液压元件与系统 第3版 教学课件 李壮云 3 第三章 齿轮泵及螺杆泵

1、ZW,主编,第三章,齿轮泵及螺杆泵,第一节,外啮合齿轮泵的流量及流量脉动,第二节,外啮合齿轮泵的困油现象及卸荷措施,第三节,外啮合齿轮泵高压化需要解决的主要问题,第四节,外啮合齿轮泵的设计要点,第五节,内啮合齿轮泵,第六节,螺,杆,泵,第一节,外啮合齿轮泵的流量及流量脉动,一、外啮合齿轮泵的瞬时流量,二、外啮合齿轮泵的理论排量、理论流量及流量品质,一、外啮合齿轮泵的瞬时流量,1,分析瞬时流量的意义和方法,2,外啮合齿轮泵瞬时流量的计算,1,分析瞬时流量的意义和方法,1,容积变化法。容积变化法是指利用容积变化原理分析瞬时流量的方法,例如，在某些情况下，直接根据排油腔容积的变化就可推导出理论瞬时流

2、,量的计算公式,2,能量平衡法。能量平衡法是指在不计各种损失的前提下，利用输入功率,等于输出功率的原理分析瞬时流量的方法,3,图解法。图解法是指根据容积变化原理，利用图解来分析瞬时流量的方,法,2,外啮合齿轮泵瞬时流量的计算,图,3-1,齿轮泵工作原理图,2,外啮合齿轮泵瞬时流量的计算,3-1,3-2,3-3,2,外啮合齿轮泵瞬时流量的计算,图,3-2,曲线,ABO,旋转扫过的面积,2,外啮合齿轮泵瞬时流量的计算,3-4,3-5,3-6,3-7,2,外啮合齿轮泵瞬时流量的计算,图,3-3,渐开线齿轮啮合点位置的变化,2,外啮合齿轮泵瞬时流量的计算,3-8,3-9,2,外啮合齿轮泵瞬时流量的计算

3、,图,3-4,渐开线齿轮泵的流量脉动曲线,二、外啮合齿轮泵的理论排量、理论流量及流量品,质,1,理论排量及理论流量,2,排量和流量的近似计算公式,3,流量品质,1,理论排量及理论流量,3-10,3-11,2,排量和流量的近似计算公式,3-12,3-13,3-14,3,流量品质,1,流量不均匀系数,流量不均匀系数,q,可定义为瞬时流量最大值和最小值,之差与理论流量的比值,2,流量脉动频率,f,q,流量脉动频率,f,q,是指单位时间内流量脉动的次数,1,流量不均匀系数,表,3-1,z,的关系,1,流量不均匀系数,3-15,3-16,2,流量脉动频率,f,q,3-17,3-18,第二节,外啮合齿轮泵

4、的困油现象及卸荷措施,一、困油现象,二、缷荷措施,一、困油现象,图,3-5,外啮合齿轮泵的困油现象,二、缷荷措施,图,3,6,卸荷槽尺寸计算简图,二、缷荷措施,1,双矩形卸荷槽的间距,a,2,卸荷槽宽度,c,3,卸荷槽深度,h,1,双矩形卸荷槽的间距,a,双矩形卸荷槽的间距,a,单位为,mm,图,3-6a,的计算公,式为,3-19,2,卸荷槽宽度,c,3-20,3-21,3,卸荷槽深度,h,3-22,第三节,外啮合齿轮泵高压化需要解决的主要问题,图,3-7,国产,CB,B,型低压外啮合齿轮泵结构图,1,后端盖,2,滚子轴承,3,泵体,4,前端盖,5,传动轴,6,齿轮,a,c,d,孔道,b,卸荷

5、槽,e,困油卸荷槽,第三节,外啮合齿轮泵高压化需要解决的主要问题,一、减少泄漏的措施,二、径向力的计算及减小径向力的措施,三、轴承类型及润滑,一、减少泄漏的措施,1,齿轮泵的泄漏途径,2,轴向端面间隙的自动补偿,3,顶隙泄漏的控制,1,齿轮泵的泄漏途径,1,齿轮端面和侧板间的轴向间隙,轴向间隙处的泄漏途径，除了由排油,腔经轴向间隙直接泄入吸油腔外，还可能由过渡区段齿谷根部经径向间隙,流入轴承腔内,与吸油腔相通,2,齿轮齿顶和壳体内壁间的顶隙,顶隙的泄漏量与轴向间隙的泄漏量相,比要小得多，只占总泄漏量的,15,20,这是因为齿顶圆和壳体的接触,长度大，每个轮齿分担的压降相对变小，并且齿轮旋转时在

