大流量内啮合齿轮泵的设计之开题报告

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1.76~63mL/r,额定压力l0MPa，转速范围500~3000r/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10~250mL/r,额定压力低压6.3MPa，中压12.5MPa，双级泵可达25MPa,额定转速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3.5~250mL/r,转速范围400~3600r/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3.5~250mL/r，转速范围600~3200r/min。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：

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，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；

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t q ：

q t V ω= （1）

式中，ω为泵的角速度，V 为泵的排量[8]。从式（1）知，要从根本上增大泵的流量，需要增加泵的排量。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：

2'212[()]a a V B R R a π=-- （2）

式中，B 为齿轮宽度，'a 变位后中心距，12a a R R 、分别为小齿轮和齿圈的齿

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；随着压力角的增大而减小，压力角从o 20增大到o 30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。