CN103527470B - 一种具有耳形卸荷槽的外啮合齿轮泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有耳形卸荷槽的外啮合齿轮泵，所述耳形卸荷槽为圆弧形沟槽，形似兔耳，包括内侧圆弧面、外侧圆弧面和两端加工形成的小圆弧面，内侧圆弧面和外侧圆弧面的圆弧均以所靠近的齿轮的中心为圆心，其中内侧圆弧的半径略小于该齿轮的根园半径，外侧圆弧的半径略大于该齿轮的根园半径与主、从动齿轮的齿顶间隙之和，靠近主动齿轮一侧的右卸荷槽的左端小圆弧与齿轮泵处于最小困油容积时主动齿轮的啮合齿廓相外切，右端小圆弧与左端小圆弧相对于齿轮泵处于最大困油容积时主动齿轮上后一啮合轮齿的中心线对称，卸荷槽的深度根据槽内流速为3～5m/s确定。该齿轮泵不仅卸荷面积大，而且因耳形卸荷槽形状简单，因此加工量少、加工工艺简单。

Description

一种具有耳形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耳形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液压元件，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，随转速提高而愈发严重，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，侧隙值的选择上是有一定限制的，目前设置卸荷槽是缓解困油现象的常规作法，要求在保证泵进、出油腔互不连通的前提下，尽可能地实现困油卸荷功效的最大化。截至目前为止，卸荷槽在型式上仍以矩形、圆弧形和锥形为主，虽然在同等条件下，矩形卸荷槽比圆形卸荷槽能提供更大的卸荷面积，但矩形卸荷槽存在着加工时无法确保双槽之间的间距精度，以及维修时因卸荷间距变大而影响卸荷效果的问题。圆形卸荷槽虽然加工方便(小型钻床即可)，制造成本低，但随着转速进一步提高，圆形卸荷槽根本无法满足困油缓解所需的卸荷面积。因此有必要提供一种新的卸荷槽型式，以克服现有卸荷槽存在的问题，本发明提出一种比矩形、圆弧形卸荷槽具有更大卸荷面积、更佳卸荷效果、以及加工量最少、工艺最简单的耳形卸荷槽。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有耳形卸荷槽的外啮合齿轮泵，该齿轮泵不仅卸荷面积大，而且因卸荷槽形状简单，所以加工量少、加工工艺简单。

本发明提供的具有耳形卸荷槽的低压外啮合齿轮泵，包括主动齿轮、从动齿轮、轴、轴承、定位销钉、联接螺栓、泵体、密封圈、前端盖和后端盖，在前、后端盖上分别加工有四个卸荷槽，其中两个左右对称分布在靠近主动齿轮一侧，另两个左右对称分布在靠近从动齿轮一侧，两对卸荷槽上下对称；所述卸荷槽为圆弧形沟槽，形似兔耳，包括内侧圆弧面、外侧圆弧面和两端加工形成的小圆弧面，内侧圆弧面和外侧圆弧面的圆弧均以所靠近的齿轮的中心为圆心，其中内侧圆弧的半径略小于该齿轮的根圆半径，外侧圆弧的半径略大于该齿轮的根圆半径与主、从动齿轮的齿顶间隙之和，靠近主动齿轮一侧的右卸荷槽的左端小圆弧与齿轮泵处于最小困油容积时主动齿轮的啮合齿廓相外切（从轴向看），右端小圆弧与左端小圆弧相对于齿轮泵处于最大困油容积时主动齿轮上后一啮合轮齿的中心线对称，卸荷槽的深度根据槽内流速为3～5m/s确定。

