齿轮泵

3.2 齿轮泵
齿轮泵是一种常用的液压泵，其主要特点是：
1. 抗油液污染能力强，体积小，价格低廉；
2. 内部泄漏比较大，噪声大，流量脉动大，排量不能调节。

齿轮泵通常用于工作环境比较恶劣的各种中、低压系统中。

尤其是低压系统。

齿轮泵中齿轮的齿形以渐开线为多。

在结构上可分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵。

外啮合齿轮泵应用广泛，下面做重点介绍。

图3.3是外啮合齿轮泵的工作原理图。

由图可见，这种泵的壳体内装有一对外啮合齿轮。

由于齿轮端面与壳体端盖之间的缝隙很小，齿轮齿顶与壳体内表面的间隙也很小，因此可以看成将齿轮泵壳体内分隔成左、右两个密封容腔。

当齿轮按图示方向旋转时，右侧的齿轮逐渐脱离啮合，露出齿间。

因此这一侧的密封容腔的体积逐渐增大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压力的作用下经泵的吸油口进入这个腔体，因此这个容腔称为吸油腔。

随着齿轮的转动，每个齿间中的油液从右侧被带到了左侧。

在左侧的密封容腔中，轮齿逐渐进入啮合,使左侧密封容腔的体积逐渐减小，把齿间的油液从压油口挤压输出的容腔称为压油腔。

当齿轮泵不断地旋转时，齿轮泵的吸、压油口不断地吸油和压油，实现了向液压系统输送油液的过程。

在齿轮泵中，吸油区和压油区由相互啮合的轮齿和泵体分隔开来，因此没有单独的配油机构。

齿轮泵排量和流量
1. 排量V
排量是液压泵每转一周所排出的液体体积。

这里近似等于两个齿轮的齿间容积之和。

设齿间容积等于齿轮体积，则有
式中，D—齿轮节圆直径；h—齿轮齿高；B—齿轮齿宽；Z—齿轮齿数；m—齿轮模数。

由于齿间容积比轮齿的体积稍大，所以通常修正为
2. 流量q
齿轮泵的实际流量为 pv pv v Bn Zm Vn q ηη266.6==
式中，n —齿轮泵的转速；ηpv —齿轮泵的容积效率。

式(3.11)中的v q 是齿轮泵的平均流量，实际上，在齿轮啮合过程中压油腔的容积变化率是不均匀的，因此齿轮泵的瞬时流量是脉动的。

设q max 和q min 分别表示齿轮泵的最大、最小瞬时流量，则流量脉动率δq 为
表3.2给出了不同齿轮齿数时外啮合齿轮泵的流量脉动率。

在相同情况下，内啮合齿轮泵的流量脉动率要小得多。

表3.2 不同齿数齿轮泵流量脉动率
齿轮泵存在的一些问题
1．泄漏
这里所说的泄漏是指液压泵的内部泄漏，即一部分液压油从压油腔流回吸油腔， 没有输送到系统中去。

泄漏降低了液压泵的容积效率。

外啮合齿轮泵的泄漏的途径为：通过齿轮端面与泵盖间轴向间隙的泄漏；通过齿轮齿顶与泵体内孔间径向间隙的泄漏；通过两齿轮啮合处的泄漏。

其中泄漏量最大是通过齿轮端面泄漏， 这部分泄漏量约占总泄漏量的70%-75%。

减小端面泄漏是提高齿轮泵容积效率的主要途径。

2．液压径向不平衡力
在齿轮泵中，由于在压油腔和吸油腔之间存在着压差，液体压力的合力作用在齿轮和轴上，是一种径向不平衡力，如图3.4所示。

径向不平衡力的大小为
式中，K—系数；对于主动轮，K＝0.75。

对从动轮，K = 0.85；Δp—泵进、出口压力差；De—齿顶圆直径。

由此可见，当泵的尺寸确定以后，油液压力越高径向不平衡力就越大。

其结果是加速轴承的磨损，增大内部泄漏，甚至造成齿顶与壳体内表面的摩擦。

减小径向不平衡力的方法有：
（1）缩小压油腔通过减小高压油在齿轮上的作用面来减小径向不平衡力；
（2）开压力平衡槽如图3.5所示。

压力平衡槽 1和 2分别接近低、高压油腔，通过力的平衡作用来减小纯粹的径向不平衡力。

但这种方法会增加内泄漏，一般很少使用。

3．困油现象
为了使齿轮平稳地啮合运转，根据齿轮啮合原理，齿轮的重叠系数应该大于1,即存在两对轮齿同时进入啮合的时候。

因此，就有一部分油液困在两对轮齿所形成的封闭容腔之内，如图3.6所示。

这个封闭容腔先随齿轮转动逐渐减小以后又逐渐增大。

减小时会使被困油液受挤压而产生高压（用液体颜色变深表示高压特点），并从缝隙中流出，导致油液发热，同时也使轴承受到不平衡负载的作
用；封闭容腔的增大会造成局部真空（用液体颜色变浅表示低压特点），使溶于油液中的气体分离出来，产生气穴，这就是齿轮泵的困油现象。

其封闭容积的变化如图3-7所示。

困油现象使齿轮泵产生强烈的噪声和气蚀，影响、缩短其工作的平稳性和寿命。

图3.7封闭容积的变化
消除困油的方法
消除困油的方法，通常是在两端盖板上开一对矩形卸荷槽（见图3.7中的虚线所示）。

开卸荷槽的原则是：当封闭容腔减小时，让卸荷槽与泵的压油腔相通，这样可使封闭容腔中的高压油排到压油腔中去；当封闭容腔增大时，使卸荷槽与泵的吸油腔相通，使吸油腔的油及时补入到封闭容腔中，从而避免产生真空，这样使困油现象得以消除。

在开卸荷槽时，必须保证齿轮泵吸、压油腔任何时候不能通过卸荷槽直接相通，否则将使泵的容积效率降低很多。

若卸荷槽间距过大则困油现象不能彻底消除，所以两卸荷槽之间距离为
式中a一齿轮压力角；t o一标准齿轮的基节。

内啮合齿轮泵
1.内啮合渐开线齿轮
图3.10是内啮合渐开线齿轮泵的工作原理图。

小齿轮1和内齿轮2相互啮合，它们的啮合线和月牙板3将泵体内的容腔分成吸油腔和压油腔。

当小齿轮按图示方向转动时，内齿轮同向转动。

容易看出，图中上面的腔体是吸油腔，下面的腔体是压油腔（仍将高、低压油设计成深、浅颜色）。

内啮合齿轮泵的流量脉动率仅是外啮合齿轮泵流量脉动率的5%～10%。

还
具有结构紧凑、噪声小和效率高等一系列优点。

它的不足之处是齿形复杂，需要专门的高精度加工设备，因此多被用在一些要求较高的系统中。

2.内啮合摆线齿轮
图3.11是的工作原理图。

在内啮合摆线齿轮泵中，外转子1和内转子2只差一个齿，没有月牙板，并且在内、外转子的轴心线上有一偏心e，内转子2为主动轮，内、外转子的啮合点将吸、压油腔分开。

在啮合过程中，左侧密封容腔逐渐变大是吸油腔，右侧密封容腔逐渐变小是压油腔。

内啮合摆线齿轮泵结构紧凑，运动平稳，噪声低。

但流量脉动比较大，啮合处间隙泄漏大。

所以通常在工作压力为2.5～7MPa的液压系统中作为润滑、补油等辅助泵使用。