一种内啮合摆线齿轮泵的设计与试验

蔺维君

珠海格力电器股份有限公司    广东 珠海 519000

摘要：本文开发研制一种内啮合摆线齿轮泵，应用型线设计、实验流量分析等方法进行开发。同时根据齿轮泵的关键结构参数, 按经验公式进行了输油量的计算校核，通过齿轮泵性能测试,对齿轮流量进行预测。此油泵具有结构紧凑、重量轻、成本低廉等优点，经过实验验证，性能稳定，可靠性极高，具有很好的推广应用前景。

关键词：内啮合齿轮泵  油箱  齿轮  转子

Design and test of an internal cycloidal gear pump

                                 LinWeiJun

Gree Electric Appliances Lnc of Zhuhai     Zhuhai Guangdong 519000

Abstract: In this paper, an internal cycloid gear pump is developed by the application of profile design, experimental flow analysis and other methods. At the same time, according to the key structural parameters of the gear pump, according to the empirical formula for the calculation of oil delivery, through the performance of the gear pump test, the gear flow prediction. This oil pump has the advantages of compact structure, light weight, low cost, etc. After experimental verification, the performance is stable, high reliability, has a good prospect of popularization and application.

Key words: internal gear pump oil tank gear rotor

0、前言

润滑系统是制冷设备的重要组成系统，内啮合摆线齿轮泵是润滑系统的核心部件，其功能是将润滑油从油箱抽出，并送到各润滑点，实现润滑和冷却的功能。

齿轮泵是液压传动系统中一种常用的液压泵，按齿轮啮合形式可分内啮合齿轮泵和外啮合齿轮泵两种。内啮合齿轮泵结构紧凑，质量轻，尺寸小等优点。而且由于齿轮同向旋转，相对滑动速度小，磨损轻微，使用寿命长，流量脉动小，因而压力脉动和噪声都较小。同时，油液在离心力的作用下易充满齿间槽，故允许高速旋转，容积效率较高。

齿轮泵是一种容积式液压泵，即依靠齿轮传动过程中轮齿进入和脱离啮合，分别在高压腔和低压腔形成瞬时容积的减小和增大，从而实现排油和吸油。齿轮泵内泄漏是指油液通过泵体内部齿轮零件的装配间隙以及其他途径从泵高压腔 ( 即排油腔) 向低压腔 ( 即吸油腔) 的泄漏。在工程实践中，随着齿轮泵出口压力的增加，内泄漏加剧，导致齿轮泵容积效率下降，工作性能 ( 出口流量和压力) 不能满足预期设计要求，从而制约了高压齿轮泵的发展和应用。齿轮泵的内泄漏途径主要是齿轮端面间隙泄漏。

齿轮是高速旋转零件，为避免在工作中齿轮端面与端盖、后端面发生刮蹭，在装配时，需要保证齿轮端面与端盖、后盖的端面有 0. 03 ～ 0. 10 mm 的间隙，该间隙一般通过齿轮和齿轮壳体零件的厚度差保证。在齿轮泵工作时，该间隙构成了贯通高压腔和低压腔的内泄漏通道，从而导致齿轮泵的端面间隙泄漏。端面间隙泄漏存在泄漏通道面积大、泄漏途径短、泄漏方向与齿轮转动方向一致的特点，端面间隙泄漏是齿轮泵最主要的内泄漏途径，约占齿轮传动部位总泄漏量的 75% ～ 80% ，因此，控制端面间隙泄漏是减少齿轮泵内泄漏的最有效的方法。在工程实践中，也常用增加或减小齿轮端面间隙的方法，实现齿轮泵出口流量或压力等性能参数降低或增加。

在齿轮泵工作中，有时会由于齿形加工误差等原因造成齿轮传动啮合点接触不好，导致油液从高压腔通过啮合点泄漏到低压腔。在正常情况下，通过齿轮啮合点的泄漏是很少的，约占齿轮传动部位总泄漏量的 4% ～ 5% ，一般不予考虑。
    泄漏是齿轮泵最主要的内泄漏途径，多种关于端面间隙泄漏研究的数学模型均表明: 端面间隙泄漏流量与端面间隙值的三次方成正比，端面间隙值每增加 0. 1 mm，因为端面间隙泄漏将导致容积效率下降 20%。因此，减少端面间隙值s是减少端面间隙泄漏、提高齿轮泵容积效率的最有效方法。然而，如果在齿轮两端面与端盖和后盖均为刚性接触的情况下，端面间隙值太小，将加剧齿轮和前后端盖之间的磨损和刮蹭，并且有可能导致齿轮转动卡滞。

1、内外转子的相互运动关系及内转子的齿廓方程

齿轮泵工作时, 从输入端看内转子围绕O1 点顺时针方向旋转, 外转子在内转子的带动下围绕 O2 点顺时针方向旋转, 其传动比为内外转子的齿数比。在旋转过程中, 内转子齿廓沿外转子齿廓曲线不断滑动并连续啮合。

