高压油泵的低压输油泵优化

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高压共轨喷油系统的高压油泵由于转速、工作压力变化范围大，为了保证其可靠的运行，都配有一个低压输油泵，由此低压输油泵向高压油泵输出低压燃油，而不是高压油泵直接从燃油箱通过自吸来吸油。而且，大多数输油泵都集成在高压油泵内。常用的低压输油泵是齿轮泵和叶片泵。其中齿轮泵包括：外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵或摆线泵。这几种油泵都是容积式油泵，其基本工作原理和前述的高压油泵的工作原理相同。

1.齿轮泵

齿轮泵是液压系统中常用的低压输油泵。它具有结构简单、体积小、重量轻，工作可靠，成本低，对油的污染不敏感，便于维修等优点。但其缺点是流量脉动大，噪声大，排量不可调。按结构形式的不同，齿轮泵可分为外啮合和内啮合两种形式。

（1）外啮合齿轮泵

1）工作原理。图5-16所示为外啮合齿轮泵的工作原理，在泵体内有一对大小一样、齿数相同的外啮合齿轮，齿轮的两端有端盖罩住（图中未画出），泵体、两个齿轮和前后端盖组成密封容腔，并由齿轮的齿面接触线将其分成左、右互不相通的两部分，即吸油腔和压油腔。当齿轮按图示方向转动时，泵右侧吸油腔内的轮齿相继脱开啮合，轮齿退出齿间容积，使密封容积增大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压力作用下，进入吸油口，填满吸油腔齿间容积，并被转动的齿轮带入左侧压油腔；而压油腔的轮齿则相继进入啮合，使密封容积减小，齿间中的油液被挤出，通过压油口排出。齿轮不断地转动，吸油腔就不断地吸油，而压油腔则不断地排油。

图5-16 外啮合齿轮泵的工作原理

2）外啮合齿轮泵的排量和流量。齿轮泵的排量可视为两个齿轮的齿间槽的容积之和。近似计算，假设齿间槽的容积与轮齿的体积相等，则其排量就等于一个齿轮的齿间槽和轮齿的体积的总和，即相当于有效齿高和齿宽构成的平面所扫过的环形体积。于是泵的排量为

V_p=πdhb=2πzm²b （5-49）

式中 d——节圆直径，d=mz；

h——有效齿高，h=2m；

b——齿宽；

z——齿数；

m——齿轮模数。

齿轮泵的流量为

q_p=2πzm²bn_pη_pv （5-50）

式中 n_p——泵的转速；

η_pv——泵的容积效率。

上式表示的平均流量，实际上由于齿轮啮合过程中压油腔的容积变化率是不均匀的，因此齿轮泵的瞬时流量是脉动的。

3）结构特点。外啮合齿轮泵在结构上有以下特点。

①困油现象。齿轮泵要平稳地工作，齿轮啮合的重合度必须大于1，这就意味者当一对轮齿尚未脱离啮合时，另一对轮齿已进入啮合状态，即会有两对轮齿同时啮合。因此，就有一部分油液被围困在两对啮合轮齿所形成的封闭容积之中，如图5-17所示。这个封闭容积先随齿轮转动逐渐减小，后又逐渐增大。封闭容积减小时。被困油液受到挤压，产生高压，迫使被困油液从缝隙中强行挤出，导致油液发热，给轴承附加很大的不平衡负载。封闭容积增大时，由于困油区内的油液已被挤出一部分并得不到补充，便造成局部真空，使溶解于油中的空气分离出来，产生气穴，引起噪声、振动和气蚀。这就是齿轮泵的困油现象。

消除困油的方法是在齿轮的两侧端盖上开卸荷槽，如图5-17d中虚线所示。卸荷槽的位置和尺寸能使封闭容积减小时，通过右边的卸荷槽与压油腔相通；封闭容积增大时，通过左边的卸荷槽与吸油腔相通，并保证在任何时候都不能使压油腔与吸油腔相通。在很多齿轮泵中，两卸荷槽并不对称于齿轮中心线分布，而是整个向吸油腔侧平移一段距离，这样能取得更好的效果。卸荷槽是任何齿轮泵必须具备的结构，否则齿轮泵不能正常工作。

图5-17 外啮合齿轮泵的困油现象

a）两对轮齿刚刚进入啮合 形成封闭油腔 即困油 b）该封闭油腔的容积随着齿轮转动逐渐减小 c）该封闭油腔的容积减小到最小值后随着齿轮转动逐渐增大 d）两对轮齿即将脱离啮合 封闭油腔消失

