外啮合齿轮泵的工作原理和应用

1.外啮合齿轮泵的结构及工作原理

外啮合齿轮泵的主体工作部件是一对参数相同的外啮合齿轮。图2.2.2所示为我国自行研制的CB-B型外啮合齿轮泵的结构图，它是分离三片式结构。三片是指泵盖4、8和泵体7，泵体7内装有一对齿数相同、宽度和泵体接近而又相互啮合的齿轮6，两对相互啮合的轮齿与两侧的端盖及中间的泵体形成密封工作腔，齿轮的齿顶和啮合线把整个泵腔划分为两部分，即吸油腔和压油腔。两齿轮分别用键固定在由滚针轴承支承的主动轴12和从动轴15上，主动轴由原动机带动旋转。

齿轮泵的壳体通常是铸铁或铝合金材料。齿轮通常是合金钢，某些低压小排量泵的齿轮也可以用粉末冶金或工程塑料。为了结构紧凑，有时将齿轮和轴加工成一体成为齿轮轴，其轴承通常为滚针轴承或滑动轴承。

图2.2.3是外啮合齿轮泵的工作原理图。当泵的齿轮按图示箭头方向旋转时，齿轮泵右侧轮齿脱开啮合，齿轮的轮齿退出齿槽，使右侧密封容腔增大，形成局部真空，油箱中的油液在外界大气压的作用下，经吸油管、吸油腔进入齿槽，实现吸油过程。随着齿轮的继续旋转，吸入齿槽的油液被带到左侧，进入压油腔，这时轮齿进入啮合，使密封容腔逐渐减小，齿槽部分的油液被挤出，实现压油过程。当齿轮泵由原动机带动持续旋转时，油液就不断地被从油箱中吸入泵内，经过加压后从压油口排出，进入液压系统，这就是外啮合齿轮泵的工作原理。

齿轮啮合时齿向啮合线及前后两个泵盖把吸油腔和压油腔分开，起配流作用，因此齿轮泵不需要专门的配流机构。

图2.2.2　外啮合齿轮泵

（a）结构图；（b）实物图
1—轴承外环；2—堵头；3—滚子；4—后泵盖；5，13—键；6—齿轮；7—泵体；8—前泵盖；9—螺钉；
10—压环；11—密封环；12—主动轴；14—泄油孔；15—从动轴；16—泄油槽；17—定位销

图2.2.3　外啮合齿轮泵工作原理

外啮合齿轮泵的进出油口可以布置在端面（图2.2.2），也可以布置在侧面（图2.2.3）。

2.外啮合齿轮泵的排量和流量

1）排量

如果不考虑齿顶间隙，齿轮泵的排量V相当于一对齿轮所有齿槽容积之和。假设齿槽容积大致等于轮齿的体积，那么齿轮泵的排量近似等于一个齿轮的齿槽容积和轮齿体积的总和，即相当于以有效齿高和齿宽构成的平面所扫过的环形体积，即

式中，D——齿轮分度圆直径，D=mz；

h——有效齿高，h=2m；

B——齿宽；

m——模数；

z——齿数。

实际上齿轮齿槽的容积要比轮齿的体积稍大，故上式中的π常以3.33代替，则可得到外啮合齿轮泵排量计算的近似公式

由此可见，齿轮泵的排量与齿数、模数及齿轮宽度有关。一台齿轮泵，一旦加工制造完成，其排量将不再变化，因此现有齿轮泵都是定量泵。

2）流量

齿轮泵的流量q为

式中，n——齿轮泵转速，r/min；

ηV——齿轮泵的容积效率。

实际上，由于齿轮泵在工作过程中，随着齿轮啮合点位置的不断变化，其密闭容积的变化率不是均匀的，而是随主轴的转动周期性变化，这就导致齿轮泵的瞬时流量是变化的，故式（2.2.3）所表示的只是泵的平均流量。为了评价液压泵瞬时流量的品质，即液压泵的流量脉动，引入流量脉动系数的概念。假设泵的瞬时最大流量和最小流量分别为qmax和qmin，则定义流量脉动系数σ为

