2.2　齿轮泵

齿轮泵是利用一对齿轮的啮合运动来实现吸油和排油的。按照啮合的形式，可分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵。

2.2.1　外啮合齿轮泵的工作原理及结构

如图2-2所示为外啮合齿轮泵的工作原理。当齿轮泵按照箭头所示方向旋转时，右侧齿轮脱开啮合，轮齿退出齿间槽，轮齿啮合线和轮齿表面与壳体及两端盖之间围成的密封空间体积增大，形成局部真空，将油液从右侧吸油口吸入并充满齿间槽，完成吸油过程；随着齿轮不断旋转，充满齿间槽的油液被带到左侧。左侧轮齿进入啮合状态，轮齿进入齿间槽，使得轮齿啮合线和轮齿表面与壳体及两端盖之间形成的密封空间体积减小，将油液从左侧排油口排出，完成压油过程。当齿轮泵的主动齿轮由电动机带动而不断旋转时，轮齿脱开啮合的一侧不断从油箱中吸油；轮齿进入啮合的一侧不断排油，从而形成连续的吸排油过程，此即为齿轮泵的工作原理。图2-3为CB型外啮合齿轮泵实物内部结构。

如图2-4所示为CB型外啮合齿轮泵的结构和实物。一对几何参数相同的渐开线直齿圆柱齿轮6在泵体3和前端盖4、后端盖1中转动。p为排油口，o为吸油口。在泵体前后两端盖4和1上各加工有卸荷槽b，泵体与两端盖间的泄漏油经此槽流回吸油腔。b槽外围的油液压力为零，因而能减小泵体与两端盖间的液压力，降低紧固泵体与两端盖的螺栓载荷。在前端盖4和后端盖1上还开有困油卸荷槽e。孔道a、c、d可将流入轴承腔的泄漏油引入吸油腔，因此泵传动轴的旋转密封处于低压状态。该泵属于低压泵，排量不可变；因吸油口大于排油口，所以泵的转向不能改变。

外啮合齿轮泵的主要优点是结构简单，体积小，重量轻，制造方便，价格低廉，自吸性能好，对油液污染不敏感，工作可靠。其主要缺点是容积效率低，流量和压力脉动大，噪声大，排量不可调，一般做成定量泵使用。

2.2.2　外啮合齿轮泵的排量及流量计算

齿轮泵的排量V为一对齿轮所有齿间槽的容积之和。假设齿间槽容积大致等于轮齿的体积，则齿轮泵的排量等于一个齿轮的齿间槽容积和轮齿体积的总和，即相当于有效全齿高和齿宽构成的平面所扫过的环状带体积。