②泄漏。齿轮泵压油腔中的压力油可通过三条途径泄漏到吸油腔中去：一是通过轮齿啮合处的间隙；二是通过泵体内孔和齿顶圆之间的径向间隙；三是通过齿轮两端侧面和盖板间的端面间隙。其中通过端面间隙的泄漏量最大，占总泄漏量的75%～80%。压力越高，泄漏越严重。因此，如果不采取措施，减小端面泄漏，齿轮泵的容积效率将是很低的，只能用于低压。为了减小泄漏，提高容积效率，用设计较小间隙的方法并不能取得好的效果，因为泵工作一段时间后，由于磨损而使间隙变大，泄漏又会增加。所以通常采用浮动轴套或弹性侧板对端面间隙进行自动补偿的办法来减小泄漏。图5-18所示为采用浮动轴套的一种典型的结构。图中两对轴套7、8是浮动安装的，轴套7的左侧容腔（由3字形密封与泵体内孔构成）与泵的压油腔相通。当泵工作时，轴套7受左侧油压的作用右移，贴靠在齿轮的端面上，压力越高，贴的越紧，从而可以减小间隙并自动补偿端面磨损量。实践证明，这样能取得较好效果。

③径向力不平衡。在齿轮泵中，处于压油腔中的齿轮外圆和齿廓表面承受着工作压力，处于吸油腔中的齿轮外圆和齿廓表面承受着吸油腔的油压力，因此作用在整个齿轮外圆上的压力是不均匀的。压力沿齿轮旋转方向，由低到高，逐渐递增，综合作用的结果，使齿轮和轴受到径向不平衡力p₁、p₂，如图5-19所示，工作压力越高，径向不平衡力越大。

图5-18 外啮合齿轮泵的端面泄漏补偿方法

1—轴承 2—S形密封圈 3—被动齿轮 4—主动齿轮 5—轴封 6—后盖 7—左浮动轴套 8—右浮动轴套 9—泵体 10—前盖

径向不平衡力过大时，会使齿轮轴弯曲，造成齿顶接触泵体，产生摩擦，同时加速轴承磨损。实践证明，轴承的磨损是影响齿轮泵寿命的主要原因。为了减小径向不平衡力，常采用扩大压油区只保留一两个轮齿密封的方法，实现大范围内径向力的平衡，但会增大泵体的径向载荷以及端盖的轴向载荷。

（2）内啮合齿轮泵 内啮合齿轮泵有渐开线齿形和摆线齿形两种，如图5-20所示。其工作原理和主要特点与外啮合齿轮泵相同，只是两个齿轮的大小不一样，且相互偏置，小齿轮是主动轮，小齿轮带动内齿轮以各自的中心同方向旋转。

图5-19 齿轮泵中的径向压力分布

在渐开线内啮合齿轮泵中，小齿轮和内齿轮之间要装一密封块，以便把吸油腔和压油腔隔开。当小齿轮带动内齿轮转动时，右半部轮齿退出啮合，形成真空，进行吸油。进入齿槽的油液被带到压油腔，左半部轮齿进入啮合将油液挤出，从压油口排油。

图5-20 内啮合齿轮泵的工作原理

a）渐开线齿形 b）摆线齿形

在摆线齿形内啮合齿轮泵，又称摆线转子泵中，小齿轮（内转子）与内齿轮（外转子）相差一个齿，当内转子带动外转子转动时，所有内转子的轮齿都进入啮合，形成几个独立的密封腔，无需设置密封块。随着内外转子的啮合旋转，各密封腔的容积发生变化，从而进行吸油和压油。

内啮合齿轮泵结构紧凑，体积小，重量轻，由于啮合的重叠度大，传动平稳，噪声小，流量脉动小，但内齿轮的齿形加工复杂，价格较高。

2.叶片泵

叶片泵和其他低压输油泵相比，具有体积小，重量轻，运转平稳，输出流量均匀，噪声小等优点，但它也存在结构较复杂，对油液污染较敏感，吸入特性不太好等缺点。

叶片泵按工作原理可分为单作用泵和双作用泵两类。(www.xing528.com)

（1）单作用叶片泵

1）工作原理。图5-21所示为单作用叶片泵的工作原理。泵由定子3、转子1、叶片2、配油盘和端盖（图中未画出）等零件所组成。定子的内表面是一个圆形孔，转子和定子相互偏置，有偏心距e。在配油盘上开有两个腰形的配油窗口，其中一个与吸油口相通，为吸油窗口；另一个与压油口相通，为压油窗口。叶片在转子的径向槽内可灵活滑动。当转子由轴带动按图示方向旋转时，叶片在离心力的作用下，在随转子转动的同时，向外伸出，叶片顶部紧贴在定子内表面上。于是两相邻叶片、配油盘、定子和转子便形成了一个密封腔。若按图示方向旋转时，图右边的叶片向外伸出，密封腔逐渐增大，产生真空，通过吸油窗口吸油；而左边的叶片在定子内表面的作用下，被迫向内缩回，密封腔逐渐减小，通过压油窗口压油。转子旋转一周，每一叶片在转子槽内往复滑动一次，密封腔发生一次增大和缩小的变化，吸油压油各一次，故称单作用式叶片泵。因这种泵的转子受有单向的径向不平衡力，故又称非平衡式叶片泵。如改变定子和转子之间的偏心距，便可改变泵的排量，成为变量泵。

图5-21 单作用叶片泵的工作原理

1—转子 2—叶片 3—定子 4—泵体

图5-22 单作用叶片泵的排量计算简图

2）单作用叶片泵的排量和流量。如图5-22所示，当单作用叶片泵的转子每转一周时，每相邻两叶片间的密封容积变化量为V₁-V₂。若近似把AB和CD段看作是中心为O₁的圆弧，当定子内半径为R时，此二圆弧的半径分别为（R+e）和（R-e）。设转子半径为r，叶片宽度为b，叶片数为z，则有

