直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵----技術(shù)介紹

jackcui

    隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，各種類型的齒輪泵應(yīng)用日益廣泛。由于齒輪泵的壓力脈動(dòng)比較大，很多場(chǎng)合不得不在液壓系統(tǒng)中加裝濾波器或使用昂貴的螺桿泵。因此，如何有效地減小齒輪泵的輸出壓力脈動(dòng)從而降低噪聲，以滿足現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備高速、高精度和大功率的要求，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者深入研究的課題。根據(jù)大量的研究發(fā)現(xiàn)，齒輪泵噪聲主要是壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的噪音和困油現(xiàn)象產(chǎn)生的噪音。因此，低噪聲齒輪泵的關(guān)鍵是合理的進(jìn)行嚙合過(guò)程的控制。多年以來(lái)，生產(chǎn)企業(yè)和學(xué)術(shù)界提出了多種新的齒輪泵結(jié)構(gòu)、原理和技術(shù)方案，如復(fù)合齒輪泵、非對(duì)稱齒輪泵、斜齒齒輪泵、雙模數(shù)齒輪泵及通過(guò)卸荷槽和濾波器降低脈動(dòng)和噪聲。而最為成功的是由瑞士Turninger公司首創(chuàng)的直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵，其單級(jí)泵的輸出壓力可達(dá)20Mpa，工作時(shí)噪音最小可達(dá)到53dB，在液壓行業(yè)被稱為安靜泵(Quiet Pump)。
    液壓泵是液壓系統(tǒng)的主要噪音源，而噪音總是伴隨著輸出壓力脈動(dòng)出現(xiàn)，并帶來(lái)機(jī)械振動(dòng)、液壓沖擊、氣穴等現(xiàn)象，甚至?xí)�使系統(tǒng)失穩(wěn)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在1999年就制定了液壓系統(tǒng)壓力脈動(dòng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，很多設(shè)備，如精密機(jī)床、測(cè)控裝置中的液壓系統(tǒng)對(duì)壓力脈動(dòng)及噪音都有很高的要求。
    直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵具有輸出壓力高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓力脈動(dòng)和噪音小的突出優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)D1avel公司、德國(guó)Bucher公司及日本住友精密工業(yè)公司都相繼購(gòu)買專業(yè)許可進(jìn)行生產(chǎn)，在各種液壓機(jī)械設(shè)備上使用。這種齒輪泵的核心技術(shù)是一對(duì)特殊的直線共軛內(nèi)嚙合齒輪副，外齒輪的齒廓是容易加工的直線，內(nèi)輪的齒廓是與之共軛的曲線，這種設(shè)計(jì)獨(dú)特的齒形不但曲率小，接觸強(qiáng)度高；而且不存在根切，彎曲強(qiáng)度也很高；更為可貴的是作為內(nèi)嚙合齒輪泵使用時(shí)，困油容積僅為漸開(kāi)線齒輪的十分之一，因此其壓力脈動(dòng)和噪音可以接近螺桿泵的水平。可見(jiàn)，齒形的改變對(duì)降低內(nèi)嚙合齒輪泵的噪音具有決定性的作用。
    齒輪泵的瞬態(tài)流量取決于嚙合點(diǎn)的位置，齒輪嚙合時(shí)，嚙合點(diǎn)總是在嚙合線上移動(dòng)，從這個(gè)角度分析，由于流量變化帶來(lái)的齒輪泵的壓力脈動(dòng)是不可避免的。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的嚙合分析研究發(fā)現(xiàn)，Turninger公司能將泵的壓力脈動(dòng)減小，是利用了直線共軛內(nèi)嚙合齒輪副的特殊嚙合過(guò)程，這種嚙合的最大特點(diǎn)是嚙合線及重合系數(shù)和齒頂高度的關(guān)系。
7 N1 A4 U- Q# k( R    圖1顯示的嚙合線為一段弧線，在齒頂部位向下彎曲，與常見(jiàn)的漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪有很大的差別。因此在圖2中，接近齒頂時(shí)重合系數(shù)急劇增加，說(shuō)明靠近齒頂?shù)凝X廓的嚙合時(shí)間比其他部分的齒廓要長(zhǎng)，對(duì)增加重合度作用大得多。在漸開(kāi)線齒輪泵中，嚙合線為直線，工作時(shí)嚙合點(diǎn)的徑向運(yùn)動(dòng)必然造成壓力脈動(dòng)；而直線共軛內(nèi)嚙合齒輪主要在在靠近齒頂位置嚙合，嚙合點(diǎn)的徑向位移很小，這就是其壓力脈動(dòng)小的奧妙所在！因此只要減少嚙合過(guò)程中嚙合點(diǎn)的徑向位移，就可以有效的降低輸出壓力脈動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)噪音，這應(yīng)該是低噪音齒輪泵的基本設(shè)計(jì)原理。
" ~, |; M# O3 v: P7 E) }( V5 A    為了減少壓力脈動(dòng)，盡量使嚙合過(guò)程中嚙合點(diǎn)保持位置徑向穩(wěn)定，研究低噪音齒輪泵最適合的齒廓形式。這一研究方法我們稱為：“嚙合過(guò)程設(shè)計(jì)”，將嚙合過(guò)程參數(shù)作為控制目標(biāo)反推齒輪的齒形參數(shù)。齒輪泵對(duì)嚙合過(guò)程的要求一般機(jī)械傳動(dòng)有很大的差別，因此對(duì)其嚙合理論和設(shè)計(jì)原理的研究有明顯的特殊性。
     Turninger公司QT系列泵的齒數(shù)比為13：7，1995年Turninger公司推出第五代QX系列泵，齒數(shù)比從變?yōu)?0：13，輪齒參數(shù)也作了很大變化，齒頂角從56°變?yōu)?1.6°。我們分析了兩種系列的國(guó)外樣機(jī)，令人疑惑的是，其齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)并沒(méi)有充分體現(xiàn)上述的設(shè)計(jì)原則，QT泵的重合度高達(dá)1.7，而QX泵的結(jié)構(gòu)尺寸與QT泵完全一樣，其計(jì)算重合度僅為1.01，卻在專利中提到卸荷問(wèn)題，說(shuō)明國(guó)外公司對(duì)其設(shè)計(jì)理論也沒(méi)有完全掌握，直線共軛內(nèi)嚙合不一定是最好的齒形，或者說(shuō)目前的產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)并沒(méi)有達(dá)到最佳。但是，直線共軛內(nèi)嚙合齒輪副能達(dá)到明顯降低齒輪泵噪音的事實(shí)，證明控制嚙合點(diǎn)位移是設(shè)計(jì)低噪音齒輪泵的一個(gè)有效的途徑。

