新型内啮合齿轮油泵的特性分析

新型内啮合齿轮油泵的研究
机自022(025370) 刘浩
摘要：本文简要分析了新型内啮合齿轮油泵的国内外现状，并简要介绍了内啮合齿轮油泵的工作原理，结构特点和内啮合齿轮油泵常用的齿廓曲线，然后重点研究了圆弧摆线齿轮油泵，最后展望了新型内啮合齿轮油泵的发展趋势。

关键词：新型内啮合齿轮油泵,齿廓曲线,圆弧摆线
1内啮合齿轮泵的国内外现状综述
1.1齿轮泵简介
液压传动系统中使用的液压泵是一种能量转换传递装置，能把驱动它的原动机的机械能转换成油液的压力传给液压系统工作，是液压系统中的能源装置。

目前液压泵中按其主要运动构件的形状和运动方式来分，有齿轮泵、螺杆泵、叶片泵、轴向柱塞泵、径向柱塞泵等类型。

齿轮泵以其结构简单紧凑，体积小重量轻，自吸性能好，对污物不敏感，工作可靠寿命长，便于维护修理，成本低，广泛地应用在各种液压机械上，又因齿轮是对称的螺旋体，故允许高速旋转，最大工作压力可达31.5MPa [1]。

齿轮泵的分类：
一.按齿轮泵啮合形式分：（一）外啮合式，（二）内啮合式。

二.按齿形曲线分：在外啮合齿轮泵中齿轮的齿形曲线一般都采用渐开线齿形或
圆弧齿形，在内啮合齿轮泵中，除了可采用渐开线齿形外，还可采用摆线齿
形。

三.按齿面形式分：（一）直齿齿轮式，（二）斜齿齿轮式，（三）人字齿轮式,（四）
圆弧齿面的齿轮式等。

其中斜齿、人字齿、圆弧齿与直齿相比，啮合性能好
一些，啮合无声、无撞击、寿命较长，但由于斜角不能太大，故对流量的波
动性的改善不很显著，如果斜角太大，会使吸压油腔相通，所以应用不多。

四.按啮合齿轮的个数分：（一）二齿轮式，（二）多齿轮式：多齿轮组成并联的
多个齿轮泵，能同时向多个执行元件供给压力油，多齿轮也可组成串联的多
个齿轮泵，以使液体获得更高的压力。

五.按级数分：（一）单级齿轮泵，（二）多级齿轮泵，即将多个齿轮泵串联而成，
可使输出液体的压力增高。

目前，齿轮泵的流量范围为q=2.5~750 L/min ， 压力范围为P=0.1~31.5 MPa ， 转速范围n=300~4000 r/min ， 高速时（如应用在飞机上）可达8000 r/min ， 容积效率为96.0~80.0=v η，总效率为η=0.15~0.92[2]。

1.2内啮合齿轮泵的国内外现状
目前液压泵中常用的是外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵。

外啮合齿轮泵应用甚广，其制造工艺比内啮合齿轮泵简单。

内啮合齿轮泵的制造虽然比外啮合齿轮泵复杂，但是在相同的外廓尺寸下，它的排油量大，因此，它具有体积小、流量大、结构紧凑等优点，特别是可以采用较大面积的吸油窗口，因而吸入性能好，允许高转速，高压力，另一重要因素是流量脉动小，一般外啮合的流量脉动率δex =0.12~0.20，而内啮合的
δix = 0.08~0.10，甚至更低，因而一般内啮合的齿轮泵的噪声要比外啮合的低5~10 bB。

正因为内啮合齿轮泵有如此多的优点，特别适用于运送流体物料及高粘度的液体，因此被广泛应用于石油化工、轻纺、矿山、冶金、制药及食品工业。

在工业发达国家，内啮合泵的产量占很大比例，有些国家如美国内啮合齿轮泵的产量与外啮合齿轮泵的产量接近1：1，近年来，国际上各类内啮合齿轮泵发展迅速，仅齿形就有渐开线、正弦曲线、圆弧摆线、次摆线、对数螺旋线等前景十分广阔。

