单边径向浮动润滑轴套的设计

　 (淮安信息职业技术学院 机电工程系, 江苏 淮安　223003)

引言

齿轮泵是一种液压传动的基础元件，由于具有结构简单、重量轻、体积小、制造与维修方便、价格低、工作可靠、自吸性能好、抗污染能力强等优点，被广泛用于农机、汽车、建筑机械等作为液压动力源。

齿轮泵市场年需求量很大，生产齿轮泵的厂家众多，仅在我院所在地淮安市就有十多家齿轮泵生产厂。我市齿轮泵生产厂主要生产市场上需求量非常大的CBN-E300 、CBN-E400 系列齿轮泵。CBN-E300 、CBN-E400 系列齿轮泵是我国60年代末70年代初仿造德国博世公司齿轮泵而设计的，主要作为拖拉机等农业机械的液压动力源。这两种系列齿轮泵性能好、工艺简单，因而得到广泛推广，但随着工业的发展、市场竞争的加剧，这两种系列齿轮泵也暴露出来一些问题：

(1) 齿轮泵噪声较大。这两种系列齿轮泵轮齿齿数都为10个齿，齿数比较少，流量脉动较大，因而噪声较大，不符合当前环保的要求；

(2) 单位齿宽排量较小。现在市场竞争非常激烈，生产厂总要千方百计降低成本。单位齿宽排量较小，相同排量的齿轮泵所需要消耗的金属材料就多，特别是齿轮泵泵体等零件一般为较贵的铝合金，使工厂的生产成本提高，降低市场竞争力；

(3) 齿轮泵的压力等级不高。拖拉机等农业机械在使用的时候常常会超载，使齿轮泵所受负荷加大，常造成齿轮泵以炸泵体、烧轴套、断轴等形式被破坏。

针对以上缺点，我们对齿轮泵进行了优化设计，重点对轴套进行了优化。

1　轴套结构和工况分析

轴套是齿轮泵中的一个零件，它主要起支撑齿轮轴颈的作用，在一个齿轮泵中有两个轴套，装在齿轮的两端。在图1所示的CBN-E300系列齿轮泵的结构图中，序号4的零件就是轴套。

轴套4它可在泵体3中作轴向浮动，轴套的结构一般采用如图2所示整体轴套结构。该轴套在轴向所受液压力基本平衡, 而在径向轴套所受的液压力不平衡，由于齿轮泵出口压力高，进口压力低， 轴套被压向低压侧，因此起密封作用将齿轮泵高低压腔隔开的主要是轴套和泵体的低压侧。

1.前盖　2.定位销　3.泵体　4.浮动轴套　5.外密封件 6.后盖　7.螺母　8.螺栓　9.内密封件　10.主动齿轮 11.被动齿轮　12.骨架油封

图2　整体轴套结构图

2　轴套结构的优化设计思路

我们知道齿轮泵存在径向力不平衡，齿轮自动压向低压处的泵体内表面，起密封作用的是轴套和泵体的低压侧，在不影响轴套性能和不改变加工工艺前提下，可将高压侧中间部分挖空，形成挖槽轴套，节约铝合金的消耗量，降低成本。挖槽轴套如图3所示。

图3　挖槽轴套结构图

作用在齿轮上的径向液压不平衡力由轴套支撑，径向不平衡力越大，轴套承受的压力越大，轴套和泵体之间的摩擦力越大，轴套浮动性越差。为了降低径向不平衡力，可扩大高压区。扩大高压区就是在部分区域人为地增加泵体内壁和齿顶的间隙，只使在吸油口前1至2个齿的齿顶和泵体保持很小的径向间隙，起密封作用。扩大高压区也可从轴套结构改进上来实现，可采用单边轴套，如图4所示，该轴套在满足刚度和强度的前提下将高压区部分轴套基体削去一部分，使齿轮和轴套大部分圆周上承受高压油，同时降低了齿轮和轴套所受的径向不平衡力。在轴套正面(和泵盖接触的面)由于要留有安装内密封件的位置，轴套基体不能削去太多，而背面可适当多削去一些，这样就形成一个边。轴套高压侧的两个凸起部分起加强筋的作用，它的顶部和轴套低压侧部分在同一圆周上，这样在加工轴套时，轴套外圆尺寸容易测量，在齿轮泵装配时，轴套易于在泵体中定位，便于安装。

