西 西 安 7 1 0 0 4 9 摘 要 在 简介 了传 统 的双齿 轮泵 流量 波 动大 、 结构 受力对 称性 差 、 易产 生泄 露和 磨损 等不足 基 础上 ， 指 出 研 发 齿轮 泵新 型泵体 结构 的必 要性 。简 要分 析 了平衡 式多齿 轮泵 、 多联 齿 轮泵 、 平衡 式 复合 泵 的基本原 理和 结 构特 征 ， 分析 了各 自的排 量 、 流 量 、 传 动 件 受力情 况 等动 态特 性 ， 提 出 了改善齿 轮泵 受力 状况 、 减少 磨损 、 降 低 泄 露 、 减 少流 量波 动 的途径 。指 出高压 化 、 低 流 量脉 动 、 低 噪声 、 大排 量 、 变排 量 、 集 成化 是齿 轮泵 的发展 方 向 。 关键 词 机械 设 计 ； 齿轮泵 ； 复合 齿轮 泵 ； 结 构 ； 合理 性 中 图 分 类 号 T H1 3 7 ． 5 1 文 献 标 识 码 A 0引 言 齿 轮 泵是 以 啮合原 理工 作 的液压 泵 ， 目前销 售 和使用 的液压 齿轮 泵 主要有 两种 结构 形式 ，即外 啮 合 齿轮 泵 和 内啮合 齿轮 泵 。齿轮 泵是 现代 液 压技 术 中结构 最 为简单 、 价 格最 低 、 产量及 用 量最 大 的一 种 液 压泵 ，尤 其是 标 准渐 开线 外啮合 直 齿齿 轮 泵 由于 其 齿轮 易 于加工 和 检测 ， 应用 极 为普遍 。 而 由于齿 轮 泵本 身 的结 构特 点导 致齿 轮泵 产生 泄漏 、径 向液 压 力不 平衡 和 困油 现象 ，影 响 了齿轮 泵 的额 定压 力 和 容 积效率 ； 导 致使 用 寿命缩 短 ； 产生 强烈 的噪声 并 引 起振 动 和气蚀 ， 影 响工 作平 稳性 ， 难 以实 现 高压 化 。 1 传 统 齿轮 泵存 在 的不足 1 ． 1 外 啮合 齿 轮泵 外 啮合 齿轮 泵是 最 简单 、 应用 范 围最广 的齿 轮 泵 ， 其工作 原 理如 图 1所示 。外 啮合 齿轮 泵 由两 个 相互 啮合 的齿 轮 以及 容 纳 它 们 的 泵 体 和前 后 泵 盖 所 组 成 。 当 主动齿 轮 1和从 动齿 轮 2按 图示 方 向旋转 时 ， 由 于 靠 吸 油 腔 侧 啮 合 的 齿 逐 渐 退 出 啮合 ， 空 间增 大 ， 形 成 局 部 真 空 ， 油 在 外 ， 界 大 气 压 作 用 下 进 入 吸 油 腔 ； 而 排 油 图l 外啮合齿轮泵工作示意图 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 2 9 作者简介 张宗元 1 9 8 7 一 ， 硕士在读， 主攻机电一体化研究 腔侧 的齿 逐 渐进 入 啮合 ， 把齿 间 的油液 挤压 出来 ， 从 压油 口强 迫 流 出。 当齿轮 不 断转 动时 ， 齿 轮 泵就不 断 吸油 和压 油 。这就 是 齿轮 泵 的工作 原理 。 l 该 齿轮 泵 应 用 十分 广 泛 ， 其设 计 和生 产 水平 已 趋 于 成熟 ， 目前这种 齿 轮泵 的额 定压 力可 达 2 5 MP a 。 不过 ， 外 啮合齿 轮 泵在 工作 过程 中 ， 两 个 齿轮 会受 到 径 向液压 力 和齿轮 啮合 力 的作用 ，其 径 向液 压力 受 力 示 意 图如 图 2所 示 。