CN104454511B - 一种适用于高压大流量的内啮合齿轮泵 - Google Patents

一种适用于高压大流量的内啮合齿轮泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于高压大流量的内啮合齿轮泵，由泵壳、第一双齿圈、第二双齿圈、第一齿轮轴、第二齿轮轴、径向补偿装置、滑动轴承和侧板等元件组成。第一双齿圈和第二双齿圈对称布置在泵体内，其外齿啮合形成第一齿轮副，第一齿轮轴和第一双齿圈啮合形成第二齿轮副，第二齿轮轴和第二双齿圈啮合形成第三齿轮副。单输入轴逐级带动多对齿轮副转动，轴所受扭矩分布合理，各级齿轮副所受径向不平衡力小，提高了泵在高压工况下的抗压能力。泵内油液经过多级齿轮副加压，油液的输出压力和流量有效提升，同时在泵出口处两路油液相叠加，显著降低泵的流量和压力脉动，可满足高精度液压系统的需求。

Description

一种适用于高压大流量的内啮合齿轮泵
技术领域
本发明是涉及一种齿轮泵，特别是涉及一种适用于高压大流量工况下的内啮合齿轮泵。
背景技术
高压液压系统在铸造机、注塑机和锻造机等诸多设备中有着广泛的应用。当前，伴随着军用设备与海洋钻井平台等高端装备的发展，液压系统进一步的高压化成为了一种必然趋势。超高压大流量液压系统前景广阔，其中最大的挑战在于优质液压泵的研制。
内啮合齿轮泵具有噪声低、困油小、结构紧凑和自吸能力强等突出特点而被广泛用于各类工程机械，但在高压下轴受到的不平衡径向力迅速加大，轴承受过大径向力易变形。因此，为了适应高端装备的发展，研制适用于高压大流量工况下的内啮合齿轮泵有着重要的意义。
近年来，为拓展其在高压大流量领域的应用范围，提出了多种提高泵压力和流量的设计方案：（1）在提高泵的工作压力方面，采用侧板和月牙块等浮动补偿装置，减小泵的轴向及径向间隙，从而减小泵的内泄漏（如参考专利US4132514和201210048619.0），或采用两组齿轮并联的方式，减小轴所受的径向不平衡力，增大泵高压工况下的抗压能力（如参考专利201010531833.2）。（2）在增大泵的输出流量方面，采用多组齿轮副并联，各组泵的高压区与出油口连通，以增大泵的总输出流量（如参考专利201210393091.0和201120247695.5），或通过优化齿轮的齿形，增加转子组的容量，以提高泵的输出流量（如参考专利200480018532.2和200680004677.6）。上述方法有助于提高泵的压力或流量，但无法同时满足高压和大流量的工作需求。
为同时满足高压和大流量的需求，一种多级双圆弧齿轮泵（如参考专利2007100899328）被提出。该方案利用圆弧齿轮的优化齿形提高泵的排量，结合结构设计提高泵的输出压力，且具有效率高等优点，但仍存在以下一些不足，主要表现为：
1）泵的输入轴所受扭矩大、易变形，高压化存在瓶颈。输入轴上设置有多个主动齿轮，单电机同时带动多齿轮副转动，轴两端的扭矩差大、加大了轴的设计难度；此外，输入轴需要较大轴向尺寸以满足多齿轮需求，这使其在不平衡径向力作用下更易发生变形破坏，难以满足高压化需求。
2）电机的输入功率均分至各级齿轮副，各级泵输出流量/压力随之减小。单输入轴同时带动N个主动齿轮转动，各级齿轮副功率为电机功率的1/N；泵内进出油口间的压差与流量的乘积等于泵的输入功率，因此输入功率的降低，致使各级泵输出的压力/流量提升受到显著抑制。
3）齿轮泵流量脉动大，难以满足高精度液压系统需求。单一齿轮副的输出流量随着啮合点的变化而改变，并形成不均匀的输出流量，这将引发较为明显的流量和压力脉动，难以满足高精度的液压系统的需求。
发明内容
