齒輪液壓泵的結構合理性探討

張宗元，趙升噸

（西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049）

0 引言

齒輪泵是以嚙合原理工作的液壓泵，目前銷售和使用的液壓齒輪泵主要有兩種結構形式，即外嚙合齒輪泵和內嚙合齒輪泵。齒輪泵是現代液壓技術中結構最為簡單、價格最低、產量及用量最大的一種液壓泵，尤其是標準漸開線外嚙合直齒齒輪泵由于其齒輪易于加工和檢測，應用極為普遍。而由于齒輪泵本身的結構特點導致齒輪泵產生泄漏、 徑向液壓力不平衡和困油現象，影響了齒輪泵的額定壓力和容積效率；導致使用壽命縮短；產生強烈的噪聲并引起振動和氣蝕，影響工作平穩性，難以實現高壓化。

1 傳統齒輪泵存在的不足

1.1 外嚙合齒輪泵

外嚙合齒輪泵是最簡單、應用范圍最廣的齒輪泵，其工作原理如圖1 所示。外嚙合齒輪泵由兩個相互嚙合的齒輪以及容納它們的泵體和前后泵蓋所組成。當主動齒輪1 和從動齒輪2 按圖示方向旋轉時，由于靠吸油腔側嚙合的齒逐漸退出嚙合，空間增大，形成局部真空，油在外界大氣壓作用下進入吸油腔；而排油腔側的齒逐漸進入嚙合，把齒間的油液擠壓出來，從壓油口強迫流出。當齒輪不斷轉動時，齒輪泵就不斷吸油和壓油。這就是齒輪泵的工作原理。

圖1 外嚙合齒輪泵工作示意圖

|該齒輪泵應用十分廣泛，其設計和生產水平已趨于成熟，目前這種齒輪泵的額定壓力可達25MPa。不過，外嚙合齒輪泵在工作過程中，兩個齒輪會受到徑向液壓力和齒輪嚙合力的作用，其徑向液壓力受力示意圖如圖2 所示。雖然現在有采用平衡槽來減小齒輪（軸承）的徑向不平衡力，但是仍不能從根本上解決齒輪所受徑向力問題，因為這是齒輪泵的結構所決定的。這種因結構受力對稱性差產生的徑向力，易使齒輪泵產生泄露和磨損，降低軸承壽命。

圖2 外嚙合齒輪泵的徑向液壓力分布示意圖

外嚙合齒輪泵的的瞬態流量公式為：

從式中可以看出，瞬時流量是隨齒輪的轉角按拋物線規律變化。隨著嚙合點的移動，齒輪的排量發生周期性的波動，其波動頻率為主動齒輪的齒數。由于外嚙合齒輪泵的齒數一般較少，導致外嚙合齒輪泵的流量脈動較大。

1.2 內嚙合齒輪泵

內嚙合齒輪泵和外嚙合齒輪泵的原理完全相同，其工作示意圖如圖3 所示。同外嚙合齒輪泵相比，內嚙合齒輪泵除了加工難度有所增加、成本有所提高外，結構更加緊湊、 體積小，特別是可以采用較大面積的吸油窗口，因而吸入性更好，允許轉速更高。同時內嚙合泵的流量脈動頻率較小，泵的噪聲小，壽命高，容積效率高。近年來，各國都比較重視內嚙合泵的發展，相信隨著工業生產的發展，內嚙合齒輪泵將會越來越多地代替外嚙合齒輪泵，并廣泛應用于各種工業領域中。

圖3 內嚙合齒輪泵工作示意圖

但是由于泵結構本身所決定的液壓徑向力、流量脈動仍然存在，并且內嚙合齒輪泵的設計不能采取普通齒輪傳動的設計原則和計算公式，如何采用專門的設計方法，選擇合適的參數設計出適合生產制造的內嚙合齒輪泵仍然是國內外學者研究的熱點。目前我國大部分企業生產內嚙合齒輪泵的設備多為全套進口或者大部分引進，對內嚙合齒輪泵基本參數進行研究，設計和生產國產標準齒輪內嚙合齒輪泵替代國外產品已經迫在眉睫。

1.3 改善傳統齒輪泵的途徑

無法提高齒輪泵的工作壓力和降低齒輪泵的流量脈動是制約齒輪泵發展的最關鍵的因素。齒輪泵本身的徑向力不平衡問題，導致了工作壓力增高時，齒輪泵的徑向液壓力增大，會造成軸承壽命大大縮短、泵的泄露量加劇，容積效率下降等問題。由齒輪泵嚙合原理決定的齒輪泵的流量脈動是造成齒輪泵振動和噪聲的主要因素，設法降低齒輪泵的流量脈動已經成為國內外研究的熱點。

