3.2　齒輪泵

齒輪泵是海洋液壓泵中最常見的一種泵，可分為外嚙合齒輪泵和內(nèi)嚙合齒輪泵兩種，無論是哪一種，都屬于定量泵。

3.2.1　外嚙合齒輪泵的結(jié)構(gòu)及工作原理

外嚙合齒輪泵一般都是三片式，主要由一對相互嚙合的齒輪、泵體及齒輪兩端的兩個端蓋所組成，其工作原理如圖3.5所示。

外嚙合齒輪泵的工作腔是齒輪上每相鄰兩個齒的齒間槽、殼體與兩端蓋之間形成的密封空間。當(dāng)齒輪按圖3.5所示方向旋轉(zhuǎn)時，其右側(cè)吸油腔的相互嚙合著的輪齒逐漸脫開，使得工作腔容積增大，形成部分真空，油箱中的油在大氣壓作用下被壓入吸油腔內(nèi)。隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)，工作腔中的油液被帶入左側(cè)壓油區(qū)，這時，由于齒輪的兩個輪齒逐漸進行嚙合，密封工作腔容積不斷減小，壓力增高，油便通過壓油口被擠壓出去。從圖3.5中可見，吸油區(qū)和壓油區(qū)是通過相互嚙合的輪齒和泵體隔開的。

3.2.2　外嚙合齒輪泵的流量計算

外嚙合齒輪泵的排量就是齒輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)齒間工作腔從吸油區(qū)帶入壓油區(qū)的油液的容積的總和，其精確的計算要根據(jù)齒輪的嚙合原理來進行，計算過程比較復(fù)雜。一般情況下用近似計算來考慮，認(rèn)為齒間槽的容積近似于齒輪輪齒的體積。因此，設(shè)齒輪齒數(shù)為z，節(jié)圓直徑為D，齒高為h，模數(shù)為m，齒寬為b，泵的排量近似計算公式為：

　　 （3.7）

但實際上，泵的齒間槽的容積要大于輪齒的體積，所以，將2π修正為6.66。齒輪泵的流量通常計算為：

　　 （3.8）

式（3.8）計算的只是齒輪泵的平均流量，實際上齒輪嚙合過程中瞬時流量是脈動的（這是因為壓油腔容積變化率是不均勻的）。設(shè)最大流量和最小流量為q_max、q_min，則流量脈動率為：

　　 （3.9）

在齒輪泵中，外嚙合齒輪泵的流量脈動率要高于內(nèi)嚙合齒輪泵，并且隨著齒數(shù)的減少而增大，最高可達20%以上。液壓泵的流量脈動對泵的正常使用有較大影響，它會引起液壓系統(tǒng)的壓力脈動，從而使管道、閥等元件產(chǎn)生振動和噪聲，同時，也影響工作部件的運動平穩(wěn)性，特別是對精密機床的液壓傳動系統(tǒng)更為不利。因此，在使用時要特別注意。

3.2.3　齒輪泵結(jié)構(gòu)中存在的問題及解決措施

（1）泄漏問題

前面講過，液壓泵在工作中其實際輸出流量比理論流量要小，主要原因是泄漏。齒輪泵從高壓腔到低壓腔的油液泄漏主要通過三個渠道：一是通過齒輪兩側(cè)面與兩面?zhèn)壬w板之間的間隙；二是通過齒輪頂圓與泵體內(nèi)孔之間的徑向間隙；三是通過齒輪嚙合處的間隙。其中，第一種間隙為主要泄漏渠道，大約占泵總泄漏量的75%～85%。正是由于這個原因，使得齒輪泵的輸出壓力上不去，影響了齒輪泵的使用范圍。所以，要解決齒輪泵輸出壓力低的問題，就要從解決端面泄漏入手。一些廠家采用在齒輪兩側(cè)面加浮動軸套或彈性擋板，將齒輪泵輸出的壓力油引到浮動軸套或彈性擋板外部，增加對齒輪側(cè)面的壓力，以減小齒側(cè)間隙，達到減少泄漏的目的，目前不少廠家生產(chǎn)的高壓齒輪泵都是采用這種措施。

