直升機傳動系統高性能滑油泵關鍵技術淺析

■ 陽新元 吳紅美 / 中國航發動研所

目前，傳動系統正朝質量輕、效率高、壽命長的總體要求快速發展，這就需要有先進的潤滑系統與之配套，而作為潤滑系統的關鍵一環，高速、高性能的滑油泵的設計也是需要考慮的諸多因素之一。

滑油泵是潤滑系統中一個非常重要的元件，為傳動系統的主減速器提供所需的流量和壓力，保證齒輪和軸承等摩擦副正常工作。直升機傳動系統的滑油泵通常為工作壓力小于1.0MPa的低壓泵，一般選用容積式油泵。按照工作原理和結構，容積式油泵又可分為齒輪泵、旋板泵和柱塞泵。柱塞泵由于結構復雜、工藝性差，只在特殊情況下用于潤滑系統[1]。齒輪泵又分為外嚙合齒輪泵和內嚙合齒輪泵兩種。外嚙合齒輪泵具有外廓尺寸小、質量輕、結構簡單、工藝性較好、對工作液清潔度敏感性不大和工作可靠等優點，其缺點是流量和壓力脈動大、噪聲大，在高壓下工作不采用特殊密封結構時容積效率明顯下降等，且不適用于高轉速。相比之下，旋板泵和內嚙合齒輪泵能滿足高速、高性能要求。本文將分別介紹這兩種泵的工作原理，并對其關鍵技術進行分析。

旋板泵

工作原理

典型的雙級旋板泵（如圖1所示）由一對圓柱齒輪驅動，有平行工作的增壓和回油的功能。這種滑油泵主要由殼體、定子、增壓級旋板、回油級旋板、上軸承、中軸承、下軸承及傳動軸等零件組成，其外形和結構如圖1所示。旋板泵工作時，傳動軸帶動旋板旋轉，相互垂直的旋板與定子及兩端軸承面所形成的四個腔的容積逐漸發生變化，即有兩個腔的容積由小變大形成真空吸油，同時另兩個腔的容積不斷減小而排油，傳動軸連續地帶動旋板轉動，從而完成連續不斷的吸油和排油過程，其工作原理如圖2所示。

圖1 雙級旋板泵的實物和結構圖

圖2 雙級旋板泵工作原理簡圖

關鍵技術

旋板泵具有工作平穩、輸出流量均勻、脈動小、噪聲小、效率較高、結構較緊湊和進口真空度較高的特點[2]，在設計生產時應掌握如下要點。

一是選擇合理的定子內廓曲線。定子曲線的形狀關系到旋板泵的性能（噪聲、效率、流量均勻性等）和壽命。定子內表面是非圓柱面而且具有一定的偏心，為使葉片在定子內高速運動且在曲線轉接處不致于產生很大的加速度，必須選擇合理的定子曲線。先根據泵的結構和流量要求初步確定定子曲線進行泵的三維建模，再利用仿真軟件進行性能仿真，對設計優化提供參考。

二是傳動軸和旋板保持適當的間隙。傳動軸和旋板均為泵的核心部件，傳動軸帶動兩組旋板旋轉，旋板在定子內高速旋轉。為了滿足旋板在傳動軸槽內靈活滑動，旋板和槽必須有適當間隙——間隙較小，旋板會出現卡滯，同時間隙又不能過大，否則會出現泄漏。因此，其配合間隙、材料、硬度、精度和粗糙度的選擇均為設計重點。

三是保證零件的加工精度。定子是旋板泵功能的核心部件，同時也是加工難點。一般定子內廓為多段曲線光滑過渡曲線，需用慢走絲進行線切割。旋板也是旋板泵的重要零件，旋板要求高的平行度及表面質量。傳動軸是旋板泵的驅動軸，同時旋板在傳動軸槽內滑動，傳動軸上旋板槽的加工難度較大，它要求有較高的平行度和對稱度，表面質量要求也較高。加工質量直接影響受力情況和工作的平穩，須利用高精度的磨床來保證。

內嚙合齒輪泵

工作原理

內嚙合齒輪泵有漸開線齒輪泵和擺線齒輪泵(又名轉子泵)兩種[3]。典型內嚙合齒輪泵主要由滑油泵殼體、傳動軸、螺旋卡圈、長定位銷、卡圈、上支承殼體、上支承襯套、碟形片組件、下支承殼體、內轉子、外轉子、偏心套和級間殼體等零部件組成。傳動軸通過其軸端的半圓鍵與主減速器滑油泵傳動小錐齒輪相連，為滑油泵提供動力，其剖視圖如圖3所示。