國內外學者針對高壓化以及低流量脈動進行了以下研究工作：

（1）對齒輪泵的徑向間隙進行補償，通過對徑向間隙參數的合理優化，來降低齒輪泵的徑向力；

（2）通過優化齒輪參數、縮小排液口尺寸等措施來降低齒輪泵的徑向液壓力；

（3）采用新材料、采用滑動軸承替代滾珠軸承等方式，提高軸承承載能力；

（4）采用增加齒輪齒數、優化設計非漸開線齒輪泵、 增設濾波的方法來降低齒輪泵的流量脈動，等等。

但是這些措施都沒有從根本上解決齒輪泵無法實現高壓化、低流量脈動的問題。因為這些問題是由齒輪泵的結構本身決定的。近年來，國內外學者從齒輪泵的結構方面做了很多研究。利用級聯齒輪泵、平衡式復合齒輪泵等結構，使從根本上解決液壓徑向力不平衡問題得到了實現，這種結構上的改進經歷了單齒輪泵—多齒輪泵—雙聯齒輪泵—平衡式復合齒輪泵的過程。

2 平衡式多齒輪泵

普通齒輪泵由于自身結構特點，導致泵存在無法避免的流量脈動，并且當泵的排量增大到一定數值時，泵的吸油能力開始明顯下降，究其原因是泵的轉速到達一定程度后，由于離心力影響，引起吸油不足。因此當需要進一步降低泵的流量脈動和增大泵的排量時，往往采用平衡式多齒輪泵和多聯泵結構。

平衡式多齒輪泵的結構原理如圖4 所示。該泵由太陽輪、衛星輪、前端蓋、后端蓋以及殼體組成。三個衛星輪均勻分布在太陽輪周圍，組成并列的三個外嚙合齒輪子泵，前端蓋與后端蓋上面布置有進油口與出油口，太陽輪與衛星輪分別由軸套支撐。

圖4 多齒輪泵結構原理圖

由平衡式多齒輪的工作原理可知，當太陽輪做旋轉運動（假設太陽輪順時針轉動）時，通過齒輪嚙合關系，太陽輪帶動三個衛星輪做逆時針轉動，形成相互并聯疊加的三個外嚙合齒輪子泵，一方面大大增加了泵的排量，另一方面通過合理設置參數，將三個外嚙合子泵的峰值錯開，使疊加后的泵的流量脈動明顯減小。通過研究分析可知：

（1）由于結構方面的對稱性，太陽輪所受的徑向液壓力以及齒輪嚙合力是平衡的，有利于提高太陽輪運動平穩性以及軸承壽命。

（2）當太陽輪齒數z1=3k1+1 時，多齒輪泵的流量脈動最小，此時三個內嚙合泵的嚙合角相互交錯α/3（α 為齒輪嚙合角），假設每個子泵的排量為 VB，三個子泵瞬態流量疊加交錯疊加，其瞬態流量特性曲線如圖5 所示。

（3）此種平衡式多齒輪泵衛星輪數量可以不限于3 個，設衛星輪的數量為N 時，同樣成立。

圖5 z1=3k1+1 時多齒輪泵的流量特性曲線

3 多聯齒輪泵

多聯齒輪泵的原理是由兩個或者兩個以上的普通齒輪泵組合而成。有并聯和串聯組合兩種方式，串聯方式的多聯泵，工作壓力為單級泵的N 倍（N 為泵級數），并聯泵的流量為單級泵的N 倍，同時可利用泵的瞬態流量疊加特性將各個單級泵的峰值錯開，降低泵的流量脈動。多聯泵一般共用一個輸入軸，有多個進油口和出油口。為了適應不同的應用環境，可獲得多種流量。

圖6 為雙聯內嚙合齒輪泵結構示意圖，該泵采用單輸入、雙輸出的模式，具有一個進油口兩個出油口。兩個內嚙合泵之間用細牙花鍵連接，該泵具有結構簡單、尺寸緊湊、噪聲小、流量脈動小等特點。

圖6 雙聯內嚙合齒輪泵結構示意圖

4 平衡式復合齒輪泵

平衡式復合齒輪泵，是在多齒輪泵基礎上對其結構做了進一步的改進，平衡式復合齒輪泵被認為是齒輪泵較為理想的一種結構，其原理圖如圖7 所示。平衡式復合齒輪泵主要由中心輪、惰輪、內齒輪、密封塊及前后泵蓋等組成，既保留了普通齒輪泵的優點，又徹底解決了普通齒輪泵存在的徑向液壓力不平衡問題。其排量大，流量均勻性好，易于實現齒輪泵的高壓化。但是該泵的密封塊的封油區間角較小，高低壓腔數量較多，致使泄露加大，從而齒輪泵的容積效率降低。目前，這種齒輪泵在實際工程領域還未能得到運用和推廣。

圖7 平衡式復合泵原理圖

由平衡式復合齒輪泵的工作原理可知，當電機驅動太陽輪做旋轉運動（假設太陽輪順時針旋轉）時，通過齒輪嚙合關系，太陽輪帶動三個衛星輪做逆時針轉動，形成相互并聯疊加的三個外嚙合齒輪子泵和三個內嚙合齒輪子泵，相當于六個子泵并聯疊加。通過研究分析可知：