   
圖1直線共軛內(nèi)嚙合齒輪副             　 圖2 重合系數(shù)和齒頂高度的關(guān)系
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* N9 b# r' W3 m6 {      從嚙合理論上分析，嚙合過(guò)程完全可以通過(guò)齒輪參數(shù)的變化來(lái)控制，但是對(duì)于一項(xiàng)帶有應(yīng)用背景的基礎(chǔ)研究，還要考慮對(duì)象的很多實(shí)際問(wèn)題。如果利用二分之一到三分之一的齒高就可以滿足重合度大于1的連續(xù)傳動(dòng)要求，如何設(shè)計(jì)和加工讓其他部分不參與嚙合將是齒廓設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。另外，刀具設(shè)計(jì)，輪齒彎曲強(qiáng)度和齒面接觸強(qiáng)度也需要加以考慮，因此，嚙合理論的研究必須是綜合性的系統(tǒng)研究。
長(zhǎng)期以來(lái)，齒輪泵嚙合過(guò)程的特殊性一直沒(méi)有得到應(yīng)有的重視，人們習(xí)慣用傳動(dòng)齒輪的分析計(jì)算方法處理齒輪泵的嚙合問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)傳動(dòng)的平穩(wěn)性、良好的接觸面和潤(rùn)滑條件、高輪齒強(qiáng)度、容易達(dá)到高的精度及對(duì)中心距變化不敏感等方面，其實(shí)其中許多因素對(duì)齒輪泵的嚙合過(guò)程沒(méi)有太大的意義，相反，很多在傳動(dòng)齒輪中普遍接受的觀點(diǎn)卻需要改變，比如Stefano Negrini z在對(duì)漸開(kāi)線外嚙合齒輪泵的研究中發(fā)現(xiàn)，消除齒側(cè)間隙后（Zero Backlash），隨著困油現(xiàn)象的改善，工作噪音反而可以下降三分之一左右[4]。
      目前國(guó)內(nèi)外都沒(méi)有對(duì)低噪音內(nèi)嚙合齒輪泵嚙合過(guò)程的特殊性進(jìn)行全面研究的報(bào)道。因此，針對(duì)這樣一個(gè)特殊工況開(kāi)展嚙合理論研究，分析其嚙合過(guò)程的特殊性，有較大的理論創(chuàng)新價(jià)值。另一方面，隨著現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用的日益普及，特殊齒形的加工成本明顯下降，漸開(kāi)線齒輪一統(tǒng)天下的局面會(huì)逐漸發(fā)生變化，特別是在齒輪泵等非傳動(dòng)用途領(lǐng)域，齒輪參數(shù)的設(shè)計(jì)可以有更大的靈活性。“嚙合過(guò)程設(shè)計(jì)”這一全新的設(shè)計(jì)理念，不但是低噪音內(nèi)嚙合齒輪泵設(shè)計(jì)的一個(gè)有效手段，而且對(duì)各種工作要求下的齒輪副研究都具有的潛在的影響。
     隨著液壓技術(shù)的推廣應(yīng)用，對(duì)液壓系統(tǒng)的噪聲和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性要求也日益提高。因此，以直線共軛內(nèi)嚙合為代表的低噪音內(nèi)嚙合齒輪泵是一種很有發(fā)展前途的齒輪嚙合形式。目前上海航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠等國(guó)內(nèi)企業(yè)也開(kāi)始小批量仿制生產(chǎn)。但由于國(guó)外公司的技術(shù)壟斷，對(duì)低噪音內(nèi)嚙合齒輪泵缺乏系統(tǒng)的分析研究和完善的設(shè)計(jì)理論，產(chǎn)品容積效率、輸出壓力等參數(shù)和性能穩(wěn)定性方面與國(guó)外產(chǎn)品有很大的差距。因此，對(duì)低噪音內(nèi)嚙合齒輪泵嚙合理論的研究，對(duì)提高我國(guó)液壓泵技術(shù)水平也將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

