一種實現恒流功能的齒輪泵

郭帥

（徐州科源液壓股份有限公司，江蘇徐州 221116）

0 引言

眾所周知，汽車轉向助力泵的作用是減輕司機操作強度、提高整車的操控性能、確保轉向安全及保障車輛在行駛過程中駕駛員的轉向手感，因此在正常行駛時汽車轉向器動力系統工作流量保持穩定，不隨發動機轉速的變化而變化。如果出現轉向系統的液壓油流量隨發動機的轉速提高而流量增大，會導致轉向過于靈敏，從而導致轉向盤發飄的現象[1]。

齒輪泵作為液壓系統中的能量轉換裝置，其作用是將機械能轉換成流體能，以驅動液壓系統中的各執行元件，使得各執行元件按設計要求實現各自的功能。然而，我們知道齒輪泵泵體內是由1對相同模數、相同齒數的齒輪組成，當齒輪不斷旋轉時，吸油腔不斷吸油，壓油腔不斷壓油。也就是說齒輪泵的齒輪旋轉旋轉一周所排出的油液體積是一定的。即齒輪泵是定量泵，排量不可調整，流量隨原動機轉速的增加而線性增加[2]。因此傳統結構齒輪泵流量會隨發動機轉速的變化而變化，不具有恒流功能，運用到汽車轉向系統會出現轉向系統的流量隨發動機的轉速提高而流量增大，進而導致轉向過于靈敏的現象發生。為了避免出現這種情況，我們設計出了具有恒流功能的齒輪泵，該齒輪泵在限制轉速內油泵的流量隨發動機轉速的提高而增大，但是在限制速度以上油泵的流量隨發動機的轉速增加而不明顯增長。齒輪泵的該工作特性是齒輪泵中的流量控制閥自動起作用形成的。

1 傳統齒輪泵的工作原理

傳統的齒輪泵泵體齒輪的2個端面靠浮動側板密封。泵體、浮動側板和齒輪的各齒槽組成了密封的容積。兩齒輪沿齒寬方向的嚙合線把密閉容積分成吸油腔和壓油腔兩部分，且在吸油和壓油過程中彼此互不相通。當齒輪按圖1中箭頭方向旋轉，右側油腔由于輪齒逐漸脫開，使右側密封容積增大，形成局部真空，油壓在大氣壓的作用下，從油箱經過油管被吸到右邊油腔，充滿齒槽，隨著齒輪的旋轉被帶到左邊。再看左側的油腔，由于齒輪逐漸進入嚙合，使左側密封的容積逐漸減小，齒槽中的油液受到擠壓，從排油口排出[3]。

圖1 齒輪泵的工作原理

當齒輪不斷旋轉時，吸油腔不斷吸油，壓油腔不斷壓油。正是由于齒輪在嚙合時引起的左右腔容積大小的變化，來實現吸油和排油這一過程。

齒輪泵在排量一定的情況下，其輸出的流量和轉速成正比，即齒輪泵的流量隨發動機的轉速增加而呈線性增加。因此傳統的齒輪泵如果用在汽車轉向系統上，會出現轉向系統的流量隨發動機的轉速提高而流量增大，會導致轉向過于靈敏。

由于齒輪泵自身具有許多優點，如價格便宜、結構簡單、抗污染能力強等，基于以上原因我們設計出了具有恒流功能的齒輪泵，該齒輪泵在限制轉速內油泵的流量隨發動機轉速的提高而增大，但是在限制速度以上油泵的流量隨發動機的轉速增加而不明顯增長。

2 實現恒流功能齒輪泵的設計

為了實現汽車轉向器動力系統在正常行駛時的系統液壓油工作流量保持穩定，我們組織開發了一種結構簡單、緊湊且具有恒流功能的泵閥一體式齒輪泵[4]。

齒輪泵結構如圖2所示，閥蓋1與泵體10配合將閥套8固定在泵體10內，閥套8內設置有主閥閥芯11，主閥閥芯11內設置有小閥芯12；閥套8的內圓柱面與主閥閥芯11的外圓柱面相配合。閥套8的外圓柱面和泵體10的內圓柱面配合；閥套8外圓柱面上開的2個矩形密封槽內的O形密封圈Ⅱ7和O形密封圈Ⅲ9與泵體10的內圓柱面徑向密封。閥蓋1內壁設有內螺紋，該內螺紋與泵體10的外螺紋配合；閥蓋1內壁還開有矩形密封槽，放置O形密封圈Ⅰ6實現徑向密封。閥蓋1內端面上安裝有彈簧限位墊圈2。