本发明目的是提供一种适用于高压大流量的内啮合齿轮泵，泵内油液经过多级加压，油液的输出压力和流量大幅提升，同时两路油液在出口处叠加，显著降低了泵的输出流量和压力的脉动，为齿轮泵应用于高精度液压体统提供了新的途径。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种适用于高压大流量的内啮合齿轮泵，包括一具有进油口与出油口的泵，其特征在于，所述泵体内设有具有内齿及外齿的第一双齿圈和第二双齿圈，所述第一双齿圈和第二双齿圈相向旋转且外齿相互啮合，所述第一双齿圈和第二双齿圈外齿进入啮合的一侧与泵体间形成中压区；
所述第一双齿圈内还偏心设有外齿与第一双齿圈的内齿相啮合的第一齿轮轴，所述第一双齿圈内齿与第一齿轮轴外齿围成形成两侧逐渐变窄且对称的月牙形空间，空间内布置有月牙状的第一月牙块，所述第一双齿圈内齿与第一齿轮轴外齿脱离啮合处与第一月牙块之间形成中压A区，第一双齿圈内齿与第一齿轮轴外齿进入啮合处与第一月牙块之间形成高压A区；
所述第二双齿圈内还偏心设有外齿与第二双齿圈的内齿相啮合的第二齿轮轴，所述第二双齿圈内齿与第二齿轮轴外齿围成形成两侧逐渐变窄且对称的月牙形空间，空间内布置有月牙状的第二月牙块，所述第二双齿圈内齿与第二齿轮轴外齿脱离啮合处与第二月牙块之间形成中压B区，第二双齿圈内齿与第二齿轮轴外齿进入啮合处与第二月牙块之间形成高压B区；
所述进油口与第一双齿圈和第二双齿圈外齿脱离啮合的一侧相连通，所述中压区、中压A区和中压B区相连通，所述高压A区及高压B区与出油口相连通。
进一步的，所述泵体内第二双齿圈、第一双齿圈、第一齿轮轴及第二齿轮轴形成的齿轮副后端面向外设置有贴合其表面的后侧板，所述齿轮副前端面向外设置有贴合其表面的第一前侧板和第二前侧板。
进一步的，所述后侧板从上到下依次开有与连接高压A区连通的第一出油口、使中压A区、中压B区及中压区相连通的通油槽和与高压B区连通的第二出油口。
进一步的，所述第一出油口和第二出油口相连通，并与泵的出油口连接。
进一步的，所述第一双齿圈和第二双齿圈嵌套在泵体内壁，并且支撑在泵体内壁面转动；第一齿轮轴和第二齿轮轴的两端伸入泵体内由驱动装置驱动转动。
进一步的，在垂直齿轮轴的截面上，第一齿轮轴中心和第一双齿圈中心的连线，与第二齿轮轴中心和第二双齿圈中心连线，二者之间夹角为5～30度。
进一步的，第一齿轮轴中心和第一双齿圈中心的距离，与第二齿轮轴中心和第二双齿圈之间距离相等。
进一步的，在垂直齿轮轴的截面上，通过第一双齿圈内齿和第一齿轮轴的起始啮合点N1、第一齿轮轴中心的直线与通过第二双齿圈内齿和第二齿轮轴的起始啮合点N2、第二齿轮轴中心的直线不平行。
进一步的，所述第一月牙块与第二月牙块包括一外圆弧与第一双齿圈或第二双齿圈的内齿圈齿顶相贴合的大月牙块以及内圆弧与第一双齿圈或第二双齿圈的外齿轮齿顶相贴合的小月牙块，所述小月牙嵌于大月牙块内侧弧面并留有缝隙，所述小月牙块与与大月牙块的轴向截面上设有相互连通的油道。
进一步的，所述所述小月牙块油道之间的外圆弧表面沿轴向设有四边形槽，所述四边形槽内放置有轴向布设的弹性柱状的密封辊，所述密封辊将小月牙块和大月牙块的缝隙空间分割形成多段储油通道，所述成对的小月牙块和大月牙块成对的通孔经储油通道连通。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1）输入轴受力分布合理、变形小，高压工况下适应性强。采用单输入轴逐级带动多对齿轮副转动，轴两端所受的扭矩差小，这种布置方式减小了各轴的轴向长度，使轴可承受更大的不平衡径向力；此外，利用逐级加压方式使各级齿轮副的压差减小，进一步降低了轴所受的径向不平衡力，从而使得齿轮泵具有强的抗高压能力。
2）通过逐级加压方式，显著提升泵的输出流量和压力。本发明通过单输入轴逐级带动各对齿轮副转动，实现大流量的液体输出；同时油液经过二次加压后合流，确保了输出的高压力。