本发明提供的具有耳形卸荷槽的中高压外啮合齿轮泵，包括主动齿轮、从动齿轮、轴、轴承、定位销钉、联接螺栓、泵体、密封圈、前端盖、后端盖和浮动侧板，在浮动侧板上加工有四个卸荷槽，其中两个左右对称分布在靠近主动齿轮一侧，另两个左右对称分布在靠近从动齿轮一侧，两对卸荷槽上下对称；所述卸荷槽为圆弧形沟槽，形似兔耳，包括内侧圆弧面、外侧圆弧面和两端加工形成的小圆弧面，内侧圆弧面和外侧圆弧面的圆弧均以所靠近的齿轮的中心为圆心，其中内侧圆弧的半径略小于该齿轮的根圆半径，外侧圆弧的半径略大于该齿轮的根圆半径与主、从动齿轮的齿顶间隙之和，靠近主动齿轮一侧的右卸荷槽的左端小圆弧与齿轮泵处于最小困油容积时主动齿轮的啮合齿廓相外切（从轴向看），右端小圆弧与左端小圆弧相对于齿轮泵处于最大困油容积时主动齿轮上后一啮合轮齿的中心线对称，卸荷槽的深度根据槽内流速为3～5m/s确定。

本发明齿轮泵由于采用耳形卸荷槽，因此其卸荷面积要比目前常见的矩形、圆弧形卸荷槽的卸荷面积大，可有效缓解外啮合齿轮泵的困油现象；另外，由于耳形卸荷槽的形状非常简单，所以加工量少、加工工艺简单。

附图说明

图1为本发明小侧隙齿轮泵困油的压缩过程及耳形卸荷槽的布局示意图。

图2为图1所示齿轮泵当耳形卸荷槽远离齿根圆弧时卸荷面积的变化示意图。

图3为矩形、圆形、耳形三种卸荷槽型式下的卸荷面积的对比示意图。

图4为某组参数下采用矩形卸荷槽的仿真结果与试验结果的验证图。

图5为图3所示三种卸荷槽型式下的困油压力仿真结果的对比示意图。

图6为本发明大侧隙齿轮泵处于最大和最小困油容积时的位置及耳形卸荷槽的分布示意图。

具体实施方式

实施例小侧隙外啮合齿轮泵

图1描述了小侧隙齿轮泵困油区1(偏向轴心o₁侧，o₁代表主动齿轮轴心)和困油区2(偏向轴心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表示具有最大困油容积的位置，简称为最大位置；图1c表示具有最小困油容积的位置，简称为最小位置；图1b表示最小困油容积与最大困油容积之间的某一位置，简称为某一位置。

从图1中可看出，耳形卸荷槽为圆弧形沟槽，其平面形状似兔耳，共有四个，呈对称分布，其中两个偏向主动轮一侧，另两个偏向从动轮一侧。耳形卸荷槽的具体结构以图1中偏向主动轮一侧的右卸荷槽（即位于进油腔的偏向主动轮一侧的耳形卸荷槽）为例进行说明，从图1可看出，该耳形卸荷槽的内侧圆弧和外侧圆弧均以主动齿轮的中心o₁为圆心，其结构尺寸包括耳槽内径（内侧圆弧半径）r_v1，耳槽外径（外侧圆弧半径）r_v2，耳槽左右两端小圆弧的中心与o₁的连线与中心线o₁o₂的夹角θ₁和θ₂，以及耳槽的开槽深度t_v。其中，θ₁由左端圆弧与图1c中的齿廓e相外切得出；θ₂由右端小圆弧与左端小圆弧相对于图1a所示的主动齿轮上后一啮合轮齿的中心线o₁y_a对称而得出，这样能够确保通过卸荷槽的出流面积始终大于卸荷面积，保证槽内流体的通畅出流。

图2中，当耳槽内径r_v1＜根圆半径r_f时，由耳槽提供的部分截面由于被根圆内侧的齿轮体覆盖，如图2中的被覆盖面积1所示，将无法提供更大的卸荷面积；而当r_v1≥r_f时，将会浪费掉由困油面积提供的部分可用于卸荷的面积，因此，最佳的耳槽内径应为r_v1=r_f。