式中，为相邻两个叶片所夹的中心角。

因排量

V=（V₁-V₂）z

将以上两式代入，整流可得泵的排量为

V_p=4πRbe （5-53）

实际流量为

V_p=4πRben_pη_pV （5-54）

由于定子和转子偏心安置，单作用叶片泵的容积变化是不均匀的，因此有流量脉动。理论计算可以证明，叶片数为奇数时流量脉动较小，故单作用叶片泵的叶片数总取奇数，一般为13片或15片。

3）结构特点。单作用叶片泵的结构特点如下。

①定子和转子相互偏置，改变定子和转子之间的偏心距，可以调节泵的流量。

②径向液压力不平衡。由于单作用叶片泵的这一特点，使泵的工作压力受到限制，所以这种泵不适于高压。

③叶片后倾。一般在单作用叶片泵中，为了使叶片顶部可靠地与定子内表面相接触，叶片底部油槽在压油区是与压油腔相通、在吸油区与吸油腔相通的，即叶片的底部和顶部受到的压力是平衡的。这样，叶片仅靠随转子旋转时所受到的离心惯性力向外运动，顶住定子内表面，根据力学分析，叶片后倾一个角度有利于叶片在惯性力的作用下向外甩出。通常，后倾角为24°。

（2）双作用叶片泵

1）工作原理。图5-23所示为双作用叶片泵的工作原理。它的工作原理与单作用叶片泵相似，不同之处在于双作用叶片泵的定子内表面似椭圆，由两大半径R圆弧、两小半径r圆弧和四段过渡曲线组成，且定子和转子同心。配油盘上开两个吸油窗口和两个压油窗口。当转子按图示方向转动，叶片由小半径r处向大半径R处移动时，两叶片间容积增大，通过吸油窗口吸油；叶片由大半径R处向小半径r处移动时，两叶片间容积减小通过压油窗口压油。转子每转一周，每一叶片往复运动两次，吸油、压油各两次。故这种泵称为双作用叶片泵。双作用叶片泵的排量不可调，是定量泵。

图5-23 双作用叶片泵的工作原理

1—转子 2—叶片 3—定子 4—泵体

2）双作用叶片泵的排量和流量。由图5-24可知，叶片泵每转一周，两叶片组成的工作腔自最小到最大变化两次。因此，叶片泵每转一周，两叶片间的油液排出量为大圆弧段R处的容积与小圆弧段r处的容积的差值的两倍。若叶片数为z，当不计叶片本身的体积时，通过计算可得双作用叶片泵的排量为

V_p=2π（R²-r²）b （5-55）

泵的流量为

q_p=2π（R²-r²）bn_pη_pv （5-56）

式中 R——定子的长半径；

r——定子的短半径；

b——叶片宽度。

双作用叶片泵的瞬时流量，如果不考虑叶片厚度的影响，应该是均匀的。但实际上叶片有一定的厚度，其底部又与压油腔相通（不论是在吸油区还是在压油区），叶片在吸油区内的不断伸出，根部的容积要由压油腔的排油来补充，如果处于吸油区的叶片的移动速度之和不等于常数时，就要影响瞬时流量的均匀性。叶片厚度对瞬时流量的影响与定子过渡曲线的形式及叶片数有关，通过理论分析可知，只要合理选择定子的过渡曲线及与其相适应的叶片数，理论上可以做到瞬时流量无脉动。常用的定子过渡曲线是等加速一等减速曲线，其叶片数为12。

3）结构特点。双作用叶片泵的结构特点如下。

图5-24 双作用叶片泵排量的计算简图

①定子过渡曲线。定子曲线是由四段圆弧和四段过渡曲线组成的，定子所采用的过渡曲线要保证叶片在转子槽中滑动时的速度和加速度均匀变化，以减小叶片对定子内表面的冲击和噪声。目前双作用叶片泵定子过渡曲线广泛采用性能良好的等加速一等减速曲线，但还会产生一些柔性冲击。为了更好地改善这种情况，有些叶片泵定子过渡曲线采用了三次以上的高次曲线。

②径向液压力平衡。由于吸、压油口对称分布，转子和轴承所受到的径向压力是平衡的，所以这种泵又称为平衡式叶片泵。

③端面间隙自动补偿。图5-25所示为双作用叶片泵的一种典型结构。它由驱动轴、转子、叶片、定子、左右配油盘、左右泵体等零件组成。泵的叶片、转子、定子和左右配油盘可先组装成一个部件后整体装入泵体。为了减小端面泄漏，采取的间隙自动补偿措施是将右配油盘的右侧与压油腔相通，使配油盘在液压推力作用下压向定子。泵的工作压力越高，配油盘就会越加贴紧定子。这样，使容积效率得到一定的提高。

图5-25 双作用叶片泵的一种典型结构

1—驱动轴 2—右泵体 3—转子 4—定子 5—左泵体 6—左配油盘 7—叶片 8—右配油盘