虽然 现在 有采 用平 衡槽 来 减 ． ‘ 小 齿 轮 轴 承 的 径 向 不 平 衡 力 ，但 是 仍 不 能 从 根 本 上 解 决 齿 轮 所 受 径 向 力 问 题 ，因 为 这 是 齿 轮 泵 图 外啮合齿轮泵的径向液压力分布示意图 的 结 构 所 决 定 的 。 这种 因结构 受力 对称 性差 产生 的径 向力 ， 易使 齿 轮泵 产生 泄露 和磨 损 ， 降低 轴 承寿命 。 外 啮合齿 轮泵 的的瞬态 流 量公式 为 g 一 l 2 r ． 一 } 1 - J_ r } l L ， 2 ，2 j 从 式 中可 以看 出 ，瞬 时流 量是 随齿 轮 的转 角按 提 高 外 ， 结 构 更 加 紧 凑 、体积 小 ， 特 别 是 可 以 采 用 较 大 面 积 的 吸 油 窗 口 ， 因 而 吸 入 性 更 好 ， 允 许 转 速 更 高 。同时 内啮合 泵 的 流 量 脉 动 频 率 较 小 ， 泵 的 噪 声 小 ， 寿 命 高 ， 容 积 效 率 高 。近 年 来 ， 各 国 都 比 较 重 视 图 3 内啮合齿轮泵工作示 意图 内啮合 泵的发 展 ， 相 信 随着 工业 生产 的发 展 ， 内啮合 齿 轮泵将 会越来 越 多地代 替外 啮合齿 轮泵 ，并 广泛 应 用 于 各 种 T 业 领 域 中 。 但 是 由 于泵结 构 本 身所 决 定 的液 压径 向力 、 流 量 脉动仍 然存 在 ，并且 内啮合 齿轮 泵 的设 计不 能 采 取 普通齿 轮传 动 的设 计原 则 和计 算公 式 ，如何 采用 专 门的设 计方 法 ，选择合适 的参 数设 计 出适合 生产 制 造 的 内啮合 齿 轮 泵仍 然 是 国 内 外学 者研 究 的热 点 。 目前我 国大部 分企业 生产 内啮合 齿 轮泵 的设 备 多为全 套进 口或 者大部 分引进 ，对 内 啮合 齿 轮泵 基 本 参数进 行研 究 ，设计 和生产 国产标 准齿 轮 内 啮合 齿 轮泵 替代 国外产 品 已经迫在 眉睫 。 1 ． 3改善传 统齿 轮泵 的途径 无 法提 高齿轮 泵 的工 作压 力和 降低齿 轮 泵 的流 量 脉动 是制 约齿轮 泵发展 的最关 键 的 因素 。齿 轮 泵 本 身 的径 向力 不平 衡 问题 ， 导致 了工 作压 力增 高 时 ， 齿 轮泵 的径 向液压 力增 大 ，会 造成轴 承 寿命 大大缩 短 、 泵 的泄露 量加剧 ， 容积 效率 下降等 问题 。由齿 轮 泵 啮合原 理 决定 的齿轮 泵的流 量脉动 是造 成齿 轮 泵 振 动和 噪声 的主要 因素 ，设 法 降低齿 轮泵 的流 量脉 动 已经成 为 国内外研 究 的热点 。 国内外学 者针对 高压化 以及 低流 量脉 动进 行 了 以 下 研 究 工 作 1 对齿 轮泵 的径 向间隙进 行补 偿 ， 通 过对 径 向 间隙参数 的合 理优 化 ， 来 降低齿 轮泵 的径 向 力 ； 2 通过优 化齿 轮参数 、 缩 小排液 口尺 寸等 措施 低齿 轮泵 的径 向液压 力 ； 3 采用新 材料 、 采用 滑动 轴承替 代滚 珠轴 承 等 ，提 高轴 承承载 能力 ； 4 采 用增 加齿 轮齿数 、 优化 设计 非渐 开线 齿轮 增 设滤 波 的方法 来 降低 齿 轮 泵 的流 量脉 动 ， 等 但是 这些措 施都 没有从 根本 上解 决齿 轮泵 无法 实 现高 压化 、 低 流量 脉动 的 问题 。 