3）两齿轮副错齿合流，大幅抑制传统单齿轮副引发的脉动。通过泵内两组齿轮轴错齿分布，使二者输出的高低流量波动相互叠加，因此液体的流量和压力脉动显著降低，为齿轮泵应用于高精度液压系统提供了新的途径。
附图说明
图1是本发明总体结构的剖面示意图。
图2是本发明中第一双齿圈/第二双齿圈的三维视图。
图3是图1在A-A向的剖面示意图。
图4是泵内油液流动方向示意图。
图5是轴向补偿装置工作原理图。
图6是本发明齿轮轴轮齿横截面处的压力分布图。
图7是传统齿轮轴轮齿横截面处的压力分布图
图8是工作状态下双齿轮副的啮合结构图。
图9是本装置抑制流量脉动的原理图。
图10是本装置第一月牙块或第二月牙块结构示意图。
图中：1、后泵盖，2、后接盖，3、滑动轴承，4、补偿片，5、后侧板，6、第一双齿圈，7、径向补偿装置，8、第二双齿圈，9、泵体，10、第二前侧板，11、第一前侧板，12、前接盖，13、密封圈，14、前泵盖，15、唇形密封圈， 16、第一齿轮轴，17、第二齿轮轴，18、泵体内壁面，19、第一月牙块，20、第一双齿圈外齿，21、进油口，22、第二双齿圈外齿，23、第二月牙块，24、高压A区，25、第一轴外齿，26、第一双齿圈内齿，27、中压A区，28、中压区，29、中压B区，30、第二轴外齿，31、第二双齿圈内齿，32、高压B区，33、第一平衡槽，34、第二平衡槽，35、第一出油口，36、通油槽，37、第二出油口，38、低压区，39、第一背压腔，40、第一密封圈，41、第一补偿片，42、齿轮副后端面，43、齿轮副前端面，44、大月牙快、45、小月牙块，46、油道，47、密封辊。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明总体结构的剖面示意图。图中，齿轮泵的泵壳由后泵盖1、后接盖2、泵体9、前接盖12、前泵盖14等元件组成，且两两元件之间加有密封圈13，以防止泵内油液的泄漏。泵壳内部安装有第一双齿圈6、第二双齿圈8、径向补偿装置7、第一齿轮轴16、第二齿轮轴17、后侧板5、第一前侧板11、第二前侧板10、滑动轴承3、补偿片4、密封圈13，其中第一双齿圈6和第二双齿圈8嵌入泵体9内，齿圈和泵体之间为过渡配合，且上下对称布置，两双齿圈内齿分别与第一齿轮轴16和第二齿轮轴17啮合组成两组齿轮副，齿轮副后端面42向外设置有贴合其表面的后侧板5，齿轮副前端面43向外设置有贴合其表面的第一前侧板11和第二前侧板10。后接盖2和前接盖12内腔中各安放有滑动轴承3，其配合为过渡配合，第一齿轮轴16和第二齿轮轴17穿过滑动轴承并依靠轴承支撑在泵壳内部，两齿轮轴与滑动轴承的配合均为过渡配合。
图2是本发明中第一双齿圈/第二双齿圈的三维视图。
图3是图1在A-A向的剖面示意图。第一双齿圈6和第二双齿圈8上下对称安放在泵体9内，并且由第一双齿圈外齿20和第二双齿圈外齿22构成第一齿轮副，其将泵体9内腔分隔成低压区38和中压区28，低压区38外接进油口21。第一齿轮轴16和第一双齿圈6的轴线被布置成相互平行错开，由第一轴外齿25和第一双齿圈内齿26构成第二齿轮副，第二齿轮副的齿部围成一个两侧逐渐变窄且对称的月牙形空间。在该空间的一侧布置有第一月牙块19，使得月牙形空间分隔为中压A区27和高压A区24。同理，第二齿轮轴17和第二双齿圈8的轴线被布置成相互平行错开，由第二轴外齿30和第二双齿圈内齿31构成第三齿轮副，第三齿轮副的齿部围成一个两侧逐渐变窄且对称的月牙形空间。在该空间的一侧布置有第二月牙块23，使得月牙形空间分隔为中压B区29和高压B区32。
