基于變位齒輪的自保護齒輪泵設計

宮乙帥, 吳學群, 劉軍, 周揚

（揚州船用電子儀器研究所,江蘇 揚州225001）

0 引 言

隨著環控冷卻技術水平的不斷提高，整體結構的小型化、輕量化成為當前環控設備的發展趨勢，同時，對環控系統的整機散熱性、安全性要求越來越高，特別是機載環控設備的指標要求更加嚴格。在液冷環控系統中，齒輪泵扮演著重要角色，其功能是為設備中的循環冷卻液提供輸送動力，保障冷卻系統的正常運行，可謂是環控系統的“心臟”[1]。設備整體結構的小型化要求對相應各級模塊進行尺寸規模的縮減。齒輪泵作為環控冷卻系統的“心臟”，其結構的小型化、工作的穩定性是設備運行的基礎。現有齒輪泵產品結構形式過于簡單，泵體尺寸受到內部齒輪副的限制，體積縮減困難。另外，在循環回路中，當泵體出口腔壓力過高時，會造成回路流通受阻，破壞環控系統的穩定性，造成重大經濟損失。

在某小型化環控設備中，針對安裝空間小、供電量受限、運行安全性高等要求，通過采用變位齒輪副，使結構緊湊、合理，泵體體積小，安裝便捷；在齒輪泵殼體上設計限壓活門，對循環回路的壓力形成保護，確保環控設備運行平穩，有效提高了產品的可靠性。

1 齒輪泵性能指標分析

根據某環控供液系統的要求，對齒輪泵的主要參數進行相關性分析如下。

1）轉速分析。齒輪泵流量正比于轉速，但如果轉速過高，離心力使工作液不能充滿整個齒間，反而造成流量減小并引發氣蝕，增大噪聲、加劇磨損。另外，為避免容積效率過低，齒輪泵的最低轉速也應給予限制。

2）流量計算分析。齒輪泵的排量V相當于一對齒輪所有齒谷容積之和，齒谷容積約等于輪齒的體積，那么齒輪泵的排量等于一個齒輪的齒谷容積和輪齒容積體積的總和，可等效為有效齒高和齒寬構成的平面所掃過的環形體積[2]，即

式中：D為齒輪分度圓直徑，D=mz；h為有效齒高，h=2m；B為齒寬；m為模數；z為齒數。

在實際中，齒谷容積要比輪齒體積稍大，故式中的π常以3.33代替，上式可變為

齒輪泵的流量為

式中：n為齒輪泵轉速；ηv為齒輪泵容積效率。

實際上齒輪泵的供液量是有脈動的，因此上式所表示的是齒輪泵的平均供液量。從而可以看出流量和主要參數的關系：1）供液量與齒輪模數m的平方成正比。2）體積確定時，齒數越少，模數越大，供液量增加，流量脈動大；齒數越大，模數越小，供液量越少，流量脈動也小。3）供液量和齒寬B成正比。

經過計算及對比分析，得出齒輪泵的性能設計參數，如表1所示。

2 變位齒輪參數選擇與計算

綜合考慮齒輪泵轉速、外形及流量脈動的影響后，選取主、從動齒輪的齒數Z=14，采用變位設計，主、從動齒輪齒數均為14，變位系數之和為0.6，重合度系數大于1.2，在保證運轉平穩的同時，有效減少了整個泵體的徑向尺寸。另外，參照模數與排量、齒數的關系，選取m=1.5 mm的標準模數進行設計驗證。根據流量指標及影響因素，得出齒輪副的主要參數如表2所示。

表1 齒輪泵性能設計參數表

表2 變位齒輪主要參數表

3 齒輪泵結構設計

齒輪泵主要結構如圖1所示，主要有齒輪泵殼體、齒輪泵基座、滑動軸承、主動齒輪、從動齒輪、彈簧支座、彈簧及密封組件和限壓活門等組成。從結構組成上看，泵體內部零部件巧妙運用了殼體與基座組合后的空間進行安裝定位，緊湊、合理。齒輪泵殼體內部設計有齒輪副的安裝孔，主、從動齒輪的齒頂圓與殼體之間的配合為小間隙配合（H7/e6），確保了在齒輪副運轉時，齒頂與殼體內腔無干涉，同時減小徑向泄漏。主、從動齒輪兩端均采用滑動軸承支撐，其中內端兩個滑動軸承的軸向設計有彈簧支座及調壓彈簧，可進行軸向浮動，確保轉動平穩，降低噪聲，同時減小工作液在兩側端面的泄漏。

從外觀上看，齒輪泵主要分為殼體部分和基座部分，其外形尺寸（寬×高×深）為113 mm×93 mm×97 mm。其中限壓活門安裝在殼體上，密封組件安裝在基座內。殼體、基座在設計時充分考慮了工藝性能，通過五軸機床加工形成，工作液的進、出口及流道均設計在殼體內部。齒輪泵的體積小、質量輕，在整個環控設備中占用的空間小，具有很好的適裝性。