6、齿顶间隙处造,成的剪切流动又抵消了部分压差流动,图,3-8,3,齿面啮合处,啮合点,的泄漏,由于啮合点接触不好，使高压腔和低压腔,之间密封不好而造成泄漏,图,3-8,齿轮泵顶隙的泄漏流动,a,压差流动,b,剪切流动,c,合成的泄漏流动,1,齿轮泵的泄漏途径,2,轴向端面间隙的自动补偿,1,采用弹性侧板,或称挠性侧板,的自动补偿装置,2,采用浮动轴套的轴向间隙自动补偿装置,3,液压补偿装置设计的一般原则,1,采用弹性侧板,或称挠性侧板,的自动补偿装置,图,3-9,采用弹性侧板的,CBF,E,型齿轮泵结构图,1,4,侧板,2,3,垫板,5,弓形密封圈,6,密封圈,7,密封挡圈,8,后泵,盖,9,泵

7、体,10,前泵盖,a,压力油通道,b,小孔,c,密封腔,E,滑动轴承内端面与泵盖内端面之间的距离,2,采用浮动轴套的轴向间隙自动补偿装置,图,3-10,具有偏心,8,字形补偿面浮动轴套的齿轮泵结构图,1,泵体,2,O,形密封圈,3,低压区,4,轴套,a,泄漏油孔,b,高压引油孔,c,环形槽,补偿面,3,液压补偿装置设计的一般原则,1,把压力油引至浮动轴套或浮动侧板或弹性侧板外侧，使该部件始终受到,一个与工作压力成正比的压紧力，压向相对应的齿轮端面，通过轴套滑动,或侧板弹性变形,自动补偿两者之间的轴向间隙，从而保证了两者之间的,间隙值与工作压力相适应并长期稳定,2,为了保证压紧面之间的密封要求，

8、要使压紧力略大于由齿轮端面间隙内,泄漏油所产生的反推力，使浮动轴套或浮动侧板始终在承受有剩余压紧力,的状态下工作，一般可取压紧力与反推力之比在,1.05,1.2,的范围内,3,液压压紧力合力和液压反推力合力的作用线应尽量重合，否则会产生一,个力矩，使轴套,或侧板,倾斜，不仅会加大单边间隙，增加泄漏，而且可,导致偏磨,3,顶隙泄漏的控制,图,3-11,齿轮泵顶隙的补偿,二、径向力的计算及减小径向力的措施,1,沿齿轮圆周液压力所产生的径向力,F,P,2,齿轮啮合传递转矩所产生的径向力,F,T,3,径向力的合成,4,径向力的近似计算公式,5,减小径向力的措施,1,沿齿轮圆周液压力所产生的径向力,F,

9、P,图,3-12,齿轮泵的径向液压力,a,齿轮圆周径向液压力近似分布曲线图,b,齿轮圆周液压力分布曲线展开图,1,沿齿轮圆周液压力所产生的径向力,F,P,3-23,3-24,3-25,1,沿齿轮圆周液压力所产生的径向力,F,P,3-26,3-27,2,齿轮啮合传递转矩所产生的径向力,F,T,3-28,3-29,3,径向力的合成,图,3-13,齿轮啮合示意图,3,径向力的合成,3-30,3-31,4,径向力的近似计算公式,3-32,3-33,5,减小径向力的措施,1,扩大高压区,图,3-14,2,扩大低压区,图,3-11,3,开液压平衡槽,4,减小压油口尺寸,1,扩大高压区,图,3-14,图,3

10、-14,扩大高压区的齿轮泵示意图,2,扩大低压区,图,3-11,将吸油腔扩大到接近压油腔一侧，只留,1.52,个,齿起密封作用，并在高压腔出口处设置顶隙浮,动的补偿密封块,3,开液压平衡槽,在吸油口到压油口过渡区内的端盖或轴套上,开两个液压平衡槽，离吸油口较近的平衡槽与,压油口相通，离压油口较近的平衡槽与吸油口,相通，这样能使径向力得到一定程度的平衡,4,减小压油口尺寸,使压油腔作用在齿轮上的面积减小到,1,2,个轮,齿的范围内，以减小径向力,三、轴承类型及润滑,1,轴承类型,2,轴承润滑,1,轴承类型,1,滚针轴承,滚针轴承的起动摩擦力矩小，机械效率高，承载能力大,对齿轮轴的定位精度高，能在

