齿轮泵有关知识

一.概述

齿轮泵是机器润滑、供油（或其它液体）系统中的一个部件。其体积小，要求传动平稳，保证供油，不能有渗漏。它也是液压系统中广泛采用的一种液压泵，一般做成定量泵。 二.齿轮泵的工作原理

当一对齿轮在泵体内做啮合传动时，啮合区前边空间的压力降低而产生局部真空，油池内的油在大气压作用下进入油泵低压区内的进油口，随着齿轮的传动，齿槽中的油不断被带至后边的出油口把油压出，从而提高油的压力，送至机器中需要润滑的部位。主动齿轮通过轴端的皮带轮与动力（如电动机）相连接，为了防止油沿主动齿轮轴外渗，用密封填料、填料压盖、螺钉组成一套密封装置。一般齿轮泵有两条装配线，一条是传动装配线，一条是从动装配线。装配线上是一对啮合齿轮，为标准直齿圆柱齿轮，其齿根圆直径与轴径相差较小，因此和轴均做成一体，叫齿轮轴。泵体与泵盖间采用毛毡纸垫密封，两零件之间采用两销钉定位，以便安装。

泵的流量直接与泵的转速有关。 实际上，在泵内有很少量的流体损失，这使泵的运行效率不能达到100％，因为这些流体被用来润滑轴承及齿轮两侧，而泵体也绝不可能无间隙配合，故不能使流体100％地从出口排出，所以少量的流体损失是必然的。然而泵还是可以良好地运行，对大多数挤出物料来说，仍可以达到93％～98％的效率。

三．齿轮泵的分类

按结构不同,齿轮泵分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵,而以外啮合齿轮泵应用最广。下面分别以内、外啮合齿轮泵为例来剖析齿轮泵。

1.外啮合齿轮泵

齿轮泵工作原理很简单，外齿轮泵就是一个主动轮一个从动轮，两个齿轮参数相同，在一个泵体内做旋转运动。在这个壳体内部形成类似一个“8”字形的工作区，齿轮的外径和两侧都与壳体紧密配合，传送介质从进油口进入，随着齿轮的旋转沿壳体运动，最后从出油口排出，最后将介质的压力转化成机械能进行做功。以下是四张为外啮合齿轮泵工作原理图：

CB—B齿轮泵的结构如图3-4所示，当泵的主动齿轮按图示箭头方向旋转时，齿轮泵右侧（吸油腔）齿轮脱开啮合，齿轮的轮齿退出齿间，使密封容积增大，形成局部真空，油箱中的油液在外界大气压的作用下，经吸油管路、吸油腔进入齿间。随着齿轮的旋转，吸入齿间的油液被带到另一侧，进入压油腔。这时轮齿进入啮合，使密封容积逐渐减小，齿轮间部分的油液被挤出，形成了齿轮泵的压油过程。齿轮啮合时齿向接触线把吸油腔和压油腔分开，起配油作用。当齿轮泵的主动齿轮由电动机带动不断旋转时，轮齿脱开啮合的一侧，由于密封容积变大则不断从油箱中吸油，轮齿进入啮合的一侧，由于密封容积减小则不断地排油，这就是齿轮泵的工作原理。泵的前后盖和泵体由两个定位销17定位，用6只螺钉固紧如图3-3。为了保证齿轮能灵活地转动，同时又要保证泄露最小，在齿轮端面和泵盖之间应有适当间隙（轴向间隙），对小流量泵轴向间隙为0.025~0.04mm，大流量泵为0.04~0.06mm。齿顶和泵体内表面间的间隙（径向间隙），由于密封带长，同时齿顶线速度形成的剪切流动又和油液泄露方向相反，故对泄露的影响较小，这里要考虑的问题是：当齿轮受到不平衡的径向力后，应避免齿顶和泵体内壁相碰，所以径向间隙就可稍大，一般取0.13~0.16mm。

为了防止压力油从泵体和泵盖间泄露到泵外，并减小压紧螺钉的拉力，在泵体两侧的端面上开有油封卸荷槽16，使渗入泵体和泵盖间的压力油引入吸油腔。在泵盖和从动轴上的小孔，其作用将泄露到轴承端部的压力油也引到泵的吸油腔去，防止油液外溢，同时也润滑了滚针轴承。