V=πdhb×106=2πzm2b×106　　（2-9）

式中　V——齿轮泵的排量，mL/r；

　　 　z——齿轮的齿数，个；

　　　b——齿轮的宽度，m；

　　　d——齿轮的节圆直径，d=mz，m；

　　　h——齿轮的有效齿高，h=2m，m；

　 　 m——齿轮的模数，m。

实际上，齿间槽容积比轮齿体积稍大一些，并且齿数越少误差越大。因此可以用3.33～3.50来代替π进行修正，则齿轮泵的排量及实际输出流量可表示为

　　（2-10）

式中　n——齿轮泵的转速，r/min；

　 　ηvp——齿轮泵的容积效率，其值可参见齿轮泵产品样本，无量纲；

 　　qvp——齿轮泵的实际输出流量，L/min。

2.2.3　外啮合齿轮泵的困油现象

为了保证齿轮泵能够可靠地吸、排油，必须保证吸排油腔不能串通，因此齿轮啮合的重叠系数大于1（即存在两对轮齿同时啮合的情况）。如图2-5（a）所示为前一对轮齿还没有脱离啮合点B，后一对轮齿刚进入啮合点A2的状态（图中p是节点，A1为公法线A1A2与主动齿轮齿顶圆的交点），此时两对轮齿的啮合线、齿轮表面及两端盖围成的封闭容积（亦称为闭死容积）最大；随着齿轮的转动，闭死容积逐渐变小，到了图2-5（b）所示的位置最小（图中p是节点，C为前一对齿轮的啮合点，D为后一对齿轮的啮合点，A2为公法线A1A2与从动齿轮齿顶圆的交点）；从图2-5（b）所示的位置转动到图2-5（c）所示的前一对轮齿即将脱离啮合位置的过程中（图中p是节点，A1为前一对齿轮的啮合点，E为后一对齿轮的啮合点，A1A2为公法线），封闭容积的体积又由最小变为最大，此即齿轮泵的困油现象。由于油液的可压缩性较小，当封闭容积的体积由大变小时，油液压力急剧升高；当封闭容积的体积由小变大时，油液压力急剧降低，并可能出现气穴现象；振动与噪声随即产生，并伴随着效率下降的现象。因此应该采取措施消除齿轮泵的困油现象。

通常可采用在两端盖板与齿轮端面接触一侧开卸载槽的方式（图2-5中虚线所示）来消除困油现象。开卸荷槽后，当封闭容积由大变小时，使其通过卸荷槽与排油腔相通；当封闭容积由小变大时，使其通过卸荷槽与吸油腔相通，这样可基本消除困油现象。

2.2.4　外啮合齿轮泵的径向不平衡力

如图2-6所示为外啮合齿轮圆周的压力分布情况。考虑齿顶与泵体内壁间的径向间隙泄漏，油液压力从排油腔沿齿顶到吸油腔逐步下降，沿其圆周方向，液压作用力的合力可简化为作用在齿轮轴上的总液压径向作用力Fp，如图2-6中所示。为了传递转矩，主动齿轮和从动齿轮轴上还作用着大小相等、方向相反的啮合力FT。主动齿轮和从动齿轮轴上的总径向作用力F1及F2分别是总液压径向作用力Fp与啮合力FT的合力，沿半径方向。从图2-6可知，从动齿轮的总径向合力F1比主动齿轮上的总径向合力F2大很多，且F1、F2均是指向齿轮泵吸油腔一侧。

从动齿轮在总径向力F2的作用下，其轴可能发生弯曲变形，导致从动齿轮的齿顶压向吸油腔一侧的泵体内壁，甚至与泵体内壁接触并产生刮擦，出现所谓的“扫膛”现象。“扫膛”可导致齿轮泵的局部齿顶径向间隙增大，泄漏增加，容积效率降低，还会引起振动及噪声、油液的颗粒污染、油液温度的上升，甚至缩短齿轮泵的使用寿命。通常在泵体上开压力平衡槽，将高压区的齿槽油液与吸油腔连通，将低压区的齿槽油液与压油腔连通，可以有效降低径向液压力，如图2-7所示。但这种方式同时可能会增加泄漏，降低容积效率。也可以通过减小排油口的尺寸、合理设计齿顶间隙等方法减小径向不平衡力。