（1）由泵體結構可知，該泵相當于三個內嚙合泵和三合外嚙合泵的疊加，具有流量大、 流量均勻性好，徑向液壓力平衡等優點。

（2）經過對三衛星輪情況下泵的流量特性分析可知，當太陽輪齒數z1=3k1+1、衛星輪齒數z2=2k2（其中k1、k2為整數）時，復合齒輪泵的流量脈動最小，此時三個外嚙合泵的嚙合角相互交錯α/3（α 為齒輪嚙合角），六個子泵的嚙合角相互交錯α/6，假設每個子泵的排量相同，都為VB。六個子泵的瞬態流量交錯疊加，其瞬態流量特性曲線如圖8 所示。

（3）此種平衡式復合齒輪泵衛星輪數量可以不限于3 個，設衛星輪的數量為N 時，同樣成立。

（4）此結構需要專門的配油結構，由于吸排油口相對于各個齒輪為對稱布置，故各齒輪受到的穩態液壓力平衡。由于各個齒輪副的嚙合點變動會造成齒輪上將作用有瞬態液壓力，但是該瞬態液壓力很小，不會對泵造成影響。

圖8 z1=3k1+1，z2=2k2 時多平衡式復合齒輪泵的流量特性曲線

5 齒輪泵的發展趨勢

近年來，液壓傳動系統正向著快響應、小體積、低噪聲的方向發展，為適應這種要求，齒輪泵也不斷向高壓化、低流量脈動、低噪聲、大排量、變排量、集成化的方向發展。

一直以來，齒輪泵都被認為是中低壓泵，無法實現高壓化是制約齒輪泵發展的一個重要因素； 低流量脈動是泵發展的重要方向之一，流量脈動是產生振動和噪聲的根源之一，如何降低泵的流量脈動一直都是國內外學者研究的熱點；國外很早就有“ 安靜泵”之說，隨著人們環保意識的增強，對齒輪泵的要求越來越嚴格，如何降低嚙合過程的機械噪聲與困油沖擊產生的液壓噪聲是齒輪泵發展的趨勢之一；大排量與變排量是齒輪泵適應各種工作環境的必然要求；集成化是機械設備發展的必然趨勢，泵與電機的一體化，能夠減小設備的體積，提高傳動效率，控制方便等優勢。

針對齒輪泵的發展，國內外學者對齒輪泵參數及泵體結構的優化設計、齒輪泵噪聲的控制技術、齒輪泵的高壓化途徑、 齒輪泵的變量方法研究等方面做了大量研究工作。特別是各種新的泵體結構不斷出現，包括多齒輪泵、多級齒輪泵、復合齒輪泵等等，使齒輪泵的高壓化與低流量脈動從根本上得以實現。但是這些新的泵體結構中真正能轉化為產品的很少，尚需要結合生產實際，研制出可轉化為產品、性能穩定、質量可靠的齒輪泵。

6 結論

（1）傳統齒輪泵存在著液壓徑向力不平衡、流量脈動大等缺點，這會易使齒輪泵產生泄露和磨損，降低軸承壽命，難以實現高壓化。這是由齒輪泵的結構特點決定的。

（2）多齒輪泵采用對稱式結構，從結構上解決了齒輪泵液壓徑向力不平衡的問題。采用瞬態流量疊加原理，很大程度上降低了齒輪泵的流量脈動。

（3）多聯齒輪泵是另外一種解決齒輪泵流量脈動大的結構，具有結構簡單、尺寸緊湊、噪聲小、流量脈動小等特點。

（4）平衡式復合齒輪泵是在多齒輪泵基礎上做了進一步的改進，平衡式復合齒輪泵被認為是齒輪泵較為理想的一種結構。既保留了普通齒輪泵的優點，又徹底解決了普通齒輪泵存在的徑向液壓力不平衡問題。其排量大，流量均勻性好，易于實現齒輪泵的高壓化。

（5）齒輪泵也不斷向高壓化、低流量脈動、低噪聲、大排量、變排量、集成化的方向發展。研發新型泵體結構，從根源上解決齒輪泵液壓徑向力不平衡、流量脈動大的問題，是未來齒輪泵的發展方向。

[1]王積偉，章宏甲．液壓與氣壓傳動[M]．北京：機械工業出版社，2005.

[2]吳紹民．雙聯泵結構特點及工況分析[J]．水輪泵，2002，（2）：34-36.

[3]姚晶宇，王慶豐．采用雙聯泵結構的新型液壓動力轉向泵研究[J]．機床與液壓，2005，（10）：93-94.

[4]傅文新，許賢良.平衡式復合齒輪泵的徑向液壓力分析[J]．機械科學與技術，1998，27（3）：17-18.

[5]李和平，夏 翔，劉 瑩，等.新型平衡式復合齒輪泵結構的優化設計[J]．機械研究與應用，2005，18（4）：86-87.

[6]汪家瓊，孔繁余，何玉洋.四行星齒輪泵流量特性分析[J]．機械傳動，2012，36（12）：80-83.

[7]毛平淮，侯 波．三極并聯齒輪泵理論分析[J]．重慶大學學報，2008，31（10）：1123-1127.

[8]胡陽虎，趙升噸，楊大安，等.柱塞泵缸數與輸出波動關系的研究與分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2011，46（4）.