图3-4 CB—B齿轮泵的结构

1-轴承外环 2-堵头 3-滚子 4-后泵盖 5-键 6-齿轮 7-泵体8-前泵盖 9-螺钉 10-压环

11-密封环 12-主动轴 13-键 14-泻油孔15-从动轴 16-泻油槽 17-定位销

2.内啮合齿轮泵

内啮合齿轮泵的工作原理也是利用齿间密封容积的变化来实现吸油压油的。图3-9所示是内啮合齿轮泵的工作原理图。它是由配油盘(前、后盖)、外转子(从动轮)和偏心安置在泵体内的内转子(主动轮)等组成。内、外转子相差一齿,图中内转子为六齿,外转子为七齿,由于内外转子是多齿啮合,这就形成了若干密封容积。当内转子围绕中心O1旋转时,带动外转子绕外转子中心O2作同向旋转。这时,由内转子齿顶A1和外转子齿谷A2间形成的密封容积C(图中阴线部分),随着转子的转动密封容积就逐渐扩大,于是就形成局部真空,油液从配油窗口b被吸入密封腔,至A1′、A2′位置时封闭容积最大,这时吸油完毕。当转子继续旋转时,充满油液的密封容积便逐渐减小,油液受挤压,于是通过另一配油窗口a将油排出,至内转子的另一齿全部和外转子的齿凹A2全部啮合时,压油完毕,内转子每转一周,由内转子齿顶和外转子齿谷所构成的每个密封容积,完成吸、压油各一次,当内转子连续转动时,即完成了液压 泵的吸排油工作。

内啮合齿轮泵的外转子齿形是圆弧,内转子齿形为短幅外摆线的等距线,故又称为内啮合摆线齿轮泵,也叫转子泵。

内啮合齿轮泵有许多优点,如结构紧凑,体积小,零件少,转速可高达10000r/mim,运动平稳,噪声低,容积效率较高等。缺点是流量脉动大,转子的制造工艺复杂等,目前已采用粉末冶金压制成型。随着工业技术的发展,摆线齿轮泵的应用将会愈来愈广泛内啮合齿轮泵可正、反转,可作液压马达用。

图3-9内啮合齿轮泵的工作原理图 图3-10 内啮合式齿轮泵实物

四.齿轮泵存在的问题 1.齿轮泵的困油问题

齿轮泵要能连续地供油,就要求齿轮啮合的重叠系数ε大于1,也就是当一对齿轮尚未脱开啮合时,另一对齿轮已进入啮合,这样,就出现同时有两对齿轮啮合的瞬间,在两对齿轮的齿向啮合线之间形成了一个封闭容积,一部分油液也就被困在这一封闭容积中〔见图3-5(a)〕,齿轮连续旋转时,这一封闭容积便逐渐减小,到两啮合点处于节点两侧的对称位置时〔见图3-5(b)〕,封闭容积为最小,齿轮再继续转动时,封闭容积又逐渐增大,直到图3-5(c)所示位置时,容积又变为最大。在封闭容积减小时,被困油液受到挤压,压力急剧上升,使轴承上突然受到很大的冲击载荷,使泵剧烈振动,这时高压油从一切可能泄漏的缝隙中挤出,造成功率损失,使油液发热等。当封闭容积增大时,由于没有油液补充,因此形成局部真空,使原来溶解于油液中的空气分离出来,形成了气泡,油液中产生气泡后,会引起噪声、气蚀等一系列恶果。以上情况就是齿轮泵的困油现象。这种困油现象极为严重地影响着泵的工作平稳性和使用寿命。

图3-5齿轮泵的困油现象

为了消除困油现象,在CB—B型齿轮泵的泵盖上铣出两个困油卸荷凹槽,其几何关系如图3-6所示。卸荷槽的位置应该使困油腔由大变小时,能通过卸荷槽与压油腔相通,而当困油腔由小变大时,能通过另一卸荷槽与吸油腔相通。两卸荷槽之间的距离为a,必须保证在任何时候都不能使压油腔和吸油腔互通。