图4中，虚线表示开在后侧板上的第一出油口35和第二出油口37，双点画线表示开在后侧板上的通油槽36，点划线表示泵体9中的第一平衡槽33和第二平衡槽34。当齿轮如图示方向转动时，低压区38内的齿轮副逐渐脱离啮合，该区域压力降低，油液经进油口21吸入，随着齿轮转动，齿槽内油液被带入中压区28，在中压区内由于第一齿轮副逐渐进入啮合，油液压力升高，并通过通油槽36进入两内齿轮副形成的中压A区27和中压B区29，同时该区域内油液随着齿轮转动，分别输送到高压A区24和高压B区32，在该区域由于齿轮副逐渐进入啮合，油液压力再次提升，且分别流向第一出油口35和第二出油口37，最终油液在出油口汇聚并排出。同时，出油口部分油液通过油道引入第一平衡槽33和第二平衡槽34，两槽内油液产生的压力分别平衡第一双齿圈6和第二双齿圈8受到的径向不平衡力，使两个双齿圈受力平衡。泵的工作全过程中，油液经过二次加压后合流，由此获得高压力和大流量的液体输出。
图5是示意性表示了轴向补偿装置工作原理图。图中，出油口内高压油被引入第一背压腔39内，由第一密封圈40和第一补偿片41保证腔内密封性，第一背压腔39内油液产生一个水平向右的压力F 1，后侧板5在压力作用下贴合在齿轮副后端面42上。同理，第一前侧板11和第二前侧板10分别受到水平向左的力F 2和F 3，在力的作用下第一前侧板11和第二前侧板10贴合齿轮副前端面43。在侧板作用下中压区28和高压B区32保持有效密封，大幅减小泵的内泄漏，保障了泵在高压下的可靠性。
图6是齿轮轴轮齿横截面处的压力分布图。采用本发明的二级齿轮副加压，如图6所示，第一齿轮轴16承受油液的压力分布如蜗牛壳状。结合图3，圆弧AB段对应第一月牙块19的位置，圆弧BC段对应高压A区24的位置，圆弧DA段对应中压A区27的位置，其中圆弧BC段与圆弧DA段的压差为△P 1。当齿轮为顺时针转动时，此时油液对第一齿轮轴16的作用力为F 液，齿轮副啮合对第一齿轮轴16的作用力为F 啮，最终第一齿轮轴16所受合力为F 合。
若采用传统的一级齿轮副加压模式，由于缺乏双级加压的渐进升压环节，其分布状态如图7所示。对比图6和7可见，压差△P 1明显小于△P 2，径向不平衡力F合明显小于F合，由此可知，采用多级齿轮副加压的结构，各级齿轮副所受径向不平衡力小，轴受力分布更加合理、变形小，显著提高了泵在高压工况下的抗压能力。
图8表示工作状态下双齿轮副的啮合结构图。第一双齿圈6和第二双齿圈8对称布置，其中，第一双齿圈6的中心为O 2，第一齿轮轴16的中心为O 1，O 1和O 2的距离为e，第二双齿圈8的中心为O＇２，第二齿轮轴17的中心为Ｏ＇１，Ｏ＇１和O＇２的距离为e。直线O 1 O 2与直线Ｏ＇１O＇２的夹角为φ。传统单齿轮副的齿轮泵，其瞬时流量随啮合点位置变化发生周期性的波动，由此引发流量和压力脉动。本发明通过合理的设计φ角，使第二齿轮副的起始啮合点N 1与第三齿轮副的起始啮合点N 2错开半个齿距（π/z度）或半个齿距的n倍（nπ/z度，n=1.2.3…），当第一出油口和第二出油口的油液在出油口汇聚时，两路油液输出的高低流量波动相互叠加，流量和压力脉动降低。
由图9进一步说明本发明抑制流量脉动的原理。当齿轮的齿数为z时，单齿轮副的流量脉动周期为2π/z，结合图8，经过双齿轮副的输出流量叠加，最终泵的总流量曲线接近平稳直线，流量脉动大幅降低，特别适用于高精度的高压大流量液压系统。
如图10所示，第一月牙块与第二月牙块包括一外圆弧与第一双齿圈或第二双齿圈的内齿圈齿顶相贴合的大月牙块44以及内圆弧与第一双齿圈或第二双齿圈的外齿轮齿顶相贴合的小月牙块43，所述小月牙43嵌于大月牙块44内侧弧面并留有缝隙，所述小月牙块与与大月牙块的轴向截面上设有相互连通的油道45。所述小月牙块油道之间的外圆弧表面沿轴向设有四边形槽，所述四边形槽内放置有轴向布设的弹性柱状的密封辊46，所述密封辊将小月牙块和大月牙块的缝隙空间分割形成多段储油通道，所述成对的小月牙块和大月牙块成对的通孔经储油通道连通。上述结构使小月牙块在大月牙块内沿径向移动且二者沿圆弧面所受径向力大小相近，消除了传统补偿装置中月牙块的偏磨缺陷。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种适用于高压大流量的内啮合齿轮泵，包括一具有进油口与出油口的泵，其特征在于，所述泵体内设有具有内齿及外齿的第一双齿圈和第二双齿圈，所述第一双齿圈和第二双齿圈相向旋转且外齿相互啮合，所述第一双齿圈和第二双齿圈外齿进入啮合的一侧与泵体间形成中压区；
