力士樂齒輪泵工作原理及結構

齒輪泵
   齒輪泵是液壓系統中廣泛采用的一種液壓泵,它一般做成定量泵,按結構不同,齒輪泵分為外嚙合齒輪泵和內嚙合齒輪泵,而以外嚙合齒輪泵應用zui廣。下面以外嚙合齒輪泵為例來剖析齒輪泵。
   液壓齒輪泵主要包括：高壓定量齒輪泵，高壓雙聯齒輪泵，潤滑泵，化工泵，雙向齒輪馬達，齒輪泵附調壓閥，齒輪泵附升降閥。
   齒輪泵的工作原理和結構
   齒輪泵的工作原理如圖3-3所示，它是分離三片式結構，三片是指泵蓋4，8和泵體7，泵體7內裝有一對齒數相同、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，主動軸由電動機帶動旋轉。

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REXROTH力士樂齒輪泵CB—B齒輪泵的結構如圖3-4所示，當泵的主動齒輪按圖示箭頭方向旋轉時，齒輪泵右側（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，經吸油管路、吸油腔進入齒間。隨著齒輪的旋轉，吸入齒間的油液被帶到另一側，進入壓油腔。這時輪齒進入嚙合，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。當齒輪泵的主動齒輪由電動機帶動不斷旋轉時，輪齒脫開嚙合的一側，由于密封容積變大則不斷從油箱中吸油，輪齒進入嚙合的一側，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動，同時又要保證泄露zui小，在齒輪端面和泵蓋之間應有適當間隙（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：當齒輪受到不平衡的徑向力后，應避免齒頂和泵體內壁相碰，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，并減小壓緊螺釘的拉力，在泵體兩側的端面上開有油封卸荷槽16，使滲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。

齒輪泵存在的問題
•        1、  齒輪泵的困油問題
齒輪泵要能連續地供油,就要求齒輪嚙合的重疊系數ε大于1,也就是當一對齒輪尚未脫開嚙合時,另一對齒輪已進入嚙合,這樣,就出現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）〕,齒輪連續旋轉時,這一封閉容積便逐漸減小,到兩嚙合點處于節點兩側的對稱位置時〔見圖3-5（b）〕,封閉容積為zui小,齒輪再繼續轉動時,封閉容積又逐漸增大,直到圖3-5（c）所示位置時,容積又變為zui大。在封閉容積減小時,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,使油液發熱等。當封閉容積增大時,由于沒有油液補充,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象。這種困油現象極為嚴重地影響著泵的工作平穩性和使用壽命。

為了消除困油現象,在CB—B型齒輪泵的泵蓋上銑出兩個困油卸荷凹槽,其幾何關系如圖3-6所示。卸荷槽的位置應該使困油腔由大變小時,能通過卸荷槽與壓油腔相通,而當困油腔由小變大時,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。
  按上述對稱開的卸荷槽,當困油封閉腔由大變至zui小時（圖3-6）,由于油液不易從即將關閉的縫隙中擠出,故封閉油壓仍將高于壓油腔壓力;齒輪繼續轉動，當封閉腔和吸油腔相通的瞬間,高壓油又突然和吸油腔的低壓油相接觸,會引起沖擊和噪聲。于是CB—B型齒輪泵將卸荷槽的位置整個向吸油腔側平移了一個距離。這時封閉腔只有在由小變至zui大時才和壓油腔斷開,油壓沒有突變,封閉腔和吸油腔接通時,封閉腔不會出現真空也沒有壓力沖擊,這樣改進后,使齒輪泵的振動和噪聲得到了進一步改善。

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,泵的右側為吸油腔,左側為壓油腔。在壓油腔內有液壓力作用于齒輪上,沿著齒頂的泄漏油,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。
    齒輪泵的流量計算
   齒輪泵的排量V相當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,即相當于以有效齒高（h=2m）和齒寬構成的平面所掃過的環形體積,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（cm）；z為齒數。
  實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為齒輪泵轉速（rpm）;ηv為齒輪泵的容積效率。
   實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的關系為:
（1）輸油量與齒輪模數m的平方成正比。
（2）在泵的體積一定時,齒數少，模數就大,故輸油量增加,但流量脈動大;齒數增加時，模數就小,輸油量減少,流量脈動也小。用于機床上的低壓齒輪泵,取z=13～19,而中高壓齒輪泵,取z=6～14,齒數z＜14時,要進行修正。
（3）輸油量和齒寬B、轉速n成正比。一般齒寬B=（6～10）m;轉速n為750r/min：1000 r/min、1500r/min,轉速過高，會造成吸油不足,轉速過低，泵也不能正常工作。一般齒輪的zui大圓周速度不應大于5～6m/s。
     高壓齒輪泵的特點
  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zui大處的端面間隙,采用了自動補償裝置等。下面對端面間隙的補償裝置作簡單介紹。
  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A腔,在液體壓力作用下,使軸套緊貼齒輪3的側面,因而可以消除間隙并可補償齒輪側面和軸套間的磨損量。在泵起動時,靠彈簧4來產生預緊力,
保證了軸向間隙的密封。

圖3-8   
  2.浮動側板式浮動側板式補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板1的背面〔見圖3-8（b）〕,使之緊貼于齒輪2的端面來補償間隙。起動時,浮動側板靠密封圈來產生預緊力。
  3.撓性側板式圖3-8（c）是撓性側板式間隙補償裝置,它是利用泵的出口壓力油引到側板的背面后,靠側板自身的變形來補償端面間隙的,側板的厚度較薄,內側面要耐磨（如燒結有0.5～0.7mm的磷青銅）,這種結構采取一定措施后,易使側板外側面的壓力分布大體上和齒輪側面的壓力分布相適應。圖3-9內嚙合齒輪泵工作原理

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