齿轮润滑油泵的润滑状态分析

齿轮润滑油泵的润滑状态分析

解生泽

沈阳职业技术学院汽车分院 ,辽宁 沈阳 110015

摘要：由斯特莱贝克曲线可知，在油润滑下，两个相对运动物体表面分为三种润滑状态。通

过计算，齿轮润滑油泵工作时齿面处于混合润滑状态，齿面有磨损产生。而实际观察可知，

齿轮润滑油泵齿面没有磨损，齿面可能处于流体润滑状态。

关键词：摩擦 磨损 润滑 油膜

两个物体表面相互接触并相对运动就会产生摩擦，有摩擦就会产生磨损。磨损会破坏表

面质量，降低机械的运动精度，消耗能源，缩短零件的使用寿命。而润滑则是减少摩擦和磨

损最有效的手段。于是，人们对摩擦现象进行了深入的研究和分析，并取得了丰硕的成果。

1 润滑状态分析

在本世纪初，德国科学家斯特莱贝克（Stribeck ）根据对滚动轴承和滑动轴承的试验结

果，提出了著名的斯特莱贝克曲线[]1，后经人们的补充和完善，如图1所示。

N

v 载荷速度粘度η　承载特性数 ⨯= 图1 斯特莱贝克（Stribeck ）曲线

图中纵坐标是摩擦系数μ,横坐标是反映承载特性的参量N V

η;η是润滑油的动力粘度,V 是

两个摩擦表面对润滑油的综合速度,N 是载荷。可以看出，根据R h min =

λ，可将润滑类型分为流体

润滑、混合润滑和边界润滑。 其中(=R R 21222

1)R +,1R 和2R 是两摩擦表面的相应的粗糙度值。

（1）流体润滑区：R h 3.>，两摩擦表面完全为连续的油膜分开，不直接接触，载荷由

油膜承担。 （2）混合润滑区：R h 3≤,摩擦表面的一部分被油膜分开,另有部分微凸体接

触，其余被边界膜分开。载荷由油膜、微凸体和边界膜共同承担。 （3）边界润滑区：

0→h ，摩擦表面微凸体接触较多，油膜的润滑作用减少，甚至完全不起作用，载荷几乎完全由微凸

体和边界膜共同承担。 （4）干摩擦区：属于边界润滑区左边一小部分，摩擦表面无油膜存

在，载荷完全由金属基体或氧化膜承担。

图2 齿轮润滑油泵的工作原理图

2 齿轮润滑油泵齿面的润滑状态分析

齿轮润滑油泵用于泵送润滑油。它的公称压力低（一般小于MPa 1）,流量大。为提高

齿面的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，往往对齿面进行淬火等热处理和磨齿等精加工，最终

导致成本增加。齿面磨损程度取决于其齿面的润滑状态。如果处于混合或边界润滑区域，两

个齿面直接接触，磨损量大，齿面必须热处理以提高硬度和耐磨性；如果处于流体润滑区域，

两个齿面被油膜分隔开，不会产生磨损，齿面不必热处理。其主要工作件由两个互相啮合的

齿轮组成，一个主动，一个被动。当齿轮按图2所示方向旋转时，右侧油腔两轮齿逐渐分离，

左侧的轮齿逐渐啮合;油在大气作用下进入右腔，随齿轮旋转带到左腔，经左腔压出。齿轮

属于线接触的高副接触，其力学模型是两个圆柱体的线接触，按弹性流体动压润滑的基本方

程计算最小油膜厚度min h 。下面，以国产RCB —315型润滑油泵（由日本润滑油泵转化）为

例进行齿面润滑状态计算，其参数如下：齿数：1221==Z Z , 法面模数：n m =6mm ，螺

旋角：β=35°，o b 6.32=β，法面压力角：n α=20°，中心距；a =87.896×10－

3m ，齿宽：B =120mm ，精度：8FJ ，齿面粗糙度：==21R R 1.6m μ，材料：45钢，公称压力：

p =0.63MPa ，转数：n =970min /r ，油品：N 100工业齿轮油，粘压系数：

N m /102.228-⨯=α，粘度：22/109m S N ∙⨯=-η。 计算如下：

（1） 传动比 11221===Z Z n

n i （2） 综合粗糙度 (=R R