2.2.5　外啮合齿轮泵的泄漏

齿轮泵的运动部件间是依靠微小间隙进行密封的，这些微小间隙从运动学上形成了摩擦副，而齿轮泵排油腔的高压油液则会通过这些微小间隙向低压力的吸油腔泄漏。

齿轮泵主要有以下三条泄漏途径。

（1）轴向间隙　齿轮端面与泵端盖之间存在着沿轴向的端面间隙，称为轴向间隙。通过轴向间隙的泄漏量最大，占齿轮泵总泄漏量的70%～80%。

（2）径向间隙　齿轮的齿顶部与泵体内壁之间沿径向的间隙称为径向间隙。通过径向间隙的泄漏量占齿轮泵总泄漏量的10%～15%。

（3）齿侧间隙　一对轮齿啮合线处存在的间隙称为齿侧间隙。通过齿侧间隙的泄漏量大约占齿轮泵总泄漏量的5%。

通过轴向间隙的泄漏量最大，为了提高齿轮泵的压力，需要对轴向间隙进行补偿。补偿方法主要包括浮动轴套法、浮动侧板法、弹性侧板法等。

如图2-8所示为采用浮动轴套法进行轴向间隙补偿的原理。两个互相啮合的齿轮由滑动轴承或滚动轴承支承。轴承套可以在齿轮泵体内进行一定程度的轴向浮动。压力油被引到轴承套外侧端面，从而形成液压压紧力F1，使得轴套压向齿轮端面。由于齿轮工作腔的液压力及齿轮与轴套端面间隙中的压力分布，从而产生液压反推力Ff。该液压反推力从齿轮端面指向轴套方向，趋于把轴套推离齿轮。通过恰当的设计，使得液压压紧力F1略大于液压反推力Ff，且液压压紧力F1与液压反推力Ff的作用线尽可能重合，以避免偏磨。该方法可以保证轴向间隙始终处于较小的范围内，泄漏量得到了有效控制。

如图2-9所示是采用弹性侧板进行端面间隙补偿的结构。其原理和浮动轴套类似，用弹性侧板代替浮动轴套。弹性侧板1和4为一侧烧结了一层磷青铜（以保证好的摩擦性能）的薄钢板。在弹性侧板的背面，密封圈5和6之间组成一个封闭的腔c，其形状考虑到齿轮端面的压力分布，使得液压压紧力的作用线尽可能与液压反推力相重合。弹性侧板上的小孔b使密封腔c和齿轮泵过渡区的压力油相通。齿轮泵过渡区的压力油沿齿轮圆周方向，从排油压力到吸油压力逐步降低。只要适当地选择小孔b的位置，便可调整密封腔c中的压力，使弹性侧板对齿轮端面的液压压紧力合适。弹性侧板在液压压紧力的作用下产生挠性变形，紧贴齿轮端面，使得齿轮的端面磨损可由弹性侧板的弹性变形自动补偿，有效控制住齿轮泵的泄漏量。

2.2.6　内啮合齿轮泵

内啮合齿轮泵的齿形分为渐开线齿形和摆线齿形两种。内啮合齿轮泵中的小齿轮是主动轮，大齿轮为从动轮，在工作时大齿轮随小齿轮同时旋转。

如图2-10所示为渐开线内啮合齿轮泵的工作原理，如图2-11所示为渐开线内啮合齿轮泵实物。小齿轮和内齿圈之间安装一块月牙隔板。小齿轮、内齿圈与月牙隔板所围成的密闭容积被轮齿啮合线分隔成两部分。当小齿轮按图示方向旋转时，轮齿脱开啮合的一侧（图2-10中吸油腔4附近区域），密闭容积增大，形成局部真空，为吸油腔；轮齿进入啮合的一侧（图2-10中排油腔5附近区域），密闭容积减小，形成局部高压，为压油腔。每转一周，由小齿轮和内齿圈与月牙隔板所围成的密闭容积完成吸油、压油各一次。当小齿轮连续转动时，完成了内啮合齿轮泵的连续吸油、压油工作。

如图2-12所示为摆线齿轮泵的工作原理，如图2-13所示为摆线齿轮泵实物。摆线齿形内啮合齿轮泵又称摆线转子泵，由配流盘（前、后盖）、外转子从动轮以及内转子主动轮等组成。该泵的内转子小齿轮和外转子内齿圈相差一个齿，因而不需要设置隔板。由于内、外转子是多齿啮合，这就形成了若干密封容积。当内转子带动外转子沿图示箭头方向同向旋转时，在右侧由内转子齿顶和外转子齿槽间以及两个端盖形成的密封容积逐渐扩大，形成局部真空，进行吸油；在左侧由内转子齿顶和外转子齿槽间以及两个端盖形成的密封容积逐渐减小，形成局部高压，进行排油。内转子每转动一周，各完成吸、压油一次，当内转子连续转动时即实现连续吸油和排油。

内啮合齿轮泵的优点包括结构紧凑、体积小、零件少、转速高达10000r/min、运动平稳、噪声低、容积效率较高等。缺点是转子的制造工艺复杂等。内啮合齿轮液压泵可正、反转，也可作液压马达。