同样，当耳槽外径r_v2≥r_f＋h_c(齿顶间隙)时，由耳槽实现的卸荷面积将会有部分被从动轮轮体覆盖，如图2中的被覆盖面积2所示，从而丧失部分卸荷功能；而当r_v2＜r_f＋h_c时，则会浪费掉由困油面积提供的部分可用于卸荷的面积，因此，最佳的耳槽外径值应为r_v2=r_f＋h_c。

但这样得到的耳槽宽度b_v=r_v2－r_v1=h_c，由于h_c过小不便于加工，故允许耳槽内径r_v1略小于根径一个微小值⊿r_f；也允许其外径r_v2略大于r_f＋h_c一个微小值⊿h_c。则b_v=h_c＋⊿r_f＋⊿h_c，其中，⊿r_f＋⊿h_c的值由所选择的圆形铣刀的规格决定。当r_v1保持不变且b_v取值越来越大时，外切点e将越来越接近啮合点n，其卸荷面积也越来越小，这跟常规的圆形卸荷槽没有差别。因此，在设计耳形卸荷槽时，希望外切点相切点e在齿廓e上离齿根圆越近越好，由于此时的外切点e离中心线o₁o₂变得越来越近，卸荷面积会越来越大；卸荷效果会越来越好。

开槽深度t_v的大小，影响着困油容积的排油速度，因此，可依据卸荷槽内流速控制在3～5m/s，由已知的困油容积最大值来确定开槽深度t_v。

考虑到困油压缩过程和膨胀过程，以及偏向齿轮o₁困油区1的困油卸荷与偏向齿轮o₂困油区2的困油卸荷之需要，故一共需要两对耳形卸荷槽。本发明卸荷槽的槽线轮廓形状非常简单，可依据所设计的耳槽宽度选择合适的圆形铣刀规格经粗、精加工即可，工艺简单。

具体计算举例如下：采用模数为3mm，齿数为12，分度圆压力角为27°，节圆啮合角为30°，齿宽为20mm，齿侧间隙为0.05mm，转速为3000rpm，泵进、出口压力为0.1MPa、4MPa，纯净油标准的体积弹性模量为1.7×10⁹Pa，工作油液的密度为870Kg/m³等实例参数，且以啮合点n处主动轮齿廓上的曲率半径s(即图1b中点n到点o的长度)作为齿轮传动的位置变量。经计算，最小困油容积为5.4584×10^-8m³，θ₁=8.0894°，θ₂=33.1556°，根径r_f为14.78mm，顶隙h_c为0.75mm，卸荷槽深度r_t选8mm；槽内、外径r_v1、r_v2值选用14.53mm、16.53mm，则⊿r_f=0.25mm；⊿h_c=1mm。

依据齿轮副的三维精确装配模型，通过其工程图转换成AutoCAD能够识别的*.dwg文件，然后，在AutoCAD中，通过旋转分别测量出困油最小和最大之间多等分位置下的卸荷面积，得耳形、矩形和圆形下的卸荷面积分别如图3所示。总体上，耳形槽具有更大的卸荷面积；矩形槽次之；圆形槽最差。另外，在图3中，圆圈1中卸荷面积曲线为高次曲线，它是由图1中槽左端圆弧开始进入困油区域的左侧齿廓但尚未完全进入形成的。同样，圆圈2中卸荷面积曲线也为高次曲线，它是由图1中槽左端圆弧开始退出困油区域的右侧齿廓直至完全退出形成的。除此两区域外，卸荷面积曲线为直线，与其它型式的槽相比，能提供最大的卸荷面积。