图1 中 P 点为两转子的节点。Q 为外转子一圆弧齿的圆心, R 为圆弧齿的半径, 坐标系 XO2 Y 为定坐标, 坐标系 X 1 O1 Y1 固定在内转子上随内转子旋转, 即坐标系 X 1O1 Y1 相对内转子是不动的。设K 点为一啮合点, 由于 K 点是内转子齿顶工作面上的一点, 其轨迹在坐标系 X 1 O1 Y1 中的方程即为内转子齿顶工作曲线方程。由内啮合圆弧- 摆线齿轮泵的结构图可知: 内转子和外转子的偏心距 O2 O1 和外转子圆弧齿半径R 以及外转子圆弧齿圆心到外转子中心的距离O2 Q 是常数, 可以精密地测量出来。传动比 i 也可以根据内外转子的齿数确定。因此 P 点坐标可以由式( 1) 方便求出。以 Q 点和 Y 轴重合时为起点, 当转到图 1 位置时, 设 P 点坐标为( 0, b) , 偏心距 O2 O1 距离为 e,O2Q 距离为 a, 外转子转过的角度 YO2 Q 为ψ, 则Q 点坐标为( asinψ , acosψ ) 。其中 是变量, a,b, e 是常数。

内转子齿形的曲线方程：

外转子齿形的曲线方程：

2、内啮合摆线齿轮泵的设计形式

摆线转子泵具有结构紧凑、体积小、运转平稳、噪音低、不易产生气穴、容积效率较高等优点, 因而得到广泛应用。内啮合摆线转子泵的内外转子, 其中, e 为偏心距(两个转子转动中心的距离) ; a 为外转子圆弧形齿廓的半径, 这些圆弧齿均分布在以 R 为半径的圆上。当内外转子分别以各自旋转中心作啮合运动时, 其共轭曲线为内转子的齿形线。由于内转子齿形线也是外转子齿形圆圆心轨迹( 摆线) 的等距线, 因此称这种转子泵为摆线转子泵。

转子泵的设计目标是采用最小的体积、最小的驱动功率, 实现最大的流量、最小的波动( 压力、流量) 和最少的磨损。转子泵的流量公式:
 

式中: Q 为泵的供油量, l/ min; ηv为泵的供油效率;C 为内外转子间最大齿间面积, mm2; B 为转子厚度,cm; Z1 为内转子齿数; n1为内转子转速, r/ min。

根据流量公式我们知道, 在供油效率和转子厚度相同的情况下, 为得到最大的比流量( 比流量为单位泵体积的流量),可以采取的办法有:提高转子的工作转速和增大内转子转过一周时总的供油面积 ( C 与Z1 的乘积)。为了获得最小的压力、流量的波动, 应当减小内外转子间的最大齿间面积, 从而减小内转子转过一个齿的过程中瞬间流量的波动; 同时增加转子的齿数, 以增加供油频率。根据经验公式, 在保持转子泵体积不变的情况下, 增加转子的齿数会使式中 C 与 Z1 的乘积变小, 从而使泵的流量变小。综上所述, 为使所设计的转子泵同时具有波动小和流量大的优点, 应当在增加转子齿数的同时, 提高转子的工作转速。但是, 转速的提高是受转子工作的可靠性及温升限制的, 转速太高会导致转子齿面过早的磨损, 缩短使用寿命。

实验转子采用4+5齿组合设计，具体参数如下：

内转子齿数	4
外转子齿数	5
中心距	6
内转子单齿扫过一周的面积（mm2）	452
油泵的排量（mm3/r）	54286

3、内啮合摆线齿轮泵的测试系统

测试系统装置设计依据油泵结构原理特点，测试依据油压差一定，电流和功率在额定值下，流量不小于理论流量的90%；

主油路测试系统：主回路油温达到后，油泵启动后，压力传感器、温度传感器、流量计、电参数等元器件实时采集油泵运行的参数，由上位机软件实时显示，并结合曲线显示可观察油泵运行状态。旁通油路控温系统：假设油温设定温度46℃，油冷机启动，油冷机设定出口温度控制型的，调节阀油箱油温，当低于44℃时，油冷机停止换热，电加热启动；通过逻辑控制调整油冷机功率达到调试适应油温控制需求45±2℃。

基于测试需求测试依据，设定油泵在线测试过程的动作顺序，做到简化测试操作，提高测试效率：

A、加热：电加热启动

B、启动：油温达到使用条件，油泵启动

C、调压：通过电动调节阀调节管路油压

D、调流：调油泵内置调节阀达到调节流量和管路油压，调节管路上的调节阀，调节管路油压

E、采集：油压稳定，流量满足理论值后，开始随机采集测试数据，测试周期完成后进行合格判断，输出报表。

F、若油温高过设定温度，冷却机开启，保证测试温度在使用要求范围内。

4、内啮合摆线齿轮泵的测试分析

从测试得到的性能曲线图可知在0.5Mpa，平均流量48.24L/min。符合设计指标：油泵平均流量>(50±3.5)L/min

5、结论

通过内转子齿廓曲线是短幅外摆线的等距曲线，外转子齿廓是与相共轭的部分圆弧齿廓。实践证明应用该齿廓机加工成形的转子,其计算值与实测结果较为接近，输油泵的转速流量特性能够满足设计要求。

参考文献：

[1] 罗卫东.贵州：内啮合圆弧- 摆线齿轮泵齿形研究分析，2008.

[2]王迎春; 张艳涛.国产内啮合齿轮泵的对比测试研究.重型机械.2021(05).

[3]输油齿轮泵：JB/T 6434-2010.

[4]齿轮手册编委会.齿轮手册[M].北京：机械工业出版社,2000.

[5]薛程亮. 内啮合摆线滑油泵的性能分析与优化改进[D].华中科技大学.2013.

作者简介：蔺维君，35岁，男，广东珠海人，工程师，目前主要从事制冷设备的设计、研究相关工作，E-mail：[e-mail]