而我国内啮合齿轮泵的产量不大，且其寿命和性能不能达到国外同类产品的水平，目前国内生产的各种工业泵，对输送介质比较严格，只能输送具有润滑性能、粘度和压力都比较低的介质，而国内的许多行业如石油化工、颜料、食品、肥皂、洗涤剂及制药等行业输送的介质为高粘度、低润滑或无润滑性，具有腐蚀性等特点，国内尚无一种理想泵来完成输送任务。

现有的齿轮泵、凸轮泵在使用中存在寿命短、噪声高等缺点，单螺杆泵不仅价格昂贵，且适应的介质具有局限性，因此，国内一些行业长期进口，但因定货周期长，售后服务不及时，给生产带来了困难。

内啮合齿轮泵在我国的石化行业中得到了大量的应用，例如用于粘度较高的树脂，腈纶原料的生产，特别适用于输送有计量精度要求的高粘度流体，以上海金山金阳腈纶厂为例，内啮合齿轮泵主要用于化工车间和纺丝车间，用来输送化工原料和纺
丝原液等，使用压力范围为0.3—3Mpa，流量范围为0.08—275h
m/3，粘度范围为11—4000cp，共需要不同系列的内啮合齿轮泵一百多台。

目前石化企业所用内啮合齿轮泵大都由国外进口，每台约3—20万元。

如果全靠进口，价格相当昂贵，少量企业和部门使用现有的低性能、低寿命的国产泵，存在故障多、调换频繁等问题，影响生产和产品质量，可以说，目前国内还没有符合化纤生产工艺要求的内啮合齿轮泵。

此外，内啮合齿轮泵的理论分析在国际上未见有关理论报道，制造技术也对外保密，我国设备引进过程中，国外有关企业对我中方人员均以企业机密为由而加以保密谢绝参观。

所以研究开发该类内啮合齿轮泵具有重要的现实意义。

这种在目前国际和国内广泛应用的内啮合齿轮泵，其主要零件为一对内啮合的齿轮副，国内对它尚未研究，制造正处于仿造的初级阶段，至今国内尚无定型产品，某些单位（浙江乐清市宏丰石化机械厂和四川机械研究设计院）制造的几台泵的各种性能指标如精度和寿命远未达到国外同类产品的水平，特别是泵供液量未能达到设计要求，在使用过程中为了达到实际所需的泵供液量，使得电机转速提高至极限值，这是非常危险的。

其次传统的加工方法也仅有插齿、滚齿等齿形加工方法，无法适应各种复杂曲线（如圆弧、摆线等）的加工及其选优，不能保证其加工精度，也不能提高生产效率。

目前的国产内啮合齿轮泵的噪声比同类国外产品大，使用寿命比国外同类产品短。

且采用传统的填料密封，常常会发生原油的渗漏，降低了泵的总效率。

本课题正是在这一背景下产生的。

2内啮合齿轮油泵的工作原理分析
图2.1 泵的工作原理
2.1内啮合齿轮油泵的工作原理
内啮合齿轮油泵,是借助于一对偏心为A 的内啮合内外齿轮(外齿轮的齿数Z1比内齿轮的齿数Z2少3个，即Z1=Z2—3),月牙形隔离板将吸,压油腔分开，形成密封工作空间，随着内外齿轮的齿合旋转,这个密封工作空间的容积将不断发生变化，如图2.1所示位置,0内外齿轮同方向逆时针旋转。

在其左半部沿旋转方向,密封空间，有小变大，形成局部真空,油液在大气压力的作用下,通过油管合泵座上的吸油口被吸入,充满整个空间，即为泵的吸油过程.右半部的情况正好相反,密封工作空间，由大变小，腔内油液从压油口中被压进油管,即为泵的压油过程.这就是齿轮泵的压油和吸油过程,当齿轮不断转动时,齿轮泵就不断的压油和吸油,起到泵液的作用。