（2）徑向不平衡力的問題

在齒輪泵中，作用于齒輪外圓上的壓力是不相等的，在吸油腔中壓力最低，而在壓油腔中壓力最高，在整個齒輪外圓與泵體內(nèi)孔的間隙中，壓力是不均勻的，存在著壓力的逐漸升級，因此，對齒輪的輪軸及軸承產(chǎn)生了一個徑向不平衡力。這個徑向不平衡力不僅加速了軸承的磨損，影響了它的使用壽命，還可能使齒輪軸變形，造成齒頂與泵體內(nèi)孔的摩擦，損壞泵體，使得泵不能正常工作。解決的辦法一種是可以開壓力平衡槽，將高壓油引到低壓區(qū)，但這會造成泄漏增加，影響容積效率；另一種是采用縮小壓油腔的辦法，使作用于輪齒上的壓力區(qū)域減小，從而減小徑向不平衡力。

（3）困油問題

為了使齒輪泵能夠平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)及連續(xù)均勻地供油，在設(shè)計上就要保證齒輪嚙合的重疊系數(shù)大于1（ε>1），也就是說，齒輪泵在工作時，在嚙合區(qū)有兩對齒輪同時嚙合，形成封閉的容腔，如果此時既不與吸油腔相通，又不與壓油腔相通，便使油液困在其中，如圖3.6所示。齒輪泵在運轉(zhuǎn)中，封閉腔的容積不斷地變化，當(dāng)封閉腔容積變小時，油液受到很高的壓力，從各處縫隙擠壓出去，造成油液發(fā)熱，并使機件承受額外負(fù)載。而當(dāng)封閉腔容積增大時，又會造成局部真空，使油液中溶解的氣體分離出來，并使油液本身汽化，加劇流量不均勻，兩者都會造成強烈的振動與噪聲，降低泵的容積效率，影響泵的使用壽命，這就是齒輪泵困油現(xiàn)象。

解決這一問題的方法是在兩側(cè)端蓋各銑兩個卸荷槽，如圖3.6中的雙點劃線所示。兩個卸荷槽間的距離應(yīng)保證困油空間在達到最小位置以前與壓力油腔連通，通過最小位置后與吸油腔連通，同時又要保證任何時候吸油腔與壓油腔之間不能連通，以避免泄漏，降低容積效率。

3.2.4　內(nèi)嚙合齒輪泵

內(nèi)嚙合齒輪泵一般又分為擺線齒輪泵（轉(zhuǎn)子泵）和漸開線齒輪泵兩種，如圖3.7所示，它們的工作原理和主要特點完全與外嚙合齒輪泵相同。

在漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵中，小齒輪是主動輪，它帶動內(nèi)齒輪旋轉(zhuǎn)。在小齒輪與內(nèi)齒輪之間要加一塊月牙形的隔離板，以便將吸油腔與壓油腔分開。在上半部，工作腔容積發(fā)生變化，進行吸油和壓油。在下半部，工作腔容積并不發(fā)生變化，只起過渡作用。圖3.7中所示1、2區(qū)域分別是吸油窗口與壓油窗口。

在擺線內(nèi)嚙合齒輪泵中，小齒輪比內(nèi)齒輪少一個齒，小齒輪與內(nèi)齒輪的齒廓由一對共軛曲線組成，常用的是共軛擺線，它能保證小齒輪的齒頂在工作時不脫離內(nèi)齒輪的齒廓，以保證形成封閉的工作腔。如圖3.7所示，這種泵在工作時，工作腔在左半?yún)^(qū)（與吸油窗口1接觸）容積增大，為吸油區(qū)；而在右半?yún)^(qū)（與壓油窗口2接觸）工作腔容積減小，為壓油區(qū)。

3.2.5　齒輪泵的優(yōu)缺點

外嚙合齒輪泵的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、尺寸小、制造容易、成本低、工作可靠、維護方便、自吸能力強、對油液的污染不敏感，可廣泛用于壓力要求不高的場合，如磨床、珩磨機等中低壓機床中；它的缺點是漏油較多，軸承上承受不平衡力，磨損嚴(yán)重，壓力脈動和噪聲較大。

內(nèi)嚙合齒輪泵的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕，由于內(nèi)外齒輪轉(zhuǎn)向相同、相對滑移速度小，因而磨損小、壽命長，其流量脈動率和噪聲都比外嚙合齒輪泵要小得多。

內(nèi)嚙合齒輪泵的缺點是：齒形復(fù)雜，加工精度要求高，因而造價高。