內嚙合齒輪泵的工作原理與外嚙合齒輪泵相同，均是通過內外轉子在轉動過程中形成的各封閉腔容積的變化，產生的吸油和排油過程。該泵的一個重要特點是內轉子和外轉子只相差一個齒，其好處是結構更緊湊，不需要額外設置隔板。

關鍵技術

典型的內嚙合齒輪泵的主要參數見表1。

內嚙合齒輪泵除了具有外嚙合齒輪泵的優點外，還有以下幾個重要的特點：適用于高轉速（高轉速下的離心力能使油液更好地充入密封工作腔），可獲得較大的容積效率；由于齒輪轉向相同，滑動速度相對較小，磨損少，使用壽命長，流量脈動遠比外嚙合齒輪泵小，因而脈動和噪聲都較小；傳動軸設計有保險截面（保險截面設計成在最大扭矩為40～55N·m時才失效），在泵發生故障時可以保護主減速器傳動系統。擺線齒輪泵在設計制造時需解決的關鍵技術如下。

圖3 典型內嚙合齒輪泵剖視圖

表1 內嚙合齒輪泵的主要參數

一是確定內外轉子的偏心距。偏心距決定了泵的流量和結構尺寸大小，只有準確確定內外轉子的偏心距，才能保證轉子正確嚙合，滿足流量等性能參數要求。偏心距的選擇必須與轉速和齒輪寬度一起考慮，以求得好的匹配關系。可借助泵專用仿真軟件進行性能仿真，為設計優化提供參考。

二是確保零件加工精度。內、外轉子與普通齒輪有很大的區別，內、外轉子外形為特定函數曲線，尺寸、形位公差精度要求嚴，一般還需要滲氮處理，熱處理后零件變形很大。一般配合尺寸及形位公差精度要求高達5級，表面粗糙度要求為Ra0.1，需要一次裝夾對零件端面、外圓進行高精度磨削。為了保證加工精度，需要專用的擺線齒輪的專用刀具和磨削設備。

滑油泵選用分析

在設計滑油泵時，除須考慮前面所述的關鍵技術外，還須考慮滑油泵的工作壓力范圍、轉速、流量、容積效率、自吸能力、壓力脈動、造價及工作油液的清潔度等多種因素，分別說明如下。

工作壓力：直升機傳動系統滑油泵的工作壓力通常小于1.0MPa，齒輪泵、旋板泵均適用。

轉速：外嚙合齒輪泵和旋板泵使用轉速一般要求在5000r/min以下，旋板泵使用轉速不能太低，要求500r/min以上，內嚙合齒輪泵容許使用高轉速，可到10000r/min以上。

流量：外嚙合齒輪泵流量脈動大，旋板泵流量均勻，內嚙合齒輪泵流量脈動比外嚙合齒輪泵小。

容積效率：內嚙合齒輪泵和旋板泵比外嚙合齒輪泵容積效率高。

自吸能力：外嚙合齒輪泵和內嚙合齒輪泵自吸性好，外嚙合齒輪泵高速或低速運轉都可以自吸； 旋板泵吸油特性稍差，要求轉速和油液黏度均不能太高或太低，會影響吸油不良或降低容積效率。

壓力脈動：外嚙合齒輪泵壓力脈動大，內嚙合齒輪泵和旋板泵壓力脈動小。

成本：外嚙合齒輪泵結構相對簡單，工藝性較好，費用便宜；內嚙合齒輪泵和旋板泵結構比外嚙合齒輪泵復雜很多，且加工精度高，需要專門的制造設備，造價較貴。

工作油液：由于內嚙合齒輪泵和旋板泵內部動部件與相關零件的配合間隙小，所以對工作油液的清潔度要求比較高，若出現稍大的雜質有可能會卡滯轉子或旋板的正常轉動，一般建議滑油濾的過濾精度需20μm以上，油液清潔度需達ISO20/18/15以上。外嚙合齒輪泵相對來說，對油液污染性不太敏感。

因此，要綜合考慮上述因素來選用滑油泵。一般來說，低速的可選用外嚙合齒輪泵和旋板泵，其中對流量和壓力波動要求高、結構和質量受限制的條件下需選用旋板泵外，其余的均可選用外嚙合齒輪泵。在轉速比較高（＞5000r/min）的情況下需選用內嚙合齒輪泵。在內嚙合齒輪泵中，擺線齒輪泵與漸開線齒輪泵相比，結構更加簡單，而且由于嚙合的重疊系數大，傳動更平穩，吸油條件更好。因此，航空上使用的高速泵更傾向于擺線齒輪泵。