所述第一双齿圈内还偏心设有外齿与第一双齿圈的内齿相啮合的第一齿轮轴，所述第一双齿圈内齿与第一齿轮轴外齿围成形成两侧逐渐变窄且对称的月牙形空间，空间内布置有月牙状的第一月牙块，所述第一双齿圈内齿与第一齿轮轴外齿脱离啮合处与第一月牙块之间形成中压A区，第一双齿圈内齿与第一齿轮轴外齿进入啮合处与第一月牙块之间形成高压A区；
所述第二双齿圈内还偏心设有外齿与第二双齿圈的内齿相啮合的第二齿轮轴，所述第二双齿圈内齿与第二齿轮轴外齿围成形成两侧逐渐变窄且对称的月牙形空间，空间内布置有月牙状的第二月牙块，所述第二双齿圈内齿与第二齿轮轴外齿脱离啮合处与第二月牙块之间形成中压B区，第二双齿圈内齿与第二齿轮轴外齿进入啮合处与第二月牙块之间形成高压B区；
所述进油口与第一双齿圈和第二双齿圈外齿脱离啮合的一侧相连通，所述中压区、中压A区和中压B区相连通，所述高压A区及高压B区与出油口相连通。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高压大流量的内啮合齿轮泵，所述泵体内第二双齿圈、第一双齿圈、第一齿轮轴及第二齿轮轴形成的齿轮副后端面向外设置有贴合其表面的后侧板，所述齿轮副前端面向外设置有贴合其表面的第一前侧板和第二前侧板。
3.根据权利要求2所述的一种适用于高压大流量的内啮合齿轮泵，所述后侧板从上到下依次开有与连接高压A区连通的第一出油口、使中压A区、中压B区及中压区相连通的通油槽和与高压B区连通的第二出油口。
4.根据权利要求3所述的一种适用于高压大流量的内啮合齿轮泵，所述第一出油口和第二出油口相连通，并与泵的出油口连接。
5.根据权利要求1所述的一种适用于高压大流量的内啮合齿轮泵，所述第一双齿圈和第二双齿圈嵌套在泵体内壁，并且支撑在泵体内壁面转动；第一齿轮轴和第二齿轮轴的两端伸入泵体内由驱动装置驱动转动。
6.根据权利要求1所述的一种适用于高压大流量的内啮合齿轮泵，在垂直齿轮轴的截面上，第一齿轮轴中心和第一双齿圈中心的连线，与第二齿轮轴中心和第二双齿圈中心连线，二者之间夹角为5～30度。
7.根据权利要求1所述的一种适用于高压大流量的内啮合齿轮泵，第一齿轮轴中心和第一双齿圈中心的距离，与第二齿轮轴中心和第二双齿圈之间距离相等。
8.根据权利要求1所述的一种适用于高压大流量的内啮合齿轮泵，在垂直齿轮轴的截面上，通过第一双齿圈内齿和第一齿轮轴的起始啮合点N1、第一齿轮轴中心的直线与通过第二双齿圈内齿和第二齿轮轴的起始啮合点N2、第二齿轮轴中心的直线不平行。
9.根据权利要求1所述的一种适用于高压大流量的内啮合齿轮泵，所述第一月牙块与第二月牙块包括一外圆弧与第一双齿圈或第二双齿圈的内齿圈齿顶相贴合的大月牙块以及内圆弧与第一双齿圈或第二双齿圈的外齿轮齿顶相贴合的小月牙块，所述小月牙嵌于大月牙块内侧弧面并留有缝隙，所述小月牙块与与大月牙块的轴向截面上设有相互连通的油道。
10.根据权利要求9所述的一种适用于高压大流量的内啮合齿轮泵，所述小月牙块油道之间的外圆弧表面沿轴向设有四边形槽，所述四边形槽内放置有轴向布设的弹性柱状的密封辊，所述密封辊将小月牙块和大月牙块的缝隙空间分割形成多段储油通道，小月牙块和大月牙块成对的通孔经储油通道连通。
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