因 为这些 问题是 南 齿 轮泵 的结构 本身 决定 的 。 近年来 ， 国 内外 学者从 齿 轮 泵 的结构方 面做 了很 多研究 。 利 用级 联齿 轮泵 、 平 衡 式复 合齿轮 泵 等结构 ，使从 根本 } - 解 决 液压径 向 力 不 平 衡 问 题 得 到 了实 现 ，这 种 结 构 E的 改 进 经 历 了单齿 轮泵一 多齿 轮泵一 双联 齿 轮泵一 平 衡式 复合 齿 轮 泵 的过 程 。 2平 衡式 多齿轮 泵 普 通齿 轮泵 由于 自身结 构特 点 ，导 致 泵存 在无 法 避 免 的流 量 脉 动 ，并 且 当 泵 的 排 量 增 大 到 一 定 数 值 时 ， 泵 的吸油能 力开 始 明显 下 降 ， 究其 原 因是 泵 的 转 速到 达一定 程 度后 ， 由于离 心 力影 响 ， 引起 吸油不 足 。因此 当需 要进 一步 降低 泵 的流量脉 动 和增 大泵 的排量 时 ， 往 往采 用平衡 式 多齿 轮 泵和 多联 泵结构 。 平 衡式 多齿 轮泵 的结构 原理 如 图 4所示 。该 泵 由太 阳轮 、 卫 星轮 、 前端 盖 、 后 端盖 以及壳 体组 成 。 i 个 卫星 轮均匀 分 布在太 阳轮 周 同 ，组成 并 列 的三 个 外 啮合 齿轮子 泵 ，前端 盖与后 端盖 上 面布 置有进 油 口与 出油 口， 太 阳轮与卫 星轮 分别 由轴套 支撑 。 油 图 4 多齿轮泵结构原理冈 1 ． 太阳轮2 ． 后端盖3 ． 卫 星轮轴套4 ． 壳体 5 ． 卫星轮6 ． 前端盖7 ． 中心轮轴套 由平衡式 多齿 轮 的工作 原理 可知 ，当太 阳轮做 旋 转运 动 假 设 太 阳轮顺 时针 转 动 时 ， 通 过 齿轮 啮 合 关系 ， 太 阳轮带 动三个 卫 星轮做 逆时针 转 动 ， 形 成 相 互并联 叠加 的三 个外 啮合齿 轮 子泵 ，一 方面 大大 增 加 了泵 的排 量 ， 另一方 面通 过合 理设 置参 数 ， 将 个 外 啮合子 泵 的峰值错 开 ，使 叠加 后 的泵 的流量 脉 动 明显 减 小 。 通 过 研 究 分 析 可 知 1 由于结构 方面 的对称 性 ， 太 阳轮所 受 的径 向 液压力 以及 齿轮 啮合力 是平 衡 的 ，有利 于 提高 太 阳 轮运动 平稳性 以及 轴承 寿命 。 2 当太 阳轮 齿数 3 k 1时 ， 多齿 轮 泵 的流量 脉动 最小 ， 此 时 个 内啮合 泵 的 啮合 角相 互 交 错 ／ 3 为齿轮 啮 合 角 ， 假设 每 个 子 泵 的排 量 为 ， 个子 泵瞬态 流量 叠加交 错叠 加 ，其瞬 态流 量特 性 曲 线 如 图 5所 尔 。 3 此 种 平衡 式 多 齿 轮泵 卫 星轮 数 量 可 以不 限 基 皿 五 Il 塔 3 VB VB 齿轮泵转角 罔 5 z i 3 k 1 时多齿轮泵 的流量特性 曲线 于 3个 ， 设 卫 星轮 的数量 为 Ⅳ时 ， 同样 成立 。 3多联齿 轮泵 多联齿 轮 泵 的原 理 是 由两个 或者 两个 以上 的普 通齿 轮 泵组 合 而成 。 