依据困油体积的弹性模量定义所推导的困油压力模型，目前已被试验结果验证是可靠的，某组参数下的采用矩形卸荷槽的验证结果如图4所示，可以看出，除在卸荷槽关闭瞬间造成仿真结果上的波动外，困油压力的峰值和走势均吻合，说明困油模型和相关泄漏量计算的可靠性。耳形、矩形和圆形三种卸荷槽下的困油压力仿真结果如图5所示。可以看出，虽然在最大位置附近，矩形槽比耳形槽具有更大的卸荷面积，但耳形槽却具有更为强大的困油卸荷能力，最大困油压力的增值仅为出口压力的(4.243－4.0)/4.0≈6.35%；矩形槽次之，为13.48%；圆形槽最差，为131.28%。

从加工的角度来看，耳槽宽度可结合设计值和现有加工刀具的直径规格来选择，在不更换刀具的情况下，即可加工完成，加工量和工艺显然比矩形槽或者圆形槽简单，加工量最少，工艺最简单，性价比最高。

从容积效率的角度来看，一是由于耳槽的开槽面积最小，由此引起的从出油腔到吸油腔的轴向泄漏也最小，二是由于耳槽提供了更为充分的卸荷面积，使得困油流向出油口的有效容积更多，从而提高了泵的容积效率。

大侧隙外啮合齿轮泵的耳形卸荷槽的设计，除如图6所示的最小困油位置和最大困油位置与小侧隙外啮合齿轮泵有所不同外，设计过程与小侧隙外啮合齿轮泵完全一致。

Claims (2)

1.一种具有耳形卸荷槽的低压外啮合齿轮泵，包括主动齿轮、从动齿轮、轴、轴承、定位销钉、联接螺栓、泵体、密封圈、前端盖和后端盖，在前、后端盖上分别加工有形状相同的卸荷槽，其特征在于：

（1）前、后端盖上加工的卸荷槽分别为四个，其中两个左右对称分布在靠近主动齿轮一侧，另两个左右对称分布在靠近从动齿轮一侧，两对卸荷槽上下对称；

（2）所述卸荷槽为圆弧形沟槽，形似兔耳，包括内侧圆弧面、外侧圆弧面和两端加工形成的小圆弧面，内侧圆弧面和外侧圆弧面的圆弧均以所靠近的齿轮的中心为圆心，其中内侧圆弧的半径略小于该齿轮的根圆半径，外侧圆弧的半径略大于该齿轮的根圆半径与主、从动齿轮的齿顶间隙之和，靠近主动齿轮一侧的右卸荷槽的左端小圆弧与齿轮泵处于最小困油容积时主动齿轮的啮合齿廓相外切，右端小圆弧与左端小圆弧相对于齿轮泵处于最大困油容积时主动齿轮上后一啮合轮齿的中心线对称，卸荷槽的深度根据槽内流速为3～5m/s确定。

2.一种具有耳形卸荷槽的中高压外啮合齿轮泵，包括主动齿轮、从动齿轮、轴、轴承、定位销钉、联接螺栓、泵体、密封圈、前端盖、后端盖和浮动侧板，在浮动侧板上加工有卸荷槽，其特征在于：

（1）浮动侧板上加工的卸荷槽为四个，其中两个左右对称分布在靠近主动齿轮一侧，另两个左右对称分布在靠近从动齿轮一侧，两对卸荷槽上下对称；

（2）所述卸荷槽为圆弧形沟槽，形似兔耳，包括内侧圆弧面、外侧圆弧面和两端加工形成的小圆弧面，内侧圆弧面和外侧圆弧面的圆弧均以所靠近的齿轮的中心为圆心，其中内侧圆弧的半径略小于该齿轮的根圆半径，外侧圆弧的半径略大于该齿轮的根圆半径与主、从动齿轮的齿顶间隙之和，靠近主动齿轮一侧的右卸荷槽的左端小圆弧与齿轮泵处于最小困油容积时主动齿轮的啮合齿廓相外切，右端小圆弧与左端小圆弧相对于齿轮泵处于最大困油容积时主动齿轮上后一啮合轮齿的中心线对称，卸荷槽的深度根据槽内流速为3～5m/s确定。