齒輪泵無徑向力新結構的研究與分析??

李玉龍 孫付春 鐘 飛

(①宿遷學院機電工程學院，江蘇宿遷223800；②成都大學機械工程學院，四川成都610160)

外嚙合齒輪泵(簡稱齒輪泵)是一種用于泵送工作油液的動力泵,有著極其廣泛的應用.但由其結構所決定的徑向力不平衡,極大影響著泵的工作性能和軸承壽命[1].液壓力、嚙合力和困油力是造成徑向力不平衡的三大主要原因.其中,排油壓力越大,液壓力與嚙合力的合力(簡稱壓嚙力)越大[2]；轉速越高,困油壓力導致的困油力越大[3].雖然結構上的吸油側兩齒密封排油導槽能有效減小壓嚙力[4],創新卸荷槽能有效減小困油壓力[5]；但仍不能滿足泵的高壓化、高速化的進一步發展要求[6].無徑向力或徑向力極小化仍是目前的創新方向.鑒于此,針對采用滑動軸承與浮動側板的中、高壓齒輪泵,提出一款雙靜壓平衡槽+牙形卸荷槽的無徑向力新結構.

1 實現方案和實施結構

為實現泵“軸承-軸頸”滑動副上的載荷Fbg≈0目的,則要求作用在軸頸的由壓嚙力Fpn、困油力Ftp、平衡力Fb三部分組成的徑向力Fr≈0,如圖1所示.其中,排油導槽能實現壓嚙力的初始最小化,即Fpn↓；牙形卸荷槽能實現近似的無困油現象,即Ftp≈0；兩者的結合大大減輕了平衡槽所需的平衡負荷Fb,從而也決定了平衡槽在徑向力方向上的最小投影面積.

常規泵的“軸徑＝根徑-齒輪幅寬”和泵輕量化設計控制了軸徑與軸寬的上限[7],而軸徑、軸寬確又限制了平衡槽最小投影面積的設計空間,為此,采用三段式的“軸徑＝齒輪根徑+0.5齒頂間隙”的大軸頸結構,通過加大軸徑達成減小軸寬的目的.

無徑向力的三段式實施結構,如圖2所示.與常規泵相比,該結構由2×浮動側板1、主前軸2、主輪3、2×鍵4、2×后軸5、2×緊固螺栓6、從輪7、從前軸8,共12個部件組成.

特點在于由主前軸、主輪、后軸,從前軸、從輪、后軸,彼此間均用鍵和緊固螺栓緊緊地固定在一起,從而形成主、從動組合輪-軸；緊固螺栓的螺紋方向與齒輪的旋轉方向相反,致使主、從動組合動輪-軸的工作自鎖；與齒輪端面貼合的浮動側板內側面上,開有吸油側兩齒密封的排油引導槽和軸孔位置上的牙形卸荷槽；浮動側板的兩軸孔內分別開有一對靜壓平衡槽,即吸油側的排油高壓槽和排油側的吸油低壓槽,且槽寬對稱分布在浮動側板的厚度方向上.

2 平衡槽的形位尺寸

由于從輪上的壓嚙力、困油力大于主輪上的[8],故采用從輪上的壓嚙力作為計算依據.

如困油卸荷充分,即在相對于吸、排油壓力的困油壓力峰值的變化值很小時,Ftp≈0,可以忽略不計.文獻[9]對此給出了詳細的Fpn計算式,且嚙合力Fn比液壓力Fp的值小許多,即Fpn的大小主要由Fp決定.因此,Fpn方向基本不隨排油壓力的變化而變化,大小基本與排、吸壓差成線性關系.

實施例的原始參數取排油壓力po＝3 MPa,吸油壓力pi＝0.1 MPa,額定轉速3 000 r/min；模數m＝3 mm,齒數10,齒頂高系數1.16,頂隙系數c?＝0.25,壓力角20°,變位系數0.493,齒寬15 mm,軸長18 mm.經計算,根圓半徑rf＝12.26 mm. 取吸油區圓心角αi＝30°,兩齒密封過渡區的圓心角為αg＝72°,如圖3所示.

以從輪心o2為原點,輪中心線方向為y軸,排油方向為x軸,構建xo2y坐標系.由[9]:

式中:Fpx、Fpy為 Fp的 x、y 軸分量；Fnx、Fny為 Fn的 x、y軸分量.得:

式中:αpn為Fpn反方向與x軸間的夾角.

雙靜壓平衡槽的結構,如圖3所示.其中,槽寬為bb,槽弧半徑取 rb＝15 mm,輪心角取 αb＝60°,且槽弧圓心位于壓嚙力方向上.

則,從輪兩端的總靜壓平衡力Fb為:

式中:rz＝rf+0.5mc?＝12.26+0.5×3×0.25＝12.6 mm為大軸半徑.

由 Fb＝Fpn,得:

且由:

說明槽弧半徑rb＝15 mm的取值合理.

3 卸荷槽的形位尺寸

基于常規對稱雙卸荷槽的設計準則[10],雙對稱牙形卸荷槽,如圖4所示.其中,牙端圓弧半徑1.5 mm,牙端輪心角60°,近中心線側的牙端弧在最小困油容積位置與齒廓的過渡曲線段相切,牙內半徑比軸半徑rz小 1.25 mm,即為 12.6-1.25＝11.35 mm.

以偏向主輪側的困油區為例,設主輪工作輪廓上嚙合點處的曲率半徑為s.且設s1為困油容積剛剛形成時的s,s2為圖4所示的最小困油容積位置時的s,s3為困油容積剛剛脫開時的s.其中:

式中:L為嚙合線長度,pb為基節,εw為根切重合度[11].

4 實例的困油壓力

在[s1,s3]的一個困油周期內,采用三維模型旋轉+重疊面積測量的方法,測出的兩端總卸荷面積srf(s),如圖5所示.

困油開始(s1)和結束(s3)附近的srf曲線段具有線性特征,符合困油容積線性變化率的卸荷要求[1].

基于現有的困油模型[10,12],所仿真出的困油壓力p(s),如圖6所示.最大峰值增加率僅為(3.07-3)/3＝2.3%,可近似為無困油現象.

5 結語

(1)平衡力方向與排油方向間的夾角約46°,基本不隨排油壓力的變化而變化,平衡力大小基本與排吸壓差成線性關系.

(2)牙形卸荷槽下困油壓力的峰值增加率僅為2.3%,可近似為無困油現象.

(3)三段式的雙靜壓平衡槽結構能有效平衡掉徑向力中的壓嚙力分量,牙形卸荷槽能有效消除徑向力中的困油力分量.

(4)三段式輪軸、平衡槽和牙形卸荷槽,結構簡單、易加工.