2.2内啮合齿轮油泵的结构特点
如图 2.2 所示，该泵采用二片式分离结构，其主要零件是一对内啮合的齿轮即
内外齿轮。

内齿轮为主动轮，它带动外齿轮2，按一定的传动比2
1Z Z i 作同向转动。

内外齿轮安装于泵座5内，其内齿轮4与泵座内孔配合，并且活动侧板15、外齿轮2、泵座5构成泵腔，为把吸油腔和压油腔隔开，在活动侧板上设有一月牙形隔板。

在泵座5内，内齿轮4由键固定在轴13上，外齿轮2套装在小轴17上，由于内齿轮4的驱动，外齿轮2随之作同向旋转运动，使工作室容积产生周期性的变化，达到输送介质的目的。

由于其中外齿轮2的转动中心位于内齿轮4的大直径表面之内，齿轮转向相同，因而相对滑动速度小，磨损小，使用寿命长。

1. 左端盖
2. 外齿轮
3. 轴环
4. 内齿轮 5 .泵座 6. 压盖螺母
7 .轴承座 8. 轴承压盖 9. 锁紧螺母 10. 轴套 11. 垫片
12. 填料压盖 13. 轴 14. 含油轴承 15. 活动侧板 16. 垫片 17. 小轴
图2.2 泵的基本结构
2.3 内啮合齿轮泵的特点
内啮合齿轮泵与外啮合齿轮泵相比，有以下优点：
1.中心距较小，内啮合齿轮传动中，由于外齿轮放在内齿轮里面，所以两齿轮中心1O 及2O 均在啮合节点P 的同侧，（如图
2.1），两齿轮的中心距为:
)(2
1212Z Z m r r A -=
-= (2-1) 因而，内啮合齿轮油泵尺寸比较小，结构紧凑，相应的减轻了重量，节省了材料。

2.因为内啮合齿轮传动的两齿轮回转方向相同，所以相对角速度减小，使齿廓间的相对滑动速度小于外啮合齿廓间的相对滑动速度。

所以内啮合齿轮油泵磨损较轻，相应提高了传动效率。

3.齿面接触率和重合度大，不象外啮合传动那样凸面与凸面啮合，而是凸面与凹面啮合，综合曲率半径大，因此传动平稳。

4.由于内齿轮齿根厚度较大，所以弯曲强度也较高。

5.使用寿命长。

内啮合齿轮油泵也存在以下缺点：
1. 内齿轮加工困难。

2. 安装内齿轮的支承比较困难。

3. 外齿轮常是悬臂结构，钢性较差。

2.4 内啮合齿轮泵常用的齿廓曲线
内啮合齿轮副为齿轮油泵的关键，它们的啮合情况的好坏直接影响整台油泵的性能，而齿廓的齿形曲线又是齿轮啮合好坏的关键，所以对齿轮齿形曲线的选择至关重要。

常用的内啮合齿轮油泵的齿廓曲线有以下几种形式：
1. 渐开线：渐开线齿轮自18世纪60年代发明以来，已有200多年的历史，至 今仍广泛地使用着，一直保持着其强大的生命力，主要原因在于传动可靠，传动比恒定，好加工，便于使用与推广。

渐开线齿轮的原理自1765年欧拉（L.Euler ）提出渐开线齿形以来有很大的发展。

1837年英国崴里斯（R.Willis ）提出了渐开线齿轮中心
距变动不影响传动比的理论，并提出了 2
114压力角齿形制。

1837年德国霍普（Hoppe ）提出变位齿轮概念，以及20 世纪变位齿轮又得到广泛而深入的研究，直到50年代苏联加夫里连科提出封闭图概念，又经格罗曼、鲍洛托夫斯卡娅、鲍洛托夫斯基等绘制了大量实用的封闭图，从而圆满地解决了变位系数的选择问题，从而大大提高了其承载能力，使渐开线齿轮在当今工业得到更为广泛的应用。