jackcui

     直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵，國(guó)內(nèi)產(chǎn)生的不多，主要進(jìn)口。目前在注塑機(jī)行業(yè)、伺服液壓系統(tǒng)中廣泛使用。但相關(guān)的設(shè)計(jì)理論不多見(jiàn)，故在此發(fā)帖，拋磚引玉、拋磚引玉。。。

易曉剛1986

學(xué)習(xí)  學(xué)習(xí)  由此想到中國(guó)的機(jī)械工業(yè)水平和世界的差距，更聯(lián)想到航空航天業(yè)，關(guān)鍵還是依賴進(jìn)口！！！

sunzheng5252

復(fù)制下了 謝謝樓主      

zhuxiaohua

) q! y( s* F$ `/ f: n( r
我來(lái)說(shuō)兩句：
' ?# L. ]8 ?8 K5 ^5 A9 t1 e1.這種直線哦共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的確噪聲小，壓力脈動(dòng)小，所以在名詞上叫做安靜泵（queit），塑料機(jī)械上用作動(dòng)力源，它需要伺服電機(jī)來(lái)帶動(dòng)，來(lái)作為一個(gè)節(jié)能動(dòng)力單元，在注塑產(chǎn)品需要長(zhǎng)時(shí)間的保壓時(shí)，一般這個(gè)節(jié)能單元比變量泵還要節(jié)能。其次在泵的出口裝上一個(gè)壓力傳感器就可以做成整個(gè)液壓系統(tǒng)壓力閉環(huán)控制，再其次伺服異步電機(jī)本來(lái)要比異步電機(jī)節(jié)能，而且通過(guò)伺服電機(jī)自帶編碼器可以做到流量半閉環(huán)。
' k; r, p4 ?7 I' i; C2.國(guó)內(nèi)做這種泵的不多，日本住友做的就是這種泵，需要高壓就把兩個(gè)泵串聯(lián)在一起。
3.德國(guó)有幾家他們做的內(nèi)嚙合齒輪泵的齒形是漸開(kāi)線的，齒形需要變位，而且齒頂需要修正，吸油和出油開(kāi)在內(nèi)齒輪的外圈上，這樣困油基本上沒(méi)有了，其次這種泵在徑向和軸向都有自動(dòng)補(bǔ)償，所以能起到高壓，轉(zhuǎn)速能達(dá)到3000rpm，這種漸開(kāi)線型內(nèi)嚙合齒輪泵主要在零件加工難度上，材料，熱處理，等方面，國(guó)內(nèi)寧波華液在開(kāi)發(fā)這種泵。也有好多這樣泵用機(jī)械上做節(jié)能單元。
繼續(xù)關(guān)注，請(qǐng)大家補(bǔ)償，別像上次此貼成為說(shuō)教貼了，呵呵，關(guān)注技術(shù)才是主要的。

malu121

了解了解......

xtw77wh

這么高級(jí)
9 i5 n' e' y, \2 k( L9 Z4 I可惜 這個(gè)直線式內(nèi)嚙合齒輪泵的,單極壓力為什么沒(méi)有漸開(kāi)線式的壓力高呢

chidiandong

謝謝樓主的介紹，以后可能會(huì)利用到這種泵。

201092022

謝謝樓主，謝謝zhuxiaohua

zbjghl

這種齒輪間隙如何放。