表2.2.1为对某系列齿轮泵不同齿数的流量脉动系数的理论分析结果，可以看出流量脉动系数随齿轮齿数的变化规律。当然，实际齿轮泵的流量脉动系数还会受其他因素的影响。

表2.2.1　齿轮泵流量脉动系数与齿数的关系

液压泵的流量脉动对液压系统有较大影响，它会引起液压系统的压力脉动，从而使管路、阀等液压元件产生振动和噪声。同时，流量脉动也会影响工作部件的运动平稳性，特别是对精密机床的液压传动系统更为不利。

由式（2.2.3）可以看出，泵的流量与齿轮模数m的平方成正比。因此，在泵的体积一定时，减少齿数，增大模数，可以使泵的排量和流量明显增大，但同时流量脉动也会变大。因此，用于机床上的低压齿轮泵，要求流量均匀，齿数多取为z=13～20；中高压齿轮泵，要求有较高的齿根强度，泵的齿数较少，通常取为z=6～14，而且为了防止根切，要求进行齿形修正。另外，泵的流量和齿宽B、转速n成正比。一般对于高压齿轮泵，B=（3～6）m；对于低压齿轮泵，B=（6～10）m。

3.外啮合齿轮泵存在的几个问题及解决措施

1）齿轮泵的困油现象

齿轮要平稳工作，就要求齿轮啮合的重叠系数ε＞1，也就是当一对轮齿尚未脱开啮合时，另一对轮齿已进入啮合。这就出现了某段时间内同时有两对轮齿处于啮合状态，在两对轮齿的齿向啮合线之间形成了一个密闭容腔，一部分油液也就被困在这一密闭容腔中〔图2.2.4（a）〕。当齿轮继续旋转时，这一密闭容腔便逐渐减小，到两啮合点处于节点两侧的对称位置时〔图2.2.4（b）〕，密闭容腔为最小。随着齿轮的继续转动，密闭容腔又逐渐增大，直到图2.2.4（c）所示位置时，密闭容腔又变为最大。在密闭容腔减小时，被困油液受到挤压，压力急剧上升，使轴承上突然受到很大的冲击载荷，使泵剧烈振动。这时高压油从一切可能泄漏的缝隙中挤出，造成功率损失，并使油液发热。当密闭容腔增大时，由于没有油液补充，因此形成局部真空，使原来溶解在油液中的空气分离出来，形成气泡，造成空穴和气蚀等一系列后果。以上就是齿轮泵的困油现象。这种现象严重影响泵的工作平稳性和使用寿命。

图2.2.4　齿轮泵的困油现象

为了消除困油现象，通常在齿轮泵的泵盖上铣出两个卸荷槽，其几何关系如图2.2.4中虚线所示。卸荷槽的位置应该使困油腔由大变小时，能与压油腔相通，而当困油腔由小变大时，能与吸油腔相通。开卸荷槽必须保证在任何时候都不能使压油腔和吸油腔互通。(www.xing528.com)

卸荷槽的形式有圆形、斜切形及细条形等多种结构形式，如图2.2.5所示。

图2.2.5　齿轮泵的卸荷槽结构形式

（a）对称布置的双圆形；（b）对称布置的双斜切形；（c）非对称布置的细条形

2）齿轮泵的径向不平衡力问题

齿轮泵工作时，在齿轮和轴承上有径向液压力的作用。如图2.2.6所示为主动齿轮所受径向液压力的情况，泵的右侧为吸油腔，左侧为压油腔。在压油腔内有液压力作用于齿轮上，且压力沿齿顶圆周方向逐渐减小，从而使齿轮和轴承受到径向不平衡力的作用。工作压力越高，这个不平衡力就越大。其结果不仅加速了轴承的磨损，降低了轴承的寿命，甚至使轴变形，造成齿顶和泵体内壁的摩擦等。被动齿轮的受力情况与此类似。

图2.2.6　齿轮泵的径向不平衡力

为了解决径向不平衡力问题，在有些齿轮泵上，采用开压力平衡槽的办法来减小径向不平衡力（图2.2.7），但这将使泄漏量增大，容积效率降低。CB-B型齿轮泵则采用缩小压油口，以减少高压油液对齿顶部分的作用面积来减小径向不平衡力。常见齿轮泵的排油口孔径比吸油口孔径要小，也是采取的这种措施。