圖1 齒輪泵結構示意圖

3.1 密封組件設計

在環控系統工作過程中，齒輪泵內部壓力相對較大，因此需要考慮齒輪泵的整體密封性能，其中主動齒輪輸入軸處的密封尤為關鍵，本次齒輪泵在主動齒輪輸入軸處采用密封組件來解決這一問題。

密封組件主要由油封殼體、耐磨油封、支承椎體、O形密封圈、止動墊圈等組成。密封組件安裝在基座內，與基座之間采用雙重O形橡膠圈進行密封，這種靜密封形式起到減壓和密封的作用。主動軸與密封組件之間的動密封形式主要通過雙重耐磨油封來實現，內側油封起密封、減壓作用，外側油封進行第二重密封。密封組件的結構形式有效解決了高壓密封問題，確保了環控系統工作穩定可靠。

3.2 限壓活門設計

限壓活門又稱限壓組件，通過連通齒輪泵的進、出口腔體來調節工作液的出口壓力，保證環控系統的壓力和流量在設定范圍。限壓活門作為齒輪泵的主要組成部件，是確保整個環控系統正常工作的關鍵。

限壓活門安裝在齒輪泵殼體的連通腔內，以某環控設備為例，其具體工作原理為：當齒輪泵出口腔壓力達到上限（1.0 MPa）時，活塞桿受到的工作液壓差大于彈簧壓緊力，活塞桿往進口腔一側移動，從而使進、出口腔連通，達到限壓目的；當出口腔壓力低于上限（1.0 MPa）時, 活塞桿受到的工作液壓差小于彈簧壓緊力，活塞桿復位，隔斷旁通管路。限壓活門的具體結構如圖2所示。

4 齒輪泵主要結構的仿真分析

齒輪泵在某環控設備中工作時，會遇到供液系統超壓的惡劣工況（需考慮限壓失效情況），系統超壓可能會造成齒輪泵殼體、基座變形，齒輪傳動精度下降，密封性能變差等情況，嚴重影響設備的使用壽命[3]。因此，在結構設計時需要利用ANSYS Workbench分析軟件對系統超壓現象進行模擬仿真，判定是否對齒輪泵結構件產生影響。

圖2 限壓活門結構示意圖

在NX10.0三維設計軟件中對齒輪泵的殼體、基座及內部零件進行建模、裝配，然后將裝配模型導入分析軟件ANSYS Workbench中進行有限元分析。根據實際工作狀態仿真分析，根據仿真結果對三維模型進行優化設計，確保該設計符合實際使用要求，提高加工及裝配精度。

齒輪泵的殼體、基座是齒輪泵裝配的基礎，其結構剛性的優劣對整個齒輪泵的影響最大，同時也是系統超壓時最易受影響的結構件，因此通過有限元分析軟件對齒輪泵殼體、基座進行了應力、應變分析。齒輪泵殼體、基座的材料性能如表3所示。

表3 齒輪泵殼體、基座材料的性能參數

首先，對齒輪泵的殼體、基座有限元模型進行網格劃分，在保證運算有效的前提下，網格的單元及節點數盡可能密集。然后，根據實際安裝條件對齒輪泵整體施加約束，螺栓連接按照固定約束處理，殼體的進、出液口均進行固定約束，在齒輪泵殼體、基座內部施加1 MPa的表壓，進行仿真計算。

經ANSYS Workbench軟件分析，在整個齒輪泵殼體零件耐壓1 MPa（表壓），安全系數1.5的條件下，殼體最大應力值為6.28 MPa（如圖3），遠小于該材料的許用應力，在超壓狀態下滿足設計要求。殼體最大變形量為0.049 mm（如圖4），也遠小于該材料的許用變形量，不會造成零件配合問題，同樣滿足要求。

圖3 齒輪泵殼體應力云圖

圖4 齒輪泵殼體應變云圖

經ANSYS Workbench軟件分析，在整個齒輪泵殼體零件耐壓1 MPa（表壓），安全系數1.5的條件下，基座最大應力值為2.25 MPa（如圖5），遠小于該材料的許用應力，在高壓狀態下滿足設計要求。殼體最大變形量為0.003 mm（如圖6），也遠小于該材料的許用變形量，不會造成零件配合問題，同樣滿足要求。

圖5 齒輪泵基座應力云圖

圖6 齒輪泵基座應變云圖

5 結 論

本設計采用少齒數、變位齒輪實現體積微小型化，精度及工藝性好；通過密封組件實現泵體的雙重密封，提高了齒輪泵在高速轉動過程中的密封效果；另外，在齒輪泵體的進、出口腔之間設置限壓活門來控制壓差，實現系統工作液回路的自保護。本設計有效保證了齒輪泵工作的穩定性，進而提高了整個環控系統的可靠性，對該領域相關泵體的設計提供了重要的設計參考。