有 并联 和 串联组 合两 种 方式 ， 串 联 方 式 的 多联 泵 ， 工 作 压 力 为 单 级 泵 的 Ⅳ倍 Ⅳ 为 泵 级数 ， 并 联泵 的流 量为 单 级泵 的 Ⅳ倍 ， 同 时可 利 用 泵 的瞬 态 流 量 叠 加 特 性 将 各 个 单 级 泵 的 峰值 错 开 ，降低 泵 的流 量脉 动 。多联 泵一 般共 用 一个 输 入 轴 ， 有 多个进 油 口和 出油 口。 为 了适应 不 同 的应用 环 境 ， 可获 得 多种 流量 。 图 6为双 联 内啮合 齿 轮泵结 构 示意 图 ，该 泵 采 用单 输入 、 双 输 出的模 式 ， 具 有一 个 进油 口两个 出油 口。 两个 内啮合 泵之 间用 细牙 花键 连接 ， 该 泵具 有结 构简 单 、 尺寸 紧凑 、 噪声 小 、 流量 脉 动小 等特 点 。 罔6 双联内啮合齿轮泵结构示意网 1 ． 驱动轴2 ． 滚动轴承3 ． 螺钉4 ． 内齿轮5 _ 夕 齿轮 6 ． 花键套7 ． 后端盖8 ． 套筒9 ． 前端盖 4平 衡 式 复 合 齿 轮 泵 平衡 式 复合 齿轮 泵 ，是在 多齿 轮泵 基 础上 对其 结构 做 了进 一步 的改 进 ，平衡 式 复合齿 轮 泵被 认 为 是齿 轮 泵较 为理想 的一种 结构 ，其 原理 图如 图 7所 示 。 平 衡式 复合 齿轮 泵 主要 由 中心轮 、 惰轮 、 内齿轮 、 密封块 及 前后 泵盖 等组 成 ，既保 留了普 通齿 轮 泵 的 优 点 ，又 彻底 解决 了普 通齿 轮 泵存 在 的径 向液 压力 不 平 衡 问题 。其排 量 大 ， 流 量均 匀性 好 ， 易 于实 现齿 图7 平衡式复合泵原理图 到运 用 和推 广 。 轮 泵的 高压化 。但 是 该 泵 的 密 封 块 的 封 油 区间角较 小 ，高低 压 腔数 量较 多 ，致使泄 露加 大 ，从 而齿 轮 泵 的容 积效率 降低 。 目 前 ，这种齿 轮 泵在实 际 工 程 领 域 还 未 能 得 由平 衡式 复 合齿 轮泵 的工 作原 理可 知 ，当电机 驱 动太 阳轮 做旋 转 运 动 假 设 太 阳轮顺 时针 旋转 时 ， 通 过 齿轮 啮合关 系 ， 太 阳轮 带动 三个卫 星 轮 做逆 时针 转动 ，形 成相 互并 联 叠加 的三个 外 啮合 齿轮 子 泵 和 三个 内啮合齿 轮子 泵 ，相 当于六 个子 泵 并联 叠 加 。通过研 究 分析 可知 1 由泵体 结 构可 知 ， 该 泵相 当 于三个 内啮合 泵 和 三合 外 啮合 泵 的叠 加 ，具 有流 量大 、流 量均 匀性 好 ， 径 向液压 力 平衡 等优 点 。 2 经过 对 三 卫 星 轮情 况 下 泵 的流 量 特性 分 析 可 知 ， 当太 阳轮 齿 数 ． 3 k 1 、 卫 星轮 齿数 z 2 2 k 其 中 、 为整数 时 ， 复合 齿 轮泵 的 流量脉 动最小 ， 此 时 三个 外 啮合 泵 的啮合 角 相互 交错 o d 3 为齿 轮 啮 合 角 ， 六 个 子 泵 的 啮合 角 相 互 交 错 a ／ 6， 假 设 每 个 子泵 的排量 相 同 ， 都 为 V 。六 个 子 泵 的瞬态 流 量交 错叠 加 ， 其 瞬态 流量 特性 曲线 如 图 8所示 。 3 ．t tL种 平 衡 式 复合 齿 轮 泵卫 星轮 数 量可 以不 限 于 3个 ， 设 卫 星轮 的数量 为 Ⅳ时 ， 同样成 立 。 