齒輪泵是液壓系統(tǒng)中廣泛采用的一種液壓泵,它一般做成定量泵,按結(jié)構(gòu)不同,齒輪泵分為外嚙合齒輪泵和內(nèi)嚙合齒輪泵,而以外嚙合齒輪泵應(yīng)用最廣。下面以外嚙合齒輪泵為例來剖析齒輪泵。

     3.1、齒輪泵的工作原理和結(jié)構(gòu)

    齒輪泵的工作原理如圖3-3所示，它是分離三片式結(jié)構(gòu)，三片是指泵蓋4，8和泵體7，泵體7內(nèi)裝有一對齒數(shù)相同、寬度和泵體接近而又互相嚙合的齒輪6，這對齒輪與兩端蓋和泵體形成一密封腔，并由齒輪的齒頂和嚙合線把密封腔劃分為兩部分，即吸油腔和壓油腔。兩齒輪分別用鍵固定在由滾針軸承支承的主動軸12和從動軸15上，主動軸由電動機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)。

                   圖3-3 外嚙合型齒輪泵工作原理

   CB—B齒輪泵的結(jié)構(gòu)如圖3-4所示，當(dāng)泵的主動齒輪按圖示箭頭方向旋轉(zhuǎn)時，齒輪泵右側(cè)（吸油腔）齒輪脫開嚙合，齒輪的輪齒退出齒間，使密封容積增大，形成局部真空，油箱中的油液在外界大氣壓的作用下，經(jīng)吸油管路、吸油腔進(jìn)入齒間。隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)，吸入齒間的油液被帶到另一側(cè)，進(jìn)入壓油腔。這時輪齒進(jìn)入嚙合，使密封容積逐漸減小，齒輪間部分的油液被擠出，形成了齒輪泵的壓油過程。齒輪嚙合時齒向接觸線把吸油腔和壓油腔分開，起配油作用。當(dāng)齒輪泵的主動齒輪由電動機(jī)帶動不斷旋轉(zhuǎn)時，輪齒脫開嚙合的一側(cè)，由于密封容積變大則不斷從油箱中吸油，輪齒進(jìn)入嚙合的一側(cè)，由于密封容積減小則不斷地排油，這就是齒輪泵的工作原理。泵的前后蓋和泵體由兩個定位銷17定位，用6只螺釘固緊如圖3-3。為了保證齒輪能靈活地轉(zhuǎn)動，同時又要保證泄露最小，在齒輪端面和泵蓋之間應(yīng)有適當(dāng)間隙（軸向間隙），對小流量泵軸向間隙為0.025~0.04mm，大流量泵為0.04~0.06mm。齒頂和泵體內(nèi)表面間的間隙（徑向間隙），由于密封帶長，同時齒頂線速度形成的剪切流動又和油液泄露方向相反，故對泄露的影響較小，這里要考慮的問題是：當(dāng)齒輪受到不平衡的徑向力后，應(yīng)避免齒頂和泵體內(nèi)壁相碰，所以徑向間隙就可稍大，一般取0.13~0.16mm。

   為了防止壓力油從泵體和泵蓋間泄露到泵外，并減小壓緊螺釘?shù)睦�力，在泵體兩側(cè)的端面上開有油封卸荷槽16，使?jié)B入泵體和泵蓋間的壓力油引入吸油腔。在泵蓋和從動軸上的小孔，其作用將泄露到軸承端部的壓力油也引到泵的吸油腔去，防止油液外溢，同時也潤滑了滾針軸承。

圖3-4  CB—B齒輪泵的結(jié)構(gòu)

1-軸承外環(huán) 2-堵頭 3-滾子 4-后泵蓋 5-鍵 6-齒輪 7-泵體8-前泵蓋 9-螺釘 10-壓環(huán)