按上述对称开的卸荷槽,当困油封闭腔由大变至最小时(图3-6),由于油液不易从即将关闭的缝隙中挤出,故封闭油压仍将高于压油腔压力;齿轮继续转动，当封闭腔和吸油腔相通的瞬间,高压油又突然和吸油腔的低压油相接触,会引起冲击和噪声。于是CB—B型齿轮泵将卸荷槽的位置整个向吸油腔侧平移了一个距离。这时封闭腔只有在由小变至最大时才和压油腔断开,油压没有突变,封闭腔和吸油腔接通时,封闭腔不会出现真空也没有压力冲击,这样改进后,使齿轮泵的振动和噪声得到了进一步改善。

图3-6齿轮泵的困油卸荷槽图 图3-7齿轮泵的径向不平衡力

2、齿轮泵的径向不平衡力

齿轮泵工作时,在齿轮和轴承上承受径向液压力的作用。如图3-7所示,泵的右侧为吸油腔,左侧为压油腔。在压油腔内有液压力作用于齿轮上,沿着齿顶的泄漏油,具有大小不等的压力,就是齿轮和轴承受到的径向不平衡力。液压力越高,这个不平衡力就越大,其结果不仅加速了轴承的磨损,降低了轴承的寿命,甚至使轴变形,造成齿顶和泵体内壁的摩擦等。为了解决径向力不平衡问题,在有些齿轮泵上,采用开压力平衡槽的办法来消除径向不平衡力,但这将使泄漏增大,容积效率降低等。CB—B型齿轮泵则采用缩小压油腔,以减少液压力对齿顶部分的作用面积来减小径向不平衡力,所以泵的压油口孔径比吸油口孔径要小。

五、齿轮泵的流量计算

齿轮泵的排量V相当于一对齿轮所有齿谷容积之和,假如齿谷容积大致等于轮齿的体积,那么齿轮泵的排量等于一个齿轮的齿谷容积和轮齿容积体积的总和,即相当于以有效齿高(h=2m)和齿宽构成的平面所扫过的环形体积,即：

VDhB2zmB (3-10)

式中：D为齿轮分度圆直径，D=mz(cm);h为有效齿高,h=2m(cm)；B为齿轮宽(cm);m为齿轮模数(cm)；z为齿数。

实际上齿谷的容积要比轮齿的体积稍大,故上式中的π常以3.33代替,则式(3-10)可写成：

2 V6.66zmB (3-11)

齿轮泵的流量q(1/min)为：

23q6.66zmBn10v (3-12)

2式中：n为齿轮泵转速(rpm);ηv为齿轮泵的容积效率。

实际上齿轮泵的输油量是有脉动的,故式(3-12)所表示的是泵的平均输油量。 从上面公式可以看出流量和几个主要参数的关系为: (1)输油量与齿轮模数m的平方成正比。

(2)在泵的体积一定时,齿数少，模数就大,故输油量增加,但流量脉动大;齿数增加时，模数就小,输油量减少,流量脉动也小。用于机床上的低压齿轮泵,取z=13～19,而中高压齿轮泵,取z=6～14,齿数z＜14时,要进行修正。

(3)输油量和齿宽B、转速n成正比。一般齿宽B=(6～10)m;转速n为750r/min：1000 r/min、1500r/min,转速过高，会造成吸油不足,转速过低，泵也不能正常工作。一般齿轮的最大圆周速度不应大于5～6m/s。

六、高压齿轮泵

上述齿轮泵由于泄漏大(主要是端面泄漏,约占总泄漏量的70%～80%),且存在径向不平衡力,故压力不易提高。高压齿轮泵主要是针对上述问题采取了一些措施,如尽量减小径向不平衡力和提高轴与轴承的刚度;对泄漏量最大处的端面间隙,采用了自动补偿装置等。下面对端面间隙的补偿装置作简单介绍。

1.浮动轴套式

图3-8(a)是浮动轴套式的间隙补偿装置。它利用泵的出口压力油,引入齿轮轴上的浮动轴套1的外侧A腔,在液体压力作用下,使轴套紧贴齿轮3的侧面,因而可以消除间隙并可补偿齿轮侧面和轴套间的磨损量。在泵起动时,靠弹簧4来产生预紧力, 保证了轴向间隙的密封。

