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　外嚙合齒輪泵的結構及工作原理

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。當齒輪按圖3.5所示方向旋轉時，其右側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。隨著齒輪的旋轉，工作腔中的油液被帶入左側壓油區，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，吸油區和壓油區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一轉齒間工作腔從吸油區帶入壓油區的油液的容積的總和，其精確的計算要根據齒輪的嚙合原理來進行，計算過程比較復雜。一般情況下用近似計算來考慮，認為齒間槽的容積近似于齒輪輪齒的體積。因此，設齒輪齒數為z，節圓直徑為D，齒高為h，模數為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嚙合齒輪泵，并且隨著齒數的減少而增大，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，它會引起液壓系統的壓力脈動，從而使管道、閥等元件產生振動和噪聲，同時，也影響工作部件的運動平穩性，特別是對精密機床的液壓傳動系統更為不利。因此，在使用時要特別注意。

3.2.3　齒輪泵結構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：一是通過齒輪兩側面與兩面側蓋板之間的間隙；二是通過齒輪頂圓與泵體內孔之間的徑向間隙；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，增加對齒輪側面的壓力，以減小齒側間隙，達到減少泄漏的目的，目前不少廠家生產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，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地運轉及連續均勻地供油，在設計上就要保證齒輪嚙合的重疊系數大于1（ε>1），也就是說，齒輪泵在工作時，在嚙合區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。齒輪泵在運轉中，封閉腔的容積不斷地變化，當封閉腔容積變小時，油液受到很高的壓力，從各處縫隙擠壓出去，造成油液發熱，并使機件承受額外負載。而當封閉腔容積增大時，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象。

解決這一問題的方法是在兩側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　內嚙合齒輪泵

內嚙合齒輪泵一般又分為擺線齒輪泵（轉子泵）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。

在漸開線內嚙合齒輪泵中，小齒輪是主動輪，它帶動內齒輪旋轉。在小齒輪與內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，工作腔容積發生變化，進行吸油和壓油。在下半部，工作腔容積并不發生變化，只起過渡作用。圖3.7中所示1、2區域分別是吸油窗口與壓油窗口。

在擺線內嚙合齒輪泵中，小齒輪比內齒輪少一個齒，小齒輪與內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，工作腔在左半區（與吸油窗口1接觸）容積增大，為吸油區；而在右半區（與壓油窗口2接觸）工作腔容積減小，為壓油區。

3.2.5　齒輪泵的優缺點

外嚙合齒輪泵的優點是結構簡單、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，磨損嚴重，壓力脈動和噪聲較大。

內嚙合齒輪泵的優點是：結構緊湊、尺寸小、重量輕，由于內外齒輪轉向相同、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。

內嚙合齒輪泵的缺點是：齒形復雜，加工精度要求高，因而造價高。