2.摆线：最初的摆线齿轮，齿顶由外摆线而齿根由内摆线构成。

这种摆线齿轮不发生相切现象，可以有很小的最少齿数和比较长的寿命，但是，没有可分性，制造困难，弯曲强度低，不能适应现代的高速机械传动，因此，后来几乎被渐开线所代替。

本世纪30 年代初，转子泵的发明是摆线齿轮的一个新发展。

这种齿轮不是用一段摆线作为齿廓，而是一支支完整连续的短幅外摆线的等距曲线作为齿廓，与多一个齿数的内齿轮组成了一齿差内啮合齿轮传动[3]。

3.圆弧：80年代后期，日本提出在油泵中采用圆弧齿轮，此后，英、美等国家也开始研究圆弧齿轮泵，并逐渐推广使用，圆弧齿轮油泵与渐开线齿轮泵相比，具有流量大，齿数少而不产生干涉，无困油现象，噪声小，寿命长等优点，被认为是当今的最佳齿形。

目前常用的圆弧齿轮的齿形为单圆弧和双圆弧，其中双圆弧为齿顶和齿根皆为圆弧，两段圆弧可采用多种曲线连接。

4.短幅外摆线内等距曲线：目前国外出现的少齿差圆弧摆线内啮合齿轮泵，以其独特的优点，广泛应用在各行各业，显示出强大的生命力，其齿轮副的齿廓曲线为一段短幅外摆线的内等距曲线。

下面我将对上述几种齿廓曲线进行一一评价：
渐开线形齿轮由于其中心距的可分性及制造、测量方便等许多优点，得到广泛的应用，但也存在下述缺点：
1） 渐开线形齿轮两轮齿在节点处啮合时，两齿面之间的相对运动是纯滚动，但
啮合点离节点越远，则两啮合面之间的滑动速度也越大，这对于齿面的磨损、
发热、传动平稳性和效率以及使用寿命都不利。

2） 渐开线形外啮合齿轮传动是凸齿对凸齿的啮合传动，从接触强度来看，由于
相对曲率半径较小，承载能力受到限制。

3） 渐开线内啮合齿轮副的内齿轮的最小齿数为27，内外齿轮的齿差数必须大于
9。

4） 渐开线形齿轮常会出现困油现象及干涉现象，齿轮泵的噪声大[4]。

基于上述各种原因，在本课题少齿数（内啮合齿轮齿数只有11）及齿差数只有3的内啮合齿轮油泵中不适合采用这种齿形。

摆线齿形齿轮虽然具有结构紧凑，传动平稳等优点，但它只适用于一齿差的内啮合齿轮油泵（既转子泵）中，对于本课题齿差数为3的情况也是不适用的。

圆弧齿形齿轮，虽然其具有不产生干涉，无困油现象，噪声小等优点，但目前其只能适用于外啮合的齿轮油泵中，对于本课题的内啮合齿轮油泵还是不适用的。

短幅外摆线内等距曲线，这种进口的内啮合齿轮油泵近年来在石油、化工等各行各业得到更为广泛的应用，该类泵以其良好的性能得到认可，但其理论原理在国内还处于研究阶段。

本课题决定从这种齿形入手，对其进行理论分析，建立其曲线方程，设计出符合要求的齿廓曲线。

并在此基础上，设计开发新型的齿廓曲线，开发曲线设计软件，以其指导生产，生产出满足要求的齿轮油泵。

3圆弧摆线
3.1齿轮副啮合原理
图3.1 圆弧摆线齿轮副
齿轮副的啮合如图3.1所示，当圆弧齿轮(内齿轮)绕2o 轴旋转时，摆线齿轮(外齿轮)被带动绕1o 轴同向旋转。