圖2 恒流泵結構圖

閥套8上垂直于直徑方向開有多個圓形通透孔通道e；主閥閥芯11底部徑向開有多個圓形通孔b及階梯形圓形孔a，主閥閥芯11上垂直于直徑方向開有多個圓形通透孔通道c；小閥芯12一側開有螺旋形溝槽d，小閥芯12另一側設有外螺紋。主閥閥芯11的內圓孔柱面與小閥芯12開有螺旋形溝槽d一側的外圓柱面相配合。

齒輪泵中，彈簧座13穿過小閥芯12一側螺紋桿，使彈簧座13大端面一側與主閥閥芯11內孔端面貼合；定位銷14通過彈簧座13及主閥閥芯11上的銷孔，使彈簧座13與主閥閥芯11連為一體。彈簧座13的一端安裝有小彈簧5；調節螺母4通過小閥芯12螺紋桿一側壓在小彈簧5的另一側。彈簧座13安裝有小彈簧5的一側還裝有1個大彈簧3。

從泵腔來的壓力為P1的壓力油通過圓形通孔b后，一部分經圓形通透孔通道e孔和圓形通透孔通道g流回泵內低壓腔，一部分經節油口（即階梯形圓形孔a）到出油口供執行元件形成出油壓力P2，且P1＞P2。出油口有P2作用，還有大彈簧3的彈簧力Ft1，二者合力與主閥閥芯11左端的液壓力P1及液壓油流經溢流閥口的液動力相平衡，很顯然節流閥前后壓力差ΔP=P1-P2。當執行元件負載增大時，溢流節流閥的出油口壓力P2增大，于是作用在溢流閥芯右端的液壓力增大，主閥閥芯11原來的受力平衡受到破壞，主閥閥芯11向左移動，溢流開口圓形通透孔通道e截面積減少。隨著溢流阻力增大，導致泵高壓腔壓力P2隨之增大，溢流仍保持原來的流量，經節流后的流量也自然保持原來的流量，即彈簧位置調定后，泵出油口流量不變。

此泵溢流閥中還平行安裝1個安全閥，調整小閥芯12上的調節螺母4，調節螺母4直接作用在小彈簧5上，使小閥芯12把油口（即圓形通透孔通道c）全部封閉。此時小閥芯12左右兩端的壓力雖然相等（F左=F右），但受壓面積不等，因而左側的液壓力F1等于右側的液壓力F2和小彈簧5的力F2的合力。如果P2超過調定壓力，左側的液壓力大于右側的合力，小閥芯12向左移動，圓形通透孔通道c被打開，液壓油f經圓形通透孔通道c、圓形通透孔通道e泄掉，壓力P2又恢復到調定值，保證壓力不變。由于主閥閥芯11左右移動的距離很小，不論怎樣移動，都能確保充分溢流。

如果流量不在設定的范圍內，則更換彈簧限位墊圈2，可以多次嘗試，直至達到要求。

如果安全閥不符合要求，調節小閥芯12上的調節螺母4，直至達到要求。具體調節方法如下：如提前卸荷，則擰緊調節螺母4；如滯后卸荷，則擰松調節螺母4。

3 結語

通過以上設計把溢流節流閥巧妙地集成在齒輪泵上，實現了泵閥一體式結構，有效節省了空間；該齒輪泵在限制轉速內油泵的流量隨發動機轉速的提高而增大，但是在限制速度以上油泵的流量隨發動機的轉速增加而不明顯增長。齒輪泵的該工作特性是齒輪泵中的流量控制閥自動起作用形成的。

目前我公司生產的該泵閥一體式齒輪泵已經廣泛應用在汽車動力轉向系統的動力源；該齒輪泵結構簡單、工藝性好，實現起來比較方便，有效降低了成本。該泵已經廣泛應用于農業機械和工業車輛的液壓動力轉向系統，提供恒定流量，保證系統安全、可靠、穩定地工作。