大流量内啮合齿轮泵的设计

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1、1 课题综述1.1 背景液压泵是整个液压系统的动力源部分，它把机械能转化为液压能，在液压系 统中起着关键作用。内啮合齿轮泵结构紧凑、尺寸小、重量轻、噪声小，流量和 压力脉动小1。由于内啮合齿轮泵的内外齿轮转向相同，相对滑动速度小，因而 磨损小，使用寿命长。而且内啮合齿轮泵允许使用高转速，可以获得较大的容积 效率，因此内啮合齿轮泵的应用相当广泛。目前，内啮合齿轮泵与其他类型的泵 相比排量偏小，当要选用大排量的内啮合齿轮泵时，多采用双联泵或改用其他形 式的泵。 为了充分利用内啮合齿轮泵的优点，又能满足一些液压系统对大流量 泵的需求，开展了大流量内啮合齿轮泵的研究。1.2国内外现状近年来，各国都比较

2、重视内啮合齿轮泵的发展，而国内，认为其制造工艺比 较复杂，且对油泵噪声控制要求不高，故生产和应用较少，仅生产摆线内啮合齿 轮泵。近几年，通过引进国外先进技术开始了内啮合齿轮泵的研究与开发。目前，国内主要是上海机床厂引进美国 V1CKERS 公司产品生产的 GPA 型 内啮合齿轮泵，内外转子间用固定月牙块隔开，无间隙补偿，排量1.7663mL/r, 额定压力lOMPa,转速范围5003000r/min。上海航空发动机制造厂生产的NB 系列直线共轭内啮合齿轮泵，内外转子间用固定月牙块隔开，无间隙补偿，排量 10250mL/r,额定压力低压6.3MPa，中压12.5MPa,双级泵可达25MPa，额定

3、转速 1500r/min。国际上，有德国VOITH公司产品，内外转子均为修正渐开线齿形，内外转 子间用活动月牙块隔开，按出口压力分为中压泵21 MPa和高压泵33Mpa。其中 高压泵齿圈、齿轮端面都有间隙补偿，该泵机械效率、容积效率都比较高，排量 3.5250mL/r,转速范围4003600r/min。德国BOSCH公司生产的内啮合齿轮泵内 外转子间用活动月牙块隔开，轴向端面间隙补偿，排量3.5250mL/r，转速范围 6003200r/mi n。还有日本的不二越公司、台湾全惫精机公司生产的中高压内啮 合齿轮泵。上文中提到的几种泵的参数如下表所示：生产厂商间隙补偿措施排量（mL/r）转速（r/

4、min）上海机床厂无间隙补偿1.76635003000上海航空发动机制造 厂无间隙补偿102501500德国VOITH公司齿圈、齿轮端面有 间隙补偿3.52504003600德国BOSCH轴向端面间隙补偿3.52506003200目前，国内外有关内啮合齿轮泵的研究主要集中在以下方面：齿轮参数 2 及泵体结构的优化设计3；补偿面及齿间油膜的计算机辅助分析；困油冲击及卸 荷措施4；齿轮泵噪声的控制技术5；降低齿轮泵的流量脉动的方法；轮齿表面 涂覆技术6及其特点；轮齿弯曲应力及接触疲劳强度的计算；齿轮泵的变量方法 研究；齿轮泵的寿命及其影响因素；齿轮泵高压化的途径7。从目前的研究状况看，关于内啮合齿

5、轮泵大流量方向的的研究比较少，这也 是此次研究的原因所在。希望通过此次的研究，进一步扩大内啮合齿轮泵的应用 范围。2 课题研究内啮合齿轮泵有两种，渐开线内啮合齿轮泵和内外转子式摆线泵。下面以渐 开线内啮合齿轮泵为例说明内啮合齿轮泵的工作原理。内啮合齿轮泵工作原理如图 1 所示。在一对相互啮合具有共扼齿形的小齿轮3 和内齿圈 2 之间有月牙隔板 1 将吸油腔和压油腔隔开。当小齿轮按箭头所示方 向旋转时，内齿圈也以相同方向旋转，左半部轮齿脱开啮合的地方齿间容积逐渐 扩大，形成真空，液体在大气压力作用下进人吸油腔并填满各齿间。而右半部轮 齿进人啮合处齿间容积逐渐缩小，油液被挤压出去，轮齿不停地转动，