根据齿轮啮合原理，两齿轮啮合传动时，有一对纯滚动的圆周——节圆存在，设摆线齿轮的节圆半径为1r ，圆弧齿轮的节圆半径为2r ，啮合点为P ，圆弧齿轮齿廓曲线两侧各为一段圆弧，即圆弧齿廓。

圆弧的半径为R ，其中心为3o ，每个圆弧上排列3齿，称为跨齿数B Z 。

由啮合原理知摆线齿轮齿形就是圆弧齿轮齿形的共轭曲线，即圆弧齿轮的基本参数就是齿轮副的基本参数。

中心3o 是圆弧齿轮节圆外与之相固联的一点，这里，摆线齿轮节圆1相当于基圆，圆弧齿轮节圆2相当于滚圆，滚圆沿基圆滚动时，滚圆上P 点的轨迹是普通外摆线，在滚圆外3o 点的轨
迹是短副外摆线，以短副外摆线上的点为圆心，以R 为半径的圆族包络线就是摆线齿轮的齿廓曲线，所以该齿廓为短副外摆线的内等距曲线[5]。

3.2 齿轮副主要尺寸及参数
供齿轮副计算的有关关系式如下：
12Z Z Z -=∆ (3-1)
22/)(1212Z m Z Z m r r A ∆=-=-= (3-2) Z A m ∆=2 (3-3)
Z Z A
Z m r ∆==1112 （3-4） 222Z m r = （3-5）
A r r a f +=12 （3-6）
C A r r a f --=21 （3-7）
1
2a r B =ζ （3-8） 式中21,Z Z ─摆线齿轮和圆弧齿轮的齿数，
m ─齿轮模数， mm
A ─摆线齿轮和圆弧齿轮的中心距， mm
11,f a r r ─摆线齿轮的齿顶圆半径和齿根圆半径， mm
22,f a r r ─圆弧齿轮的齿顶圆半径和齿根圆半径， mm
C ─圆弧齿轮齿顶和摆线齿轮齿根的啮合间隙， mm
B ─摆线齿轮厚度， mm
ζ─齿宽系数，
其它参数还有：
R ─圆弧齿轮齿廓圆弧半径， mm
L ─圆弧中心所在圆半径（也称创成圆半径）， mm
B Z ─跨齿数，
K ─短副系数。

3.3摆线齿轮齿廓曲线计算式
摆线齿轮齿廓曲线计算公式的推导（如图3.2）是将XOY 直角坐标固定在转动的
摆线齿轮上，坐标原点位于摆线齿轮的中心1O 处，根据相对运动原理，摆线齿轮实际转动角是1ϕ，圆弧齿轮实际转动角是2ϕ（即1ϕi ），圆弧齿轮相对于XOY 坐标的转角是1)1(ϕi -。

圆弧齿轮齿形中心3O 在坐标面上的运动轨迹就是短副外摆线，其方程为：
1
11
1)1cos(cos )1sin(sin ϕϕϕϕi L A y i L A x -+-=-+-=
（
3-9） 式中：i ─21Z Z 传动比， 1ϕ
─摆线齿轮转过的角度。

图3.2 摆线齿轮齿廓曲线坐标
下面求出摆线齿轮齿廓曲线，即短副外摆线内等距曲线，对式3-9求导：
1
11
1
11
)1cos()1(cos )1sin()1(sin ϕϕϕϕϕϕi i L A d dx i i L A d dy
--+-=---=
则短副外摆线上的任意一点的斜率为：
1
11
11
1)1cos()1(cos )1sin()1(sin ϕϕϕϕϕϕγi i L A i i L A d dx d dy
tg --+----
=='
111
1)1cos()1(cos )1sin()1(sin ϕϕϕϕγi i L A i i L A arctg --+----='
则短副外摆线内等距曲线方程为：
γϕϕγϕϕ'--+-='
+-+-=cos )1cos(cos sin )1sin(sin 1111R i L A y R i L A x
在计算机上取21360~0Z ⋅︒︒=ϕ，以一定步长计算，可得出摆线齿轮所有齿的一系列坐标点。