21222

1)R +m μ2624.2=

（3） 当量弹性模量 []1'E =)11(211

222121E E νν-+-=211211/102651.21m N E ⨯=-ν

其中27.021==νν1E =2E =210GPa

[]2 （4） 齿轮泵的排量 []3 V =2πZ m B m Z B n t 22)cos (2βπ=r m /108517.434-⨯=

（5） 转矩 M =m N pV ∙=67.482π

（6） 圆周力 F t =N Z m M Z m M d M n t 48.1107cos 222===β

（7） 节点处当量曲率半径[]4 R =m i ia n 32210174.9cos )1(sin -⨯=+β

α （8） 对润滑油的卷吸速度[]4 U =s m i na n /1087.1862cos )1(sin 303-⨯=+∙

βαπ （9） 单位齿宽上的载荷

[]5 βαβcos cos cos n b t B F L W ==10.1m N 310⨯ （10） 无量纲参量[]1 *U =R E U 'η=11100682.8-⨯= ,6'*1086.4/-⨯==R

E L W W

3*10983.4'⨯==E G α

（11） 粘性参量[]1 919.521*23**==-U

W G g v （12） 弹性参量[]1 e g =541.021**=-U

W （13） （),e v g g []1点落在-R Ⅰ区域内，用Martin 方程计算。油膜厚度参数 9.4=f h

（14） 最小油膜厚m L W UR

h h f μη7462.0/ min ===

（15） 膜厚比 R

h min =λ33298.0<= 由以上结果可以看出，齿面出于混合润滑状态。一般齿轮传动齿面也都是处于混合润滑

状态，这与计算结果是相符合的。所以，为防止磨损，点蚀，胶合等破坏形式，齿面要热处

理以提高硬度和耐磨性。但实际观察润滑油泵齿面情况并非如此。92年鞍钢厚板厂引进日

本二手轧机，对其润滑油泵进行解剖可知，齿面上刀痕依稀可见，并无磨损痕迹，且齿面为

软齿面，硬度为HB200，该泵已运行十年之久。观察国内生产的润滑油泵齿面情况也是如此。

可见，润滑油泵工作时齿面为连续油膜分开，应为流体润滑，这与计算结果不相符合。

3 对润滑油泵齿面润滑状态探讨

出现以上情况是因为工作条件不同。一般齿轮工作时，润滑油没有压力，只是被齿面间

的相对滑动速度产生的卷吸作用带入摩擦表面间。滑动速度很小，加上齿面载荷作用的阻碍，

以及油的粘度等因素，齿面间难以形成连续的油膜，有齿面的直接接触，属于混合润滑状态。

而润滑油泵工作时是浸入油中，润滑条件好。当油泵工作时，吸油腔的齿轮逐渐退出啮合，

使吸油腔的空间加大，压力降低，形成负压，油随齿轮转动进入压油腔。压油腔的齿轮逐渐

进入啮合，空间变小，油的压力升高。压油腔和吸油腔存在压力差，其值略大于泵的工作压

力。齿轮是高副的线接触，接触区实际是一个狭长的面接触。在压力差的作用下，少量的压

力油经接触区泄回吸油腔，在接触区形成连续的油膜，成为流体润滑状态。正如静压轴承，

在轴转动之前，压力油经轴下面的油孔流出，将轴浮起，使轴与滑动轴承之间形成一个连续

的油膜。轴与轴承之间没有直接接触，不会产生磨损。

4 结论

由于工作条件不同，用计算普通齿轮齿面油膜厚度的方法已不能满足计算齿轮润滑油泵

齿面的油膜厚度，需要对原有的计算方法加以改进和修订。

参考文献：

[1] 汪德涛 。《润滑技术手册》 机械工业出版社。1999

[2] 张秉荣 章剑青。《工程力学》 机械工业出版社。2000

[3] 左健民。《液压与气动传动》 机械工业出版社。2001