6、齿轮泵就 不停地吸油和压油。考虑到渐开线齿轮比摆线齿轮的加工工艺简单，制造成本低，本次研究中选 用渐开线内啮合齿轮泵。图1内啮合齿轮泵工作原理图1-月牙板2-齿圈3-小齿轮2.1研究内容关于渐开线内啮合齿轮泵已有不少作者进行研究，但多数是研究泵的性能参 数优化，比如流量特性的研究、减小噪声、强度分析。而此次的研究有所不同， 主要突出在两点：大流量和泵，不仅要研究增大泵流量的方法，还有完成整个泵 的设计。整个研究过程中，既要突出“大流量”，又要考虑到“泵”这个整体。 基于以上分析，整个研究工作主要解决一下问题：1. 如何增大内啮合齿轮泵的流量，这是此次研究与以往研究的不同之处， 也是研究的重点；

7、2. 如何提高泵的承载能力。径向压力的不平衡是所有泵面临的共性问题， 且工作压力越大，这种不平衡越明显。提高泵的承载能力，主要是解决 “径向压力不平稳”问题；3. 如何提高泵的容积效率，主要解决如何实现“侧向、径向间隙的自动补 偿”；4. 兼顾泵的其他方面的性能，比如足够的强度、合适的尺寸、工作噪声流 量和压力的脉动性等；5. 提高设计效率。2.2研究路线和技术方案此次研究中主要解决的问题已在上文中提出，下文将逐条给出对应的解决思 路或具体措施。1. 增大内啮合齿轮泵的流量泵的理论流量 q ：tq V(1)t式中，为泵的角速度，V为泵的排量。从式(1)知，要从根本上增大 泵的流量，需要增加泵的

8、排量。泵的排量是指，泵每转一弧度，由其几何尺寸计 算而得到的排出液体的体积。因而，要改变泵的排量就要改变泵的结构尺寸。关于内啮合齿轮泵的排量公式已有作者推到过，且从不同角度推到可以得出 不同的公式，此处我们采用如下公式：V =“ BR 2 -(R -a)2(2)a1a 2式中，B为齿轮宽度，a变位后中心距，R、R分别为小齿轮和齿圈的齿 a1 a 2顶圆半径9。由式(2)知，要增加泵的排量须改变小齿轮和齿圈的相关参数， 比如增加齿宽，增加小齿轮的齿顶圆半径，减小齿圈的齿顶圆半径。在对式(2) 和齿轮相关参数进一步研究之后，还可以得出如下结论：排量随着模数的增大而增大，并且与模数的平方成正比；随着

9、压力角的增大 而减小，压力角从20o增大到30o时，排量减小0.38%；随着小齿轮齿数的增大而 增大，当小齿轮的齿轮数由12增加到14时，内啮合齿轮泵的排量增加17.78%； 随着齿圈齿数的增大而减小，当齿圈齿数由19增加到21时，齿轮泵的排量减小 0.62%；随着齿顶高系数的增大而增大，当齿顶高系数由0.80增加到1.00时，内 啮合齿轮泵的排量增加 2.58%；与顶隙系数的取值无关；随着变位系数或变位系 数差的增大而增大10。依据以上结论，改变齿轮的相关参数，从而增加泵的流量。但在增加泵流量 时，不能忽略流量的脉动性。因为改变齿轮的参数会影响到流量的脉动，这点在 设计时要注意。2. 增加泵

