CN103437996B - 一种具有渐开线卸荷槽的外啮合齿轮泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具渐开线卸荷槽的外啮合齿轮泵，该齿轮泵的卸荷槽的内侧槽线为复合渐开线，由上、中、下三段构成，上段和下段为渐开线，中段为直线，上段的渐开线和下段的渐开线上下对称，上段的渐开线形状与齿轮泵处于最小困油容积时主动齿轮的部分齿槽的轮廓形状一致，位置相对于上述最小困油容积时主动齿轮的部分齿槽的轮廓位置向主动齿轮和从动齿轮的中心连线的外侧偏移0.2mm～0.5mm，中段的直线与采用矩形卸荷槽时内侧槽线的中间一段一致。本发明齿轮泵的卸荷槽具有卸荷面积理论上的极限值，可以极大地降低困油压力峰值，缓解困油现象。

Description

一种具有渐开线卸荷槽的外啮合齿轮泵
技术领域
本发明涉及一种外啮合齿轮泵，特别是涉及一种具有渐开线卸荷槽的外啮合齿轮泵。
背景技术：
外啮合齿轮泵是一种泵送工作油液的动力工具，因具有价格、可靠性、寿命和自吸能力等方面优势，应用相当广泛。但由其结构引起的困油现象对泵造成的危害，随转速提高愈发严重，阻碍了泵高速化的进一步发展。卸荷槽和齿侧间隙(侧隙)的组合卸荷是缓解困油现象的常规作法，但较大侧隙会加剧振动，带来二次噪音问题，而且也会引起容积效率的下降，对粘度较低的流体更为严重。因此，侧隙选择上有一定限制，目前困油现象的缓解途径仍以卸荷槽为主、侧隙为辅。近几十年，国、内外对卸荷槽卸荷的研究较多，主要集中于型式选择和卸荷面积计算两个方面，型式上有矩形、圆弧形和锥形等，但不论何种型式，追求卸荷面积最大化的目标一致。目前，国外在某些航天用泵上的最高转速已达到13000rpm，缓解如此高转速下的困油现象，有必要结合卸荷槽型式的进一步改进来实现。因此，本发明提出一种具有极限卸荷面积的渐开线形卸荷槽型式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有渐开线卸荷槽的外啮合齿轮泵，该齿轮泵的卸荷面积达到了理论上的极限值，可有效缓解高转速下的外啮合齿轮泵的困油现象。
本发明提供的具有渐开线卸荷槽的低压外啮合齿轮泵，包括主动齿轮、从动齿轮、轴、DU轴承、泵体、密封圈、前端盖和后端盖，在前、后端盖上分别加工有两个对称布置的卸荷槽，所述卸荷槽的内侧槽线为复合渐开线，由上、中、下三段构成，上段和下段为渐开线，中段为直线，上段的渐开线和下段的渐开线上下对称，上段的渐开线形状与齿轮泵处于最小困油容积时主动齿轮的部分齿槽的轮廓形状一致，上段的渐开线位置相对于上述最小困油容积时主动齿轮的部分齿槽的轮廓位置向外偏移0.2mm～0.5mm，用于弥补制造、装配等方面的误差，以及减少从排油腔到吸油腔的轴向泄漏量，所述向外偏移是指向远离主、从动齿轮中心连线的方向偏移，中段的直线与采用矩形卸荷槽时内侧槽线的中间一段一致。
本发明提供的具有渐开线卸荷槽的中、高压外啮合齿轮泵，包括主动齿轮、从动齿轮、轴、DU轴承、泵体、密封圈、前端盖、后端盖和浮动侧板，在浮动侧板上分别加工有两个对称布置的卸荷槽，所述卸荷槽的内侧槽线为复合渐开线，由上、中、下三段构成，上段和下段为渐开线，中段为直线，上段的渐开线和下段的渐开线上下对称，上段的渐开线形状与齿轮泵处于最小困油容积时主动齿轮的部分齿槽的轮廓形状一致，上段的渐开线位置相对于上述最小困油容积时主动齿轮的部分齿槽的轮廓位置向外偏移0.2mm～0.5mm，用于弥补制造、装配等方面的误差，以及减少从排油腔到吸油腔的轴向泄漏量，所述向外偏移是指向远离主、从动齿轮中心连线的方向偏移，中段的直线与采用矩形卸荷槽时内侧槽线的中间一段一致。
需要说明的是，本发明所述卸荷槽的内侧槽线在图中为一条线，但纵向上还有开槽深度，故实际代表一个面。