4 此结 构需 要专 门的配 油结 构 ， 由于 吸排 油 口 相对 于各 个齿 轮 为对 称 布置 ，故各 齿轮 受 到 的稳 态 液压 力平 衡 。 由于各个 齿 轮副 的 啮合 点 变动会 造 成 齿 轮 上 将作 用 有 瞬 态液压 力 ，但 是该 瞬 态液压 力很 ／ 1 , ， 不会对 泵造成影 响 。 呈 皿 皿 】】 篮 6 VB VB L _ 一 复合泵瞬态流量 一 齿轮泵转角 图8 z 3 k 。 1 ， z 2 2 k 时多平衡式复合齿轮泵 的流量特性曲线 5齿轮 泵 的发展 趋 势 近 年 来 ， 液 压 传 动 系统 正 向着快 响 应 、 小 体 低 噪声 的方 向发展 ， 为适应 这种 要求 ， 齿轮 泵也 不 断 向高压 化 、 低 流量 脉 动 、 低 噪声 、 大 排 量 、 变 排量 、 集 成 化 的方 向发 展 。 一 直 以来 ， 齿 轮泵都被 认 为是 中低压 泵 ， 无法 实 现 高压化 是制 约齿 轮泵发 展 的一个 重要 因素 ；低 流 量 脉动是 泵发 展 的重要方 向之 一 ，流量脉 动是 产 生 振 动和 噪声 的根源 之一 ，如何 降低 泵 的流量 脉动一 直 都是 国 内外 学者研 究 的热点 ； 国外 很早 就有 “ 安静 泵” 之 说 ， 随 着人 们环 保 意识 的增 强 ， 对 齿轮 泵 的要 求 越来越 严格 ，如 何降低 啮合 过程 的机 械噪 声与 困 油 冲击 产 生 的液 压 噪声 是 齿轮 泵 发 展 的趋 势 之一 ； 大排量 与变 排量是 齿轮 泵适应 各种 工作 环境 的必 然 要 求 ； 集 成化 是机 械设备 发展 的必然 趋势 ， 泵 与电机 的一 体化 ， 能够 减小 设 备 的体 积 ， 提 高传 动 效 率 ， 控 制方便 等优 势 。 针 对齿 轮泵 的发展 ，同内外学 者对 齿轮 泵参 数 及泵体 结构 的优化 设计 、 齿轮 泵噪声 的控 制技 术 、 齿 轮泵 的高压 化途径 、齿 轮泵 的变量 方法研 究 等方 面 做 了大量研 究T作 。特 别是各 种新 的泵 体结 构不 断 出现 ， 包 括多 齿轮 泵 、 多级 齿轮 泵 、 复 合齿 轮泵 等等 ， 使 齿 轮 泵 的高 压 化 与低 流 量 脉 动从 根本 上 得 以 实 现 。但 是这些 新 的泵体结 构 中真正 能转 化为 产 品的 很少 ， 尚需 要 结合 生 产 实 际 ， 研 制 出可转 化 为 产 品 、 性 能稳 定 、 质量可 靠 的齿 轮泵 。 6结 论 1 传统 齿轮 泵存在 着液 压径 向力不 平衡 、 流 量 脉动大 等缺点 ， 这会 易使 齿轮 泵产生 泄露 和磨 损 ， 降 低 轴承 寿命 ， 难 以实现高 压化 。 这 是 由齿轮泵 的结 构 特 点决定 的。 2 多齿 轮泵 采用对 称式结 构 ， 从结 构上 解决 了 齿 轮泵 液压径 向力不平 衡 的问题 。采用 瞬 态流 量叠 加 原理 ， 很大 程度 上降低 了齿轮泵 的流量 脉 动 。 3 多 联 齿 轮 泵 是 另 外 一 种 解 决 齿 轮 泵 流 量 脉 动大 的结构 ， 具有 结构 简单 、 尺寸 紧凑 、 噪声 小 、 流量 脉 动 小 等 特 点 。 4 平 衡 式 复合 齿 轮 泵 是在 多齿 轮 泵 基础 上 做 了进一 步 的改进 ，平衡 式 复合齿 轮泵 被认 为是 齿轮 泵较 为理想 的一 种结构 。