10、的承载能力内啮合齿轮泵在工作时，齿圈由泵体内表面支撑，齿圈受到齿轮副的啮合力 和高压腔对齿圈的压力，二者的合力使齿圈和泵体内表面之间构成滑动轴承副 11。内啮合齿轮泵泵体内表面材料一般为铸铁或铝合金，承载能力相对较低。随 着泵工作压力的提高，合力增大，使滑动轴承副负荷加大，相对滑动表面逐渐由 油膜润滑过渡为边界摩擦，最终造成泵体表面的咬合破坏。因此，要提高泵的承 载能力必须对合力进行补偿。初步设想通过如下方案解决这一问题： 在齿圈外加一个半圆形支撑块，支撑块选择硬度比齿圈小的材料制造。这样 一来，齿圈与支撑块摩擦时，可以减少齿圈的磨损，通过更换支撑块来减小更换 齿圈带来的高成本。同时，为尽可能

11、减少二者的摩擦，在支撑块内设置一个空腔， 将高压油引进，从而形成静压油腔。该静压力可以抵消一部分力，从而提高泵的 承载能力。3. 提高泵的容积效率 泵经过容积损失后的实际输出功率和理论输出功率之比，称为容积效率。容 积损失主要是由泄露造成的。因此，为提高内啮合齿轮泵的容积效率，应使泵具 有较强的抵抗泄露的能力。可以通过内啮合齿轮泵的侧向、径向间隙自动补偿实 现泵的高容积效率。在齿轮两侧布置两个带有孔的浮动侧板，将泵出口处的高压油通过油孔引入 浮动侧板上的压力腔，在静压力作用下，两个浮动侧板紧贴在齿轮、齿圈和月牙 板的两侧面，使齿轮副的侧向间隙大大减小，从而抑制出口高压油通过侧向间隙 向泵的进口

12、泄露，由此实现侧向间隙的自动补偿。径向间隙的自动补偿，是通过支撑块的结构实现的。支撑块的 CAD 图（2） 所示。其径向间隙补偿原理：内齿轮的外圆支承在径向支承块的内表面上。由于 内齿轮的高速旋转，使两者配合表面磨损，间隙将逐渐变大。但因径向半圆支承 块的下面也有两个背压室，各背压室均与压油腔相通，在背压作用下，径向半圆 支承块推动内齿轮，内齿轮又推动填隙片（月牙板）与小齿轮齿项相接触，形成高 压区的径向密封12。OO图 2 支撑块 CAD 图4. 兼顾泵的其他性能设计过程中，要不时从泵这个整体去看待设计，不能顾此失彼。泵的性能参 数是相互关联的，一方面的变动会对另一方面产生影响。例如泵的排量

13、随着压力 角的增大而减小，但从增大泵流量的角度考虑，应该选用较小的压力角。但是， 流量脉动却随压力角的减小而增大，大的流量脉动会损坏液压系统。因此，选择 压力角时，要考虑两方面的影响。设计时，要从局部和整体两方面着手。5. 提高设计效率随着计算机技术和软件工程的发展，设计效率大为提高。设计时，尽可能采 用现代设计方法，加快设计过程。用AutoCAD绘制工程图，Solidworks建三维 模型， Ansys 进行机械强度的校核和流体分析。3 工作进度安排第一阶段：第 1 周第 2周，完成查阅资料；第二阶段：第 2 周第 5周，完成外文文献翻译、文献综述及开题报告第三阶段：第 4 周第 6周，完成

14、理论分析研究；第四阶段：第 5 周第 9周，完成设计计算；第五阶段：第 7 周第 15 周，完成工程图设计；第六阶段：第 15 周第 17 周，完成撰写毕业论文。4 参考文献1 张国贤.文章.流体传动与控制.高压内啮合齿轮泵,2011(6)：57-58.2 李志华，顾广华齿轮泵齿轮基本参数的优化设计江西农业大学学报， 1997 19(3)：1321363 栾振辉.齿轮泵研究的现状与发展起重运输机械， 2005(6)：l1-134 杜昌义齿轮泵困油现象及卸荷措施的分析，四川农机， 2002， 6：245 李岚，马云齿轮泵唆声的机理分析与控制组合机床与自动化加：技术， 2002， (11)：65-

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