本发明齿轮泵的卸荷槽的渐开线轮廓与齿轮的啮合轮廓一致，具有卸荷面积理论上的极限值，可以极大地降低困油压力峰值，缓解困油现象。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为小侧隙齿轮泵困油过程的示意图。
图2为小侧隙齿轮泵实际卸荷槽轮廓的示意图
图3为小侧隙齿轮泵轴向泄漏路径的简化示意图。
图4为小侧隙齿轮泵采用矩形卸荷槽和渐开线卸荷槽的卸荷面积图。
图5为图4中两种卸荷面积的比值。
图6为小侧隙齿轮泵三种转速下的有效容积比。
图7为大侧隙齿轮泵困油过程的示意图。
图8大侧隙齿轮泵实际卸荷槽轮廓的示意图
图9为大侧隙齿轮泵轴向泄漏路径的简化示意图。
图10为大侧隙齿轮泵采用矩形卸荷槽和渐开线卸荷槽的卸荷面积图。
图11为图10中两种卸荷面积的比值。
具体实施方式
实施例1小侧隙齿轮泵
图1描述了小侧隙齿轮泵困油区1(轴心o1侧，o1代表主动齿轮轴心)和困油区2(轴心o2侧，o2代表从动齿轮轴心)从形成到结束的全过程。其中，图1a表示困油区1刚刚形成且开始进入困油压缩阶段，图1c表示困油区1由压缩阶段向膨胀阶段的转折点，图1e表示困油区1即将结束且开始退出困油膨胀阶段，图1b表示图1a和图1c中间位置，图1d表示图1c和图1e中间位置。图1a位置具有压缩阶段的最大困油容积；图1c位置具有最小困油容积，在此位置，困油区1将由压缩阶段转换为膨胀阶段；图1e位置具有膨胀阶段的最大困油容积。
将图1c中o1齿槽的部分轮廓剥离出来形成上段渐开线，并与传统的矩形卸荷槽的部分槽线(如图中标有矩形卸荷槽的线段)连接起来，再根据下段渐开线与上段渐开线上下对称而得到本发明卸荷槽轮廓（如图中标有渐开线卸荷槽的线段）。本发明卸荷槽的槽线轮廓形状可采用电火花加工或者数控加工成型。
图1中吸、排油腔两侧的渐开线型卸荷槽轮廓，理论上能够确保困油区吸、排油腔两侧互不连通的困油卸荷功能，且此渐开线型卸荷槽轮廓具有任何卸荷槽型式下的最大卸荷面积，如图1b、图1d所示，渐开线型的卸荷面积在涂黑的矩形卸荷面积的基础上，又增加了剖面线部分的卸荷面积。图中，以图1中啮合点处主动轮上的曲率半径s作为困油区1困油过程的位置变量。
考虑到泵制造、装配等方面的误差以及轴向泄漏的问题，图1中理论上的渐开线卸荷槽在实际加工中需向o1o2中心线外侧平移一段距离，如图2所示，该距离由制造、装配误差及尽量减少从排油腔到吸油腔的轴向泄漏量所决定，一般取0.2mm～0.5mm。
下面以图3说明小侧隙齿轮泵的轴向泄漏。从图3可看出，由困油容积的外围封闭轮廓所引起的轴向泄漏主要由四部分组成，分别是通过轴向间隙流向吸油腔的泄漏①，流向排油腔的泄漏②，流向轴心o1的泄漏③和流向轴心o2的泄漏④。其中，泄漏①、②的路径长度要远小于③、④泄漏长度，故泄漏③、④忽略不计。
图4为某一具体参数下，对称双渐开线卸荷槽和对称双矩形卸荷槽的卸荷面积，图中sr1,new代表对称双渐开线卸荷槽的卸荷面积，sr1,old代表对称矩形卸荷槽的卸荷面积。图5为对称双渐开线卸荷槽的卸荷面积与对称矩形卸荷槽的卸荷面积的比值λ1=sr1,new/sr1,old，从图4、图5可以看出，在一个困油期内渐开线卸荷槽下的卸荷面积要比矩形卸荷槽下的卸荷面积大很多，尤其在卸荷槽关闭附近，λ1达到31.59。
图6为当转速n分别为6000rpm、8000rpm和10000rpm的三种情况下，对称双渐开线卸荷槽和对称双矩形卸荷槽由困油部分引起的有效容积比ηt1,new和ηt1,old，如图6a～6c所示，上述由困油部分引起的有效容积比定义为由困油部分流向排油腔的有效容积占最大困油容积的比值。虽然渐开线卸荷槽较矩形卸荷槽缩短了轴向泄漏①、②的封油长度（图2所示），导致轴向泄漏的可能上升；但同时由于卸荷面积的增大导致困油压力值的减小，从而使泄漏长度两端的压力差降低，并导致轴向泄漏的可能下降。从图6中可看出，随着转速的不断增加，渐开线卸荷槽引起的有效容积比将接近甚至超过矩形卸荷槽下的有效容积比。