11、较大的温度范围内工作，抗污染能力强，因,此寿命较长,2,金属滑动轴承,这种轴承结构简单，安装方便，噪声较小，抗冲击性,能较好，价格便宜,3,塑料,青铜,金属基三层复合材料滑动轴承,它是以低碳钢,或锡青铜,不锈钢等,为基体，烧结的多孔青铜球粉为中间层以及改性或添加耐高温,耐磨损填料的聚四氟乙烯,PTFE,为表层的板材卷制而成的,4,以新型高分子材料制作的滑动轴承,它包括聚甲醛,POM,轴承、聚醚醚,酮,PEEK,轴承、聚碳酸酯,PC,轴承、氯化聚醚,CPE,轴承等,2,轴承润滑,1,利用高压泄漏油润滑,2,螺旋槽吸油式低压润滑,3,利用封闭容积缩小时向轴承脉冲供油的高压润滑,4,利用封闭容积扩大

12、及齿轮脱开啮合时形成的真空实现低压油的自吸润,滑,1,利用高压泄漏油润滑,将齿轮端面间隙的泄漏油引到轴承腔进行润滑,其缺点是：齿轮泵刚起动时，润滑不充分；泄,漏油温度较高，容易导致轴承烧伤；泄漏油中,的磨损颗粒进入轴承内，会加剧磨损,2,螺旋槽吸油式低压润滑,当轴旋转时，利用轴承孔内螺旋槽的作用将轴,承外端的油液吸入轴承，对轴承进行润滑和冷,却后，经轴承内端的大缺口流入刚脱开啮合的,轮齿根部，这种润滑方式称为螺旋吸油式低压,润滑,3,利用封闭容积缩小时向轴承脉冲供油的高压润滑,在轴套,或侧板,的内端面开小槽，封闭容积由最,大到最小的过程中，始终保持与该小槽相通,所以，对于无侧隙啮合的齿轮泵而言

13、，齿轮每,转过一齿，封闭容积中的油液通过小槽对轴承,脉冲供油两次；对于有侧隙啮合的齿轮泵而言,齿轮每转过一齿，对轴承脉冲供油一次。从而,形成一个高压脉冲润滑系统,4,利用封闭容积扩大及齿轮脱开啮合时形成的真空,实现低压油的自吸润滑,这种润滑方式的优点是：润滑油来自吸油口,油温较低，既改善了油膜的形成条件，又能通,过循环带走轴承热量，对轴承起到了良好的润,滑和冷却作用。另外，这种润滑方式与高压油,润滑相比，容积效率更高,第四节,外啮合齿轮泵的设计要点,一、齿轮泵主要参数的选择原则,二、齿轮泵的设计步骤,一、齿轮泵主要参数的选择原则,1,转速,n,2,齿数,z,及齿形修正,3,齿宽,b,及模数,m

14、,1,转速,n,表,3-2,齿轮泵齿轮节圆最大速度与油液粘度的关系,2,齿数,z,及齿形修正,1,两个齿轮的中心距为,A,m(z,1,节圆直径,d,w,m(z,1,2,齿顶圆直径,d,a,m(z+3,节圆上的齿顶高为,h=m,3,啮合角,H,的计算公式为,4,保证齿侧间隙为,0.08m(m,为模数,的变位系数,的计算公式为,5,刀具的切削深度,即全齿高,h,为,3-34,3-35,3-36,3,齿宽,b,及模数,m,3-37,3-38,3-39,3-40,二、齿轮泵的设计步骤,1,确定齿轮泵的理论设计流量,q,t,2,根据本节前面的介绍，选定齿轮泵的转速,n,齿宽系数,k,b,及齿数,z,3,