11-密封環(huán) 12-主動軸 13-鍵 14-瀉油孔15-從動軸 16-瀉油槽 17-定位銷

     3.2、齒輪泵存在的問題

• 1、  齒輪泵的困油問題

   齒輪泵要能連續(xù)地供油,就要求齒輪嚙合的重疊系數(shù)ε大于1,也就是當(dāng)一對齒輪尚未脫開嚙合時,另一對齒輪已進(jìn)入嚙合,這樣,就出現(xiàn)同時有兩對齒輪嚙合的瞬間,在兩對齒輪的齒向嚙合線之間形成了一個封閉容積,一部分油液也就被困在這一封閉容積中〔見圖3-5(a)〕,齒輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)時,這一封閉容積便逐漸減小,到兩嚙合點(diǎn)處于節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的對稱位置時〔見圖��3-5(b)��〕,封閉容積為最小,齒輪再繼續(xù)轉(zhuǎn)動時,封閉容積又逐漸增大,直到圖3-5(c)所示位置時,容積又變?yōu)樽畲蟆Ｔ诜忾]容積減小時,被困油液受到擠壓,壓力急劇上升,使軸承上突然受到很大的沖擊載荷,使泵劇烈振動,這時高壓油從一切可能泄漏的縫隙中擠出,造成功率損失,使油液發(fā)熱等。當(dāng)封閉容積增大時,由于沒有油液補(bǔ)充,因此形成局部真空,使原來溶解于油液中的空氣分離出來,形成了氣泡,油液中產(chǎn)生氣泡后,會引起噪聲、氣蝕等一系列惡果。以上情況就是齒輪泵的困油現(xiàn)象。這種困油現(xiàn)象極為嚴(yán)重地影響著泵的工作平穩(wěn)性和使用壽命。

圖3-5 齒輪泵的困油現(xiàn)象

   為了消除困油現(xiàn)象,在CB—B型齒輪泵的泵蓋上銑出兩個困油卸荷凹槽,其幾何關(guān)系如圖3-6所示。卸荷槽的位置應(yīng)該使困油腔由大變小時,能通過卸荷槽與壓油腔相通,而當(dāng)困油腔由小變大時,能通過另一卸荷槽與吸油腔相通。兩卸荷槽之間的距離為a,必須保證在任何時候都不能使壓油腔和吸油腔互通。

圖3-6 齒輪泵的困油卸荷槽圖     圖3-7 齒輪泵的徑向不平衡力

• 2、  徑向不平衡力

   齒輪泵工作時,在齒輪和軸承上承受徑向液壓力的作用。如圖3-7所示,泵的右側(cè)為吸油腔,左側(cè)為壓油腔。在壓油腔內(nèi)有液壓力作用于齒輪上,沿著齒頂?shù)男孤┯?具有大小不等的壓力,就是齒輪和軸承受到的徑向不平衡力。液壓力越高,這個不平衡力就越大,其結(jié)果不僅加速了軸承的磨損,降低了軸承的壽命,甚至使軸變形,造成齒頂和泵體內(nèi)壁的摩擦等。為了解決徑向力不平衡問題,在有些齒輪泵上,采用開壓力平衡槽的辦法來消除徑向不平衡力,但這將使泄漏增大,容積效率降低等。CB—B型齒輪泵則采用縮小壓油腔,以減少液壓力對齒頂部分的作用面積來減小徑向不平衡力,所以泵的壓油口孔徑比吸油口孔徑要小。

     3.3、齒輪泵的流量計(jì)算

   齒輪泵的排量V相當(dāng)于一對齒輪所有齒谷容積之和,假如齒谷容積大致等于輪齒的體積,那么齒輪泵的排量等于一個齒輪的齒谷容積和輪齒容積體積的總和,即相當(dāng)于以有效齒高(h=2m)和齒寬構(gòu)成的平面所掃過的環(huán)形體積,即：

          (3-10)

   式中：D為齒輪分度圓直徑，D=mz(cm);h為有效齒高,h=2m(cm)；B為齒輪寬(cm);m為齒輪模數(shù)(cm)；z為齒數(shù)。

  實(shí)際上齒谷的容積要比輪齒的體積稍大,故上式中的π常以3.33代替,則式(3-10)可寫成：

          (3-11)

  齒輪泵的流量q(1/min)為：

           (3-12)

     式中：n為齒輪泵轉(zhuǎn)速(rpm);ηv為齒輪泵的容積效率。

   實(shí)際上齒輪泵的輸油量是有脈動的,故式(3-12)所表示的是泵的平均輸油量。

   從上面公式可以看出流量和幾個主要參數(shù)的關(guān)系為:

 (1)輸油量與齒輪模數(shù)m的平方成正比。

 (2)在泵的體積一定時,齒數(shù)少，模數(shù)就大,故輸油量增加,但流量脈動大;齒數(shù)增加時，模數(shù)就小,輸油量減少,流量脈動也小。用于機(jī)床上的低壓齒輪泵,取z=13～19,而中高壓齒輪泵,取z=6～14,齒數(shù)z＜14時,要進(jìn)行修正。

 (3)輸油量和齒寬B、轉(zhuǎn)速n成正比。一般齒寬B=(6～10)m;轉(zhuǎn)速n為750r/min：1000 r/min、1500r/min,轉(zhuǎn)速過高，會造成吸油不足,轉(zhuǎn)速過低，泵也不能正常工作。一般齒輪的最大圓周速度不應(yīng)大于5～6m/s。

     3.4、高壓齒輪泵的特點(diǎn)