图3-8端面间隙补偿装置示意图

2.浮动侧板式

浮动侧板式补偿装置的工作原理与浮动轴套式基本相似,它也是利用泵的出口压力油引到浮动侧板1的背面〔见图3-8(b)〕,使之紧贴于齿轮2的端面来补偿间隙。起动时,浮动侧板靠密封圈来产生预紧力。

3.挠性侧板式

图3-8(c)是挠性侧板式间隙补偿装置,它是利用泵的出口压力油引到侧板的背面后,靠侧板自身的变形来补偿端面间隙的,侧板的厚度较薄,内侧面要耐磨(如烧结有0.5～0.7mm的磷青铜),这种结构采取一定措施后,易使侧板外侧面的压力分布大体上和齿轮侧面的压力分布相适应。

七、齿轮泵的装配示意图

下面给出齿轮泵的装配示意图，见图3-2，可供参考。

图3-2 齿轮泵装配示意图

从表达方案、尺寸标注和技术要求三个方面对装配示意图作以下讲述。

1.确定齿轮泵装配图的表达方案

根据装配图的视图选择原则，主视图采用其工作位置，表达方案主要采用三个视图。 主视图采用外形，重点表达齿轮泵各零件的结构外形及进油口和出油口位置。对泵体底板上的安装孔，可采用局部剖视来表达。

俯视图采用沿装配轴线剖开的画法，将内部的装配关系以及零件之间的相互位置清晰地表达出来，同时也表达出齿轮的啮合情况、密封填料及压盖与泵体间的连接关系、皮带轮与轴通过键连接的情况。此外，还能表达出泵体安装底板上孔的分布情况。

左视图（或右视图）沿结合面剖切，表达齿轮啮合及齿顶圆与泵体内腔配合情况。同时还可表达出连接泵体与泵盖的螺钉分布位置和定位销的位置。对泵体上进油口和出油口的结构，可采用局部剖视来表达。

另外，还可用局部视图表达出泵体上凸台的形状。

建议用A2图幅，1：1比例绘制。图3-4为齿轮泵装配图，可参考。

图3-3 齿轮泵装配图

2.齿轮泵装配图上应注的尺寸

装配图上应考虑注出以下五类尺寸：

（1）性能规格尺寸 两轴线中心距 ±0.08 进出口螺孔尺寸 G

（2）装配尺寸 齿轮轴与泵体、泵盖孔 φ H8/f7 齿轮齿顶圆与泵体内腔 φ H8/f7 齿轮轴与皮带轮孔 φ H7/k6 （3）外形尺寸 长： 宽：两轴端距

高：通过计算或从图中量取

（4）安装尺寸 孔的定位尺寸：x和y 孔径4-φ （5）其它重要尺寸 如齿轮轴高度、进油口高度等。

3.齿轮泵装配图上的技术要求

（1）用垫片调整齿轮端面与泵盖的间隙，使其在0.10±0.15范围内； （2）装配后要求转动灵活，无异常响声； （3）各连接与密封处不应有漏油现象。

八、齿轮泵的拆卸顺序

泵体和泵盖通过六个螺钉连接，拆下六个螺钉即可将泵盖取下，取下纸垫，可看到两个齿轮（连轴齿轮），此时从动齿轮就可拿下。泵体上有两个圆柱销，用于泵体和泵盖的定位，它压入泵体销孔内，不必拆出。

主动齿轮左端安装了皮带轮，拆去圆头螺母和垫圈，取下皮带轮。然后再拆去填料压盖上的两个螺钉，取出压盖和填料，即可取出主动齿轮轴。

九．泵体和齿轮轴的测绘 1.泵体的测绘

泵体是齿轮泵的主要零件，由它将齿轮轴、盖、密封结构等零件组装在一起，使它们具有正确的相互位置，从而达到所要求的运动关系和工作性能。

（1）泵体的结构特点 泵体的结构形状比较复杂，外壁有平面和不同直径的圆柱面等，内部有两个轴相互平行的孔，用于安装齿轮轴。泵体侧面有两个凸台，内有连接孔和螺孔，用于与其它零件连接。泵体与泵盖的结合面处，具有适当宽度的连接凸缘，用以保证连接件的安装和改善密封条件。