既保 留了普 通齿 轮 泵的优 点 ，又彻底解 决 了普通 齿轮 泵存 在 的径 向液压 力不 平 衡 问题 。其排量 大 ， 流量均 匀性 好 ， 易于 实现 齿轮 泵 的 高 压 化 。 5 齿 轮 泵 也不 断 向高 压 化 、 低 流 量脉 动 、 低 噪 声 、 大 排量 、 变排 量 、 集 成化 的 向发展 。 研 发新 型 泵 体 结 构 ， 从根 源上 解决 齿轮 泵液压 径 向力不 平衡 、 流 量 脉 动 大 的 问 题 ， 是 未 来 齿 轮 泵 的 发 展 方 向 。 【 参考 文献 】 [ 1 ] 王积伟 ， 章宏甲． 液压与气压传动【 M 】 ． 北京 机械丁业f } I 版丰 十 ， 2 0 0 5． [ 2 ] 吴绍 民． 双联 泵结构特 点及 丁况 分析 【 J J ． 水轮 泵 ， 2 0 0 2 ， 2 3 4 3 6． [ 3 ] 姚品宇 ， 王庆 丰．采用双联泵结构的新型液压动力转 向泵研 究⋯． 机床 与液压 ， 2 0 0 5 ， 1 0 9 3 9 4 ． [ 4 ] 傅文新， 许贤良．平衡式复合齿轮泵的径向液压力分析l J 1 ． 机械科 学 技术 ， 1 9 9 8 ， 2 7 3 1 7 1 8 ． 『 5 1 李和平 ， 夏翔 ， 刘莹 ， 等 ．新 型平 衡式 复合齿 轮泵结 构的优化 设计 l J ll 机械研究 应用 ， 2 0 0 5 ， 1 8 4 8 6 8 7 ． [ 6 ] 汪家琼， 孔繁余， 何玉洋． 四行星齿轮泵流量特性分析[ J l l 机械传 动 ， 2 0 1 2 ， 3 6 1 2 8 0 8 3 ． [ 7 】 毛 平淮 ， 侯波 ． 三极 并联齿 轮泵 理论分 析[ J 1． 重 庆大 学学报 ， 2 0 0 8 ， 3 1 1 0 1 1 2 3 1 1 2 7 ． 『 8 1 胡阳虎 ， 赵升 吨， 杨大 安， 等 ．柱塞 泵缸数 与输 波动关 系的研究 与分析r J 1 l锻压装备与制造技术 ， 2 0 1 l ， 4 6 4 ． Re a s o na b i l i t y di s c u s s i o n a bo u t s t r u c t ur e o f g e a r hy dr a u l i c pu mp ZHANG Zo n g y ua n， ZHAO S he n g d un S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Xi a n J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， Xi a n 7 1 0 0 4 9 ， S h a n x i C h i n a Ab s t r a c t T h e w e a k n e s s o f c o n v e n t i o n a l d o u b l e g e a r p u mp ，i n c l u d i n g l a r g e fl o ws f l u c t u a t i o n s ，a s y mme t r i c e t e r i s t i e s o f d i s p l a c e me n t ， fl o w，