15、根据式,3-38,或式,3-40,计算齿轮模数,m,4,校验齿轮泵的流量,5,校核齿轮泵节圆线速度,v,必须使,3-41,6,确定卸荷槽形状和尺寸，详见本章第二节,7,计算齿轮各部分尺寸，包括齿顶圆直径,d,a,分度圆直径,d,齿根圆,直径,d,f,及齿宽,b,等；对于修正齿轮，还需计算中心距,A,变位系数,啮合角,H,等,8,参考有关结构对齿轮泵进行结构设计,减小径向力的结构措施,轴向端面间隙的自动补偿方案,齿轮泵的整体结构应采用三片式结构,由前泵盖、泵体和后泵盖,组成,还是两片式结构,由壳体和前泵盖组成,近年来大部分齿轮泵,采用三片式结构，因为三片式结构便于布置双向端面间隙的液压自,动补偿

16、装置；便于双出轴布置，根据需要可以与另一个齿轮泵相连,接；便于毛坯制造及机械加工,二、齿轮泵的设计步骤,二、齿轮泵的设计步骤,采用滚子轴承还是滑动轴承，详见本章第三节,齿轮和轴的结构形式一般为整体式结构，其优点是结构紧凑，装配方便,对于尺寸较大的齿轮泵，多采用分离式结构，通过键,或花键,联接，这种,结构的工艺性好，齿轮侧面加工较容易,9,材料选择,10,强度计算,11,对于齿轮马达，其设计方法和步骤与齿轮泵基本相同，但考虑到马达,工作的特殊性，如带负载起动、满足正反转、受冲击等，齿轮马达在结构,上有如下特点,因为马达要满足正反转，所以马达应具有左右对称的结构，并采用外泄,油口,二、齿轮泵的设计

17、步骤,为了改善起动性能，应尽量减小侧板的摩擦阻力，所以马达一般不宜采,用端面间隙自动补偿装置；宜采用滚针轴承,齿轮马达应尽量满足尺寸小、输出转矩脉动小等要求，因此齿轮马达的,齿数一般取,10,14,第五节,内啮合齿轮泵,一、渐开线内啮合齿轮泵,二、摆线内啮合齿轮泵,一、渐开线内啮合齿轮泵,1,工作原理,2,内啮合齿轮泵的补偿,3,内啮合齿轮泵的主要特点,图,3-15,渐开线内啮合齿轮泵工作原理图,1,小齿轮,主动轮,2,内齿环,从动轮,3,月牙形填隙隔板,4,吸油腔,5,压油腔,1,工作原理,1,工作原理,3-42,3-43,2,内啮合齿轮泵的补偿,1,内啮合齿轮泵的轴向间隙一般采用浮动侧板进

18、行补偿,2,顶隙的补偿通常是利用浮动填隙板及浮动径向支承环来实现的,3,挠性轴承,1,内啮合齿轮泵的轴向间隙一般采用浮动侧板进行,补偿,其补偿原理和结构与外啮合齿轮泵相同。但由于内,啮合齿轮泵的高压区局限在一个形状较规则的圆面,内，因而比较容易达到平衡反推力和反推力矩的要,求,2,顶隙的补偿通常是利用浮动填隙板及浮动径向支,承环来实现的,图,3-16,顶隙补偿原理,3,挠性轴承,图,3-17,挠性轴承示意图,3,内啮合齿轮泵的主要特点,1,流量脉动小,2,噪声低,3,效率高,4,主要零部件加工难度较大，成本高，价格比外啮合齿轮泵贵,二、摆线内啮合齿轮泵,图,3-18,摆线内啮合齿轮泵工作原理图,1,传动轴,2,内转子,3,压油口,4,外转子,5,吸油口,二、摆线内啮合齿轮泵,3-44,3-45,二、摆线内啮合齿轮泵,1,和同容量的其他泵相比，摆线内啮合齿轮泵的体积小、质量轻，结构简,单，主要零件少,2,由于转子尺寸小，内、外转子相对转速差小，配油口的角度范围较大,所以吸油、压油充分,3,由于一对转子是内啮合，并作同向旋转，且只相差一个齿，使得两转子,间齿廓处的相对滑动速度很小，所以运转平稳，噪声小，寿命长,第六节,螺,杆,泵,1,螺杆泵的工作原理,2,螺杆泵的排量和流量,3,螺杆泵的主要特点,1,螺杆泵的工作原理,图,3-19,三螺杆泵结构图,1,后盖,2,壳体,3