为了保证装配时的相对位置，在泵体和泵盖上有两个定位销孔，这两个销孔是泵体和泵盖安装在一起加工的，因此应注明“配作”。 （2）泵体测绘的方法

应先画出泵体的零件草图，表达方案可参考装配图的表达，然后测量尺寸，填入草图中。

测量尺寸时应注意以下几个问题：

<1>要分析确定尺寸基准 对泵体长度方向尺寸应以安装面为主要基准，结合面为辅助基准；宽度方向尺寸应以与主动齿轮轴配合孔的轴线为主要基准；高度方向尺寸与应以与主动齿轮轴配合孔的轴线为主要基准。

<2>测量的尺寸应圆整，泵体和泵盖结合面上的尺寸应一致。 <3>两轴系孔的中心距是齿轮传动的重要参数，可根据齿轮的模数和齿数计算而得，其公差带代号为Js6。

<4>螺纹连接孔的测量 六个螺钉孔与销孔分布在左右两个圆弧上，应先测出螺孔轴线分布圆弧的半径。螺孔的其它尺寸以旋入的螺钉来确定，其深度为。 <5>安装孔的测量 安装底板上有四个通孔，应测出通孔直径及两个方向上的定位尺寸。

(3)泵体的技术要求

<1>为了保证两齿轮正确的啮合，泵体上两齿轮孔轴线应有平行度要求，它们对结合面应有垂直度要求。

<2>尺寸公差要求 有关部分见装配图尺寸标注内容。

<3>表面粗糙度要求 基准面为Ra1.6，其他各主要表面可选用Ra3.2~6.3，其余选用Ra12.5，不加工表面为毛坯面。

<4>为了保证泵体加工表面的质量，各加工表面不能有气孔、砂眼等铸造缺陷。

其毛坯表面应经喷砂处理。 (4)绘制零件图时应注意问题

<1>过渡线 非加工表面的交线多为过渡线，在图中应注意予以表达，并注意小圆弧的凹向。

<2>在尺寸标注中应注意基准的选择 一个方向有一个主要基准，也可能有一个或几个辅助基准。

<3>铸造圆角 泵体为铸件，其铸造圆角R3在零件图上应表示出来。 2.齿轮轴的测绘

(1)齿轮轴的结构特点 齿轮是齿轮泵的关键零件，它的质量直接关系到齿轮泵的传动质量和工作性能。齿轮的测绘主要是根据实物，确定出原设计参数及制造时所必须的尺寸。如模数m、齿数z、齿顶圆直径等。

本课程为连轴齿轮，而轴的主要功用是支承轴上零件并传递运动和扭距，使轴系零件具有确定的位置。

轴的形状取决于轴系零件在轴上的定位或固定，轴在泵体中的定位，以及轴在加工和装配中的工艺要求。轴向尺寸主要取决于轴系零件的尺寸和性能尺寸，径向尺寸主要取决于轴的强度和刚度的要求。

(2)齿轮轴的测绘方法 分析轴上零件，轴在在泵体中的定位以及轴的结构特点，根据实物画出轴的零件草图。然后，测量尺寸填入草图。 测绘时应注意以下几个问题：

<1>齿轮两端轴上的砂轮越程槽应用局部放大图表示，右端键槽用移出断面图表示。

<2>分析确定尺寸基准 为了保证两齿轮的正确啮合，轴向尺寸应以齿轮端面为主要基准。对主动齿轮，根据结构和工艺的要求，轴两头的两个端面又为辅助基准；径向尺寸基准为其轴线。

<3>测量及确定尺寸 对于轴的测量，齿轮的测量具体方法可参照《机械制图》教材。测出的径向尺寸应与配合零件的有关尺寸相一致。

(3)齿轮轴的技术要求 根据轴的功用，应考虑在零件图上注出其技术要求。 <1>尺寸公差要求 轴与泵体配合部分可用间隙配合； 主动轴与皮带轮连接部分可用过渡配合；

齿顶圆柱与泵腔孔之间配合应留有间隙，以便转动灵活，可用间隙配合。 <2>形位公差要求 形状公差可不作要求，其位置公差要考虑：

齿轮两端轴线以及齿轮的轴线相对整体轴线应有径向圆跳动要求，建议取0.03； 齿轮两端面相对整体轴线应有垂直度要求，建议取0.05。

<3>表面粗糙度要求 主要配合表面及轮齿部分可选用Ra1.6，其它加工表面选用6.3。