直線共軛內嚙合齒輪泵----技術介紹

jackcui

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    隨著液壓技術的發展，各種類型的齒輪泵應用日益廣泛。由于齒輪泵的壓力脈動比較大，很多場合不得不在液壓系統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從而降低噪聲，以滿足現代機械設備高速、高精度和大功率的要求，成為國內外學者深入研究的課題。根據大量的研究發現，齒輪泵噪聲主要是壓力脈動產生的噪音和困油現象產生的噪音。因此，低噪聲齒輪泵的關鍵是合理的進行嚙合過程的控制。多年以來，生產企業和學術界提出了多種新的齒輪泵結構、原理和技術方案，如復合齒輪泵、非對稱齒輪泵、斜齒齒輪泵、雙模數齒輪泵及通過卸荷槽和濾波器降低脈動和噪聲。而最為成功的是由瑞士Turninger公司首創的直線共軛內嚙合齒輪泵，其單級泵的輸出壓力可達20Mpa，工作時噪音最小可達到53dB，在液壓行業被稱為安靜泵(Quiet Pump)。
    液壓泵是液壓系統的主要噪音源，而噪音總是伴隨著輸出壓力脈動出現，并帶來機械振動、液壓沖擊、氣穴等現象，甚至會使系統失穩，國際標準化組織在1999年就制定了液壓系統壓力脈動的測試標準，很多設備，如精密機床、測控裝置中的液壓系統對壓力脈動及噪音都有很高的要求。
    直線共軛內嚙合齒輪泵具有輸出壓力高、結構簡單、壓力脈動和噪音小的突出優點，美國D1avel公司、德國Bucher公司及日本住友精密工業公司都相繼購買專業許可進行生產，在各種液壓機械設備上使用。這種齒輪泵的核心技術是一對特殊的直線共軛內嚙合齒輪副，外齒輪的齒廓是容易加工的直線，內輪的齒廓是與之共軛的曲線，這種設計獨特的齒形不但曲率小，接觸強度高；而且不存在根切，彎曲強度也很高；更為可貴的是作為內嚙合齒輪泵使用時，困油容積僅為漸開線齒輪的十分之一，因此其壓力脈動和噪音可以接近螺桿泵的水平。可見，齒形的改變對降低內嚙合齒輪泵的噪音具有決定性的作用。
1 e+ F9 U* V5 Z8 K" E- L    齒輪泵的瞬態流量取決于嚙合點的位置，齒輪嚙合時，嚙合點總是在嚙合線上移動，從這個角度分析，由于流量變化帶來的齒輪泵的壓力脈動是不可避免的。經過系統的嚙合分析研究發現，Turninger公司能將泵的壓力脈動減小，是利用了直線共軛內嚙合齒輪副的特殊嚙合過程，這種嚙合的最大特點是嚙合線及重合系數和齒頂高度的關系。
) h' H* H3 @6 E; n" s9 n8 O    圖1顯示的嚙合線為一段弧線，在齒頂部位向下彎曲，與常見的漸開線內嚙合齒輪有很大的差別。因此在圖2中，接近齒頂時重合系數急劇增加，說明靠近齒頂的齒廓的嚙合時間比其他部分的齒廓要長，對增加重合度作用大得多。在漸開線齒輪泵中，嚙合線為直線，工作時嚙合點的徑向運動必然造成壓力脈動；而直線共軛內嚙合齒輪主要在在靠近齒頂位置嚙合，嚙合點的徑向位移很小，這就是其壓力脈動小的奧妙所在！因此只要減少嚙合過程中嚙合點的徑向位移，就可以有效的降低輸出壓力脈動和運轉噪音，這應該是低噪音齒輪泵的基本設計原理。
+ u7 ^# x0 W! M1 h& P    為了減少壓力脈動，盡量使嚙合過程中嚙合點保持位置徑向穩定，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：“嚙合過程設計”，將嚙合過程參數作為控制目標反推齒輪的齒形參數。齒輪泵對嚙合過程的要求一般機械傳動有很大的差別，因此對其嚙合理論和設計原理的研究有明顯的特殊性。
- L; C& z; L, h) F) Q% ^8 K$ X     Turninger公司QT系列泵的齒數比為13：7，1995年Turninger公司推出第五代QX系列泵，齒數比從變為10：13，輪齒參數也作了很大變化，齒頂角從56°變為51.6°。我們分析了兩種系列的國外樣機，令人疑惑的是，其齒輪參數設計并沒有充分體現上述的設計原則，QT泵的重合度高達1.7，而QX泵的結構尺寸與QT泵完全一樣，其計算重合度僅為1.01，卻在專利中提到卸荷問題，說明國外公司對其設計理論也沒有完全掌握，直線共軛內嚙合不一定是最好的齒形，或者說目前的產品設計參數并沒有達到最佳。但是，直線共軛內嚙合齒輪副能達到明顯降低齒輪泵噪音的事實，證明控制嚙合點位移是設計低噪音齒輪泵的一個有效的途徑。