  上述齒輪泵由于泄漏大(主要是端面泄漏,約占總泄漏量的70%～80%),且存在徑向不平衡力,故壓力不易提高。高壓齒輪泵主要是針對上述問題采取了一些措施,如盡量減小徑向不平衡力和提高軸與軸承的剛度;對泄漏量最大處的端面間隙,采用了自動補(bǔ)償裝置等。下面對端面間隙的補(bǔ)償裝置作簡單介紹。

  1.浮動軸套式圖3-8(a)是浮動軸套式的間隙補(bǔ)償裝置。它利用泵的出口壓力油,引入齒輪軸上的浮動軸套1的外側(cè)A腔,在液體壓力作用下,使軸套緊貼齒輪3的側(cè)面,因而可以消除間隙并可補(bǔ)償齒輪側(cè)面和軸套間的磨損量。在泵起動時,靠彈簧4來產(chǎn)生預(yù)緊力,
保證了軸向間隙的密封。

圖3-8  端面間隙補(bǔ)償裝置示意圖

  2.浮動側(cè)板式浮動側(cè)板式補(bǔ)償裝置的工作原理與浮動軸套式基本相似,它也是利用泵的出口壓力油引到浮動側(cè)板1的背面〔見圖3-8(b)〕,使之緊貼于齒輪2的端面來補(bǔ)償間隙。起動時,浮動側(cè)板靠密封圈來產(chǎn)生預(yù)緊力。

  3.撓性側(cè)板式圖3-8(c)是撓性側(cè)板式間隙補(bǔ)償裝置,它是利用泵的出口壓力油引到側(cè)板的背面后,靠側(cè)板自身的變形來補(bǔ)償端面間隙的,側(cè)板的厚度較薄,內(nèi)側(cè)面要耐磨(如燒結(jié)有0.5～0.7mm的磷青銅),這種結(jié)構(gòu)采取一定措施后,易使側(cè)板外側(cè)面的壓力分布大體上和齒輪側(cè)面的壓力分布相適應(yīng)。圖3-9內(nèi)嚙合齒輪泵工作原理

     3.5、內(nèi)嚙合齒輪泵

   內(nèi)嚙合齒輪泵的工作原理也是利用齒間密封容積的變化來實(shí)現(xiàn)吸油壓油的。圖3-9所示是內(nèi)嚙合齒輪泵的工作原理圖。它是由配油盤(前、后蓋)、外轉(zhuǎn)子(從動輪)和偏心安置在泵體內(nèi)的內(nèi)轉(zhuǎn)子(主動輪)等組成。內(nèi)、外轉(zhuǎn)子相差一齒,圖中內(nèi)轉(zhuǎn)子為六齒,外轉(zhuǎn)子為七齒,由于內(nèi)外轉(zhuǎn)子是多齒嚙合,這就形成了若干密封容積。當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子圍繞中心O1旋轉(zhuǎn)時,帶動外轉(zhuǎn)子繞外轉(zhuǎn)子中心O2作同向旋轉(zhuǎn)。這時,由內(nèi)轉(zhuǎn)子齒頂A1和外轉(zhuǎn)子齒谷A2間形成的密封容積C(圖中陰線部分),隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動密封容積就逐漸擴(kuò)大,于是就形成局部真空,油液從配油窗口b被吸入密封腔,至A1′、A2′位置時封閉容積最大,這時吸油完畢。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時,充滿油液的密封容積便逐漸減小,油液受擠壓,于是通過另一配油窗口a將油排出,至內(nèi)轉(zhuǎn)子的另一齒全部和外轉(zhuǎn)子的齒凹A2全部嚙合時,壓油完畢,內(nèi)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周,由內(nèi)轉(zhuǎn)子齒頂和外轉(zhuǎn)子齒谷所構(gòu)成的每個密封容積,完成吸、壓油各一次,當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動時,即完成了液壓泵的吸排油工作。

  內(nèi)嚙合齒輪泵的外轉(zhuǎn)子齒形是圓弧,內(nèi)轉(zhuǎn)子齒形為短幅外擺線的等距線,故又稱為內(nèi)嚙合擺線齒輪泵,也叫轉(zhuǎn)子泵。

  內(nèi)嚙合齒輪泵有許多優(yōu)點(diǎn),如結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,零件少,轉(zhuǎn)速可高達(dá)10000r/mim,運(yùn)動平穩(wěn),噪聲低,容積效率較高等。缺點(diǎn)是流量脈動大,轉(zhuǎn)子的制造工藝復(fù)雜等,目前已采用粉末冶金壓制成型。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,擺線齒輪泵的應(yīng)用將會愈來愈廣泛內(nèi)嚙合齒輪泵可正、反轉(zhuǎn),可作液壓馬達(dá)用。

        圖3-9 所示是內(nèi)嚙合齒輪泵的工作原理圖