图2.2.7　采用平衡槽减小齿轮泵径向不平衡力

3）齿轮泵的泄漏问题

外啮合齿轮泵高压腔的压力油可通过以下三条途径泄漏到低压腔中去：

（1）通过齿轮啮合处的间隙，占总泄漏量的4％～5％；

（2）通过泵体内孔和齿顶圆间的径向间隙，占总泄漏量的15％～20％；

（3）通过齿轮两侧面和两侧盖板间的端面间隙，此处泄漏面积大而且泄漏路径短，对泄漏影响最大，通过此处的泄漏量占总泄漏量的75％～80％。

如果轴向间隙过大，则泄漏量增大，容积效率降低，但过小的轴向间隙又会导致齿轮端面和端盖之间的机械摩擦损失增加，使泵的机械效率降低。因此，在齿轮泵的设计和制造中，必须综合考虑各种因素，严格控制齿轮泵的轴向间隙。

4.提高齿轮泵额定工作压力的措施

要提高齿轮泵的额定工作压力，必须首先解决轴向间隙泄漏问题，可以采取减小端面间隙、加强密封等措施。在中、高压齿轮泵设计中，注意尽量减小径向不平衡力和提高轴的刚度与轴承的承载能力，并采用增加端面间隙自动补偿装置等措施。下面对端面间隙的自动补偿装置做简单介绍。

1）浮动轴套式

图2.2.8（a）是浮动轴套式的间隙补偿装置。它将泵排油口的压力油引入浮动轴套1的外侧（A腔），高压油产生的液压力使轴套紧贴齿轮3的侧面，因而可以消除间隙并可补偿齿轮侧面和轴套间的磨损量。泵起动时，靠弹簧4来产生预紧力，保证了轴向的密封。

2）浮动侧板式

浮动侧板式补偿装置的工作原理与浮动轴套式相似，也是将泵排油口的压力油引到浮动侧板1的背面〔图2.2.8（b）〕，使侧板紧贴于齿轮3的端面来补偿间隙。泵起动时，浮动侧板靠安装在侧板背面的橡胶密封圈来产生预紧力。

浮动侧板一般采用钢铜双金属烧结的工艺制造，使侧板上的铜与钢质齿轮侧面形成摩擦副，以改善其摩擦性能。

图2.2.8　端面间隙补偿装置示意图

（a）浮动轴套式间隙补偿装置；（b）浮动侧板式补偿装置；（c）挠性侧板间隙补偿装置
1—浮动轴套/浮动侧板/挠性侧板；2—泵体；3—齿轮；4—弹簧

3）挠性侧板式

图2.2.8（c）是挠性侧板式间隙补偿装置。它将泵排油口的压力油引到侧板的背面，靠侧板自身的变形来补偿端面间隙。侧板的厚度较薄，内侧面要耐磨（如烧结有0.5～0.7 mm的磷青铜等）。这种结构，易使侧板外侧面的压力分布大体上和齿轮侧面的压力分布相适应。

5.斜齿轮泵

常见外啮合齿轮泵的齿轮多为直齿渐开线齿轮。实际上，正如机械传动有斜齿轮传动一样，液压传动中也有斜齿轮泵。

斜齿轮泵是采用两个模数和压力角相同，螺旋角大小相等旋向相反的斜齿轮所构成的齿轮泵，如图2.2.9所示。斜齿轮泵的工作原理与直齿轮泵类似，也是靠齿轮的进入啮合和脱开啮合实现吸、排油的。由于斜齿轮每对齿的进入啮合和脱开啮合是逐渐进行的，因此斜齿轮泵比直齿轮泵具有更小的流量脉动系数。

斜齿轮泵具有高压大流量的特点，容积效率可达98％，对油液污染不敏感，在保持直齿轮泵优点的基础上改善了流量脉动，减小了压力脉动和噪声。

图2.2.9　斜齿轮泵

（a）工作原理图；（b）实物图