下图为按计算作图的一个例子。

图3.3
4内啮合齿轮泵的发展趋势
在内啮合齿轮泵的文献资料查阅过程中，我不但查阅了国外的研究报告，专利与论文的情况，也调查了我国不同年代所引进的产品，从而得到了以下情况。

专利情况：根据上海科技情报所及互联网的查阅，有关内啮合齿轮泵的专利，仅查到TCP 泵特许公报昭和53—44906（78年4月），56—7071（81年2月）的专利号，美国的专利号（5413470）。

日本专利的前者为圆弧线形齿廓的外齿，日本专利的后者是近似摆线齿廓的内齿。

其实可用于齿轮泵齿廓线形还可以有多种线形及混合线形，且上述专利所加工的齿轮泵还受加工的精度所制约，有效容积系数仅能达65—68%，泵流量波动较大，无法达到现代工业特别是腈纶喷丝的高精度计量要求，就加工方法看，至今未见有新的专利申请。

而美国专利是有关空穴反应及噪声御荷问题，且其只叙述了御荷槽的大致结构及形式，没有理论分析和具体特征参数的论述，无法据此进行制造加工。

论文情况：内啮合齿轮泵的研究，日本起步较早，早在1973年已有市川常雄在24卷141号日本机械学会论文集撰文，提出内啮合齿轮泵结构概要，81—87年以后虽有竹下常四等为代表的论文十多篇，但都是对内啮合齿轮泵的个别研究，而没有进行结构参数的最优化分析与研究。

SPERRY VICKERS 《QUIET INTFRNAL GEAR PUMPS 》（1981）及HULLENDER DA ·ISECM'85，TOKYO （1985）也是仅对单机提出了内啮合齿轮泵的传动特性及噪声等，没有触及困油容积及高压气穴现象。

国内的论文水平目前还处在测绘与探索阶段，如内啮合多齿差圆弧摆线齿轮的测绘——李荣堂《机械设计与制造》02年10月，内啮合摆线齿轮齿廓特征参数优化设计的探讨——孟继安等《化工机械》20卷（2001），多齿差内啮合圆弧摆线齿轮泵的开发——李荣堂、史发科《石油化工设备技术》15卷第4期（2002），多齿差圆弧摆线式内啮合齿轮泵的设计——徐秀生《水泵技术》（2003），以及圆弧摆线啮合及其应用——程新《机械设计与制造》
（2004）等，所有这些论文都处于一种纯理论的推导过程，没有广义的系统推论，也没有提出一整套实验方法以取得一组组相互关联的特征参数，比如泵理论流量、实际流量、泵功率与摆线曲线及圆弧半径的关系等，因而不能根据设计目的提出相应规格的对应齿廓参数，也没有通过实验分析来系统解决优化设计问题，更没有提出如何加工不同规格，不同线形的内啮合齿轮泵以满足市场要求。

随着我国工业的迅猛发展，各行各业对泵输送介质的要求更加广泛，特别需要那些可以输送高粘度、低润滑性、具有腐蚀性介质、以及能满足高精度计量要求的内啮合齿轮泵，该类进口泵的使用以证实其性能良好，完全能满足上述各种要求。

而该类泵的理论分析，制造技术属保密资料，我国还无此类定形产品。

国内各行各业所需此类泵也完全靠进口，这种泵价格昂贵，这不仅耗费大量外汇，而且因定货周期长，售后服务不及时，常常给生产带来困难。

从社会需求看，中石化总公司属下的上海、安庆、大庆镇海四个企业年需备品备件400多台，按中间平均价每台12万元计算，就需4800万元，如果把腈纶、涤纶及维纶都计入内，则中石化总公司内可达一亿元以上，税后利润达4000万元以上，所以研究开发内啮合齿轮泵具有广阔的市场前景，经济效益非常可观。

新型内啮合齿轮油泵的研究11
参考文献
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