实施例2大侧隙齿轮泵
对大侧隙而言，图1中困油区1、2连为一体，如图7所示。其中，图7a位置具有压缩阶段的最大困油容积；图7b位置具有最小困油容积，在此位置，困油区将由压缩阶段转换成膨胀阶段；图7c位置具有膨胀阶段的最大困油容积。
将图7b中o1齿槽的部分轮廓剥离出来形成排油腔卸荷槽的上段渐开线，并与传统的矩形卸荷槽的部分槽线(如图中标有矩形卸荷槽的线段)连接起来，再根据下段渐开线与上段渐开线上下对称、以及吸油腔和排油腔卸荷槽左右对称而得到本发明卸荷槽轮廓（如图中标有渐开线卸荷槽的线段）。本发明卸荷槽的槽线轮廓形状可采用电火花加工或者数控加工成型。
图7中吸、排油两侧的渐开线型卸荷槽轮廓，理论上能够确保困油区吸、排油两侧互不连通的困油卸荷功能，且此渐开线型卸荷槽轮廓具有任何卸荷槽型式下的最大卸荷面积，如图7a、图7c所示，渐开线型的卸荷面积在涂黑的矩形卸荷面积的基础上，又增加了剖面线部分的卸荷面积。图中，以图7中啮合点处主动轮上的曲率半径s作为困油区1困油过程的位置变量。
考虑到泵制造、装配等方面的误差以及轴向泄漏的问题，图7中理论上的渐开线卸荷槽在实际加工中需向o1o2中心线外侧平移一段距离，如图8所示，该距离由制造、装配误差及尽量减少从排油腔到吸油腔的轴向泄漏量所决定，一般取0.2mm～0.5mm。
下面以图9说明大侧隙齿轮泵的轴向泄漏。从图9可看出，由困油容积的外围封闭轮廓所引起的轴向泄漏主要由四部分组成，分别是通过轴向间隙流向吸油腔的泄漏①，流向排油腔的泄漏②，流向轴心o1的泄漏③和流向轴心o2的泄漏④。其中，泄漏①、②的路径长度要远小于③、④泄漏长度，故泄漏③、④忽略不计。
图10为某一具体参数下，对称双渐开线卸荷槽和对称双矩形卸荷槽的卸荷面积，图中sr,new代表对称双渐开线卸荷槽的卸荷面积，sr,old代表对称矩形卸荷槽的卸荷面积。图11为对称双渐开线卸荷槽的卸荷面积与对称矩形卸荷槽的卸荷面积的比值λ=sr,new/sr,old，从图10、图11可以看出，在一个困油期内渐开线卸荷槽下的卸荷面积要比矩形卸荷槽下的卸荷面积大很多，尤其在卸荷槽关闭附近，λ达到6.96。
从上面分析可知，本发明的渐开线形卸荷槽具有卸荷面积理论上的极限值，可以极大地降低困油压力峰值，缓解困油现象，同时随着转速的增加，容积效率也同步增加，总体上，渐开线形卸荷槽取代矩形卸荷槽是可行的。

Claims (2)

1.一种具有渐开线卸荷槽的低压外啮合齿轮泵，包括主动齿轮、从动齿轮、轴、DU轴承、泵体、密封圈、前端盖和后端盖，在前、后端盖上分别加工有两个对称布置的卸荷槽，其特征在于：所述卸荷槽的内侧槽线为复合渐开线，由上、中、下三段构成，上段和下段为渐开线，中段为直线，上段的渐开线和下段的渐开线上下对称，上段的渐开线形状与齿轮泵处于最小困油容积时主动齿轮的部分齿槽的轮廓形状一致，上段的渐开线位置相对于上述最小困油容积时主动齿轮的部分齿槽的轮廓位置向外偏移0.2mm～0.5mm，所述向外偏移是指向远离主、从动齿轮中心连线的方向偏移，中段的直线与采用矩形卸荷槽时内侧槽线的中间一段一致。
2.一种具有渐开线卸荷槽的中、高压外啮合齿轮泵，包括主动齿轮、从动齿轮、轴、DU轴承、泵体、密封圈、前端盖、后端盖和浮动侧板，在浮动侧板上分别加工有两个对称布置的卸荷槽，其特征在于：所述卸荷槽的内侧槽线为复合渐开线，由上、中、下三段构成，上段和下段为渐开线，中段为直线，上段的渐开线和下段的渐开线上下对称，上段的渐开线形状与齿轮泵处于最小困油容积时主动齿轮的部分齿槽的轮廓形状一致，上段的渐开线位置相对于上述最小困油容积时主动齿轮的部分齿槽的轮廓位置向外偏移0.2mm～0.5mm，所述向外偏移是指向远离主、从动齿轮中心连线的方向偏移，中段的直线与采用矩形卸荷槽时内侧槽线的中间一段一致。
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