   
圖1直線共軛內嚙合齒輪副             　 圖2 重合系數和齒頂高度的關系

      從嚙合理論上分析，嚙合過程完全可以通過齒輪參數的變化來控制，但是對于一項帶有應用背景的基礎研究，還要考慮對象的很多實際問題。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的連續傳動要求，如何設計和加工讓其他部分不參與嚙合將是齒廓設計的關鍵問題。另外，刀具設計，輪齒彎曲強度和齒面接觸強度也需要加以考慮，因此，嚙合理論的研究必須是綜合性的系統研究。
, _% ?7 Q7 w3 q. [$ B長期以來，齒輪泵嚙合過程的特殊性一直沒有得到應有的重視，人們習慣用傳動齒輪的分析計算方法處理齒輪泵的嚙合問題，強調傳動的平穩性、良好的接觸面和潤滑條件、高輪齒強度、容易達到高的精度及對中心距變化不敏感等方面，其實其中許多因素對齒輪泵的嚙合過程沒有太大的意義，相反，很多在傳動齒輪中普遍接受的觀點卻需要改變，比如Stefano Negrini z在對漸開線外嚙合齒輪泵的研究中發現，消除齒側間隙后（Zero Backlash），隨著困油現象的改善，工作噪音反而可以下降三分之一左右[4]。
( |* T, H8 G5 Q      目前國內外都沒有對低噪音內嚙合齒輪泵嚙合過程的特殊性進行全面研究的報道。因此，針對這樣一個特殊工況開展嚙合理論研究，分析其嚙合過程的特殊性，有較大的理論創新價值。另一方面，隨著現代數控加工技術應用的日益普及，特殊齒形的加工成本明顯下降，漸開線齒輪一統天下的局面會逐漸發生變化，特別是在齒輪泵等非傳動用途領域，齒輪參數的設計可以有更大的靈活性。“嚙合過程設計”這一全新的設計理念，不但是低噪音內嚙合齒輪泵設計的一個有效手段，而且對各種工作要求下的齒輪副研究都具有的潛在的影響。
     隨著液壓技術的推廣應用，對液壓系統的噪聲和動態穩定性要求也日益提高。因此，以直線共軛內嚙合為代表的低噪音內嚙合齒輪泵是一種很有發展前途的齒輪嚙合形式。目前上海航空發動機廠等國內企業也開始小批量仿制生產。但由于國外公司的技術壟斷，對低噪音內嚙合齒輪泵缺乏系統的分析研究和完善的設計理論，產品容積效率、輸出壓力等參數和性能穩定性方面與國外產品有很大的差距。因此，對低噪音內嚙合齒輪泵嚙合理論的研究，對提高我國液壓泵技術水平也將產生較大的經濟和社會效益。
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jackcui

     直線共軛內嚙合齒輪泵，國內產生的不多，主要進口。目前在注塑機行業、伺服液壓系統中廣泛使用。但相關的設計理論不多見，故在此發帖，拋磚引玉、拋磚引玉。。。

易曉剛1986

學習  學習  由此想到中國的機械工業水平和世界的差距，更聯想到航空航天業，關鍵還是依賴進口！！！

sunzheng5252

復制下了 謝謝樓主      

zhuxiaohua

我來說兩句：
1.這種直線哦共軛內嚙合齒輪泵的確噪聲小，壓力脈動小，所以在名詞上叫做安靜泵（queit），塑料機械上用作動力源，它需要伺服電機來帶動，來作為一個節能動力單元，在注塑產品需要長時間的保壓時，一般這個節能單元比變量泵還要節能。其次在泵的出口裝上一個壓力傳感器就可以做成整個液壓系統壓力閉環控制，再其次伺服異步電機本來要比異步電機節能，而且通過伺服電機自帶編碼器可以做到流量半閉環。
- r7 {( c/ W  R1 J2 X2.國內做這種泵的不多，日本住友做的就是這種泵，需要高壓就把兩個泵串聯在一起。
3.德國有幾家他們做的內嚙合齒輪泵的齒形是漸開線的，齒形需要變位，而且齒頂需要修正，吸油和出油開在內齒輪的外圈上，這樣困油基本上沒有了，其次這種泵在徑向和軸向都有自動補償，所以能起到高壓，轉速能達到3000rpm，這種漸開線型內嚙合齒輪泵主要在零件加工難度上，材料，熱處理，等方面，國內寧波華液在開發這種泵。也有好多這樣泵用機械上做節能單元。
繼續關注，請大家補償，別像上次此貼成為說教貼了，呵呵，關注技術才是主要的。

malu121

了解了解......

xtw77wh

這么高級
可惜 這個直線式內嚙合齒輪泵的,單極壓力為什么沒有漸開線式的壓力高呢

chidiandong

謝謝樓主的介紹，以后可能會利用到這種泵。

201092022

謝謝樓主，謝謝zhuxiaohua

zbjghl

這種齒輪間隙如何放。