图4　单边轴套结构图

单边轴套和挖槽轴套相比，节约的铝合金更多，并且加工工艺好，轴套毛坯不但可采用金属模浇铸，而且可采用压铸的方法；单边轴套四周和两面需要机械加工的面积大幅减少，提高了加工效率。单边轴套使轴套四周大部分处于高压油中，降低了轴套本身所受的液压不平衡力，并且轴套在纵向两头被削去一部分可防止轴套受热膨胀而卡死，这样提高了轴套的浮动性。

经过扩大高压区以后，齿轮泵所受径向不平衡力有所减小，但仍然存在径向不平衡力，在不平衡力作用下，齿轮轴颈被压向低压区，齿轮轴颈受液压不平衡力作用要发生挠度变形。而齿轮轴颈在轴套内孔中转动，在两者之间形成一层油膜，当压力高时，轴颈在整个长度上因挠度变形而产生的倾斜变差大，如CBN-E300系列齿轮泵当排量为16 mL/r，压力为20 MPa时，在轴颈的整个长度上因挠度变形而产生的倾斜差大约为7.2 μm，而最小油膜厚度为10 μm左右，这样会造成油膜破灭，形成干磨擦，使轴套内孔受到磨损。为了提高轴颈在轴套内孔中的润滑性能。我们设计了单边径向浮动润滑轴套，如图5所示。通过两个斜孔a将高压油引入轴套两个内孔，高压油进入内孔不但提高了轴颈的润滑性能 ，而且高压油对轴颈产生一定的浮力，减小了齿轮作用在轴套内孔上所产生的不平衡力。为了提高润滑油的流动性，避免形成局部高温，在高压区卸荷槽处打一孔b与两个斜孔a相通，由于轮齿啮合而产生压力波动，使油从b孔向a孔间隙流动。

图5　单边径向浮动润滑轴套立体图

3　单边径向浮动润滑轴套的设计实例分析

现在市场上大批量生产的CBN-E300系列齿轮泵广泛用于拖拉机等农业机械，价格竞争非常激烈，且使用环境较差，三保率较高。统计分析33%左右齿轮泵失效是因轴套损坏，轴套损坏大多是因轴套浮动性变差造成的。为此，我们对CBN-E300系列齿轮泵轴套进行了结构优化，将整体轴套改成单边径向浮动润滑轴套。

3.1　轴套密封部分最小角度的确定

CBN-E300系列齿轮泵齿轮顶部厚Se为0.858 mm，两齿中心距及轴套两内孔中心距A为33，齿顶圆φ39，最大排量时进油口φ18。单边径向浮动润滑轴套的部分尺寸参见图6，有些尺寸可通过经验和试验来确定，有些需通过计算来确定。

Stars are dense and don’t twinkle, strong wind will blow next day.

齿顶厚在圆周上的夹角θ为：

式中，Se为齿轮齿顶厚；De齿顶圆直径；θ齿顶厚在圆周上的夹角。

齿轮泵要保证径向密封的可靠性，必须最少有1个轮齿参与径向密封，多时有2个轮齿参与径向密封，那么轴套上参与径向密封部分的最小角度为：

β=γ-α=15.9°

式中，Z为CBN-E300系列齿轮泵齿轮轮齿个数；De为齿顶圆直径；θ为齿顶厚在圆周上的夹角；D为最大排量时进油口直径；α为最大排量时进油口边缘与轴套内孔中心线在圆周上的最小夹角；β为轴套挖空边缘与轴套内孔中心线在圆周上的最小夹角；γ为轴套上参与径向密封部分的最小角度。

为了不改变轴套原先的轴向平衡条件和内密封件槽的形状，我们取β角度比内密封件槽小脚的内侧角30°稍大一些(参见图2)，可取β为33°。

3.2　高压润滑油孔a、b的尺寸和位置的确定方法

图6　单边径向浮动润滑轴套尺寸计算图

图7　齿轮径向液压受力图

3.3　优化前后轴套的材料消耗比较

优化前CBN-E300系列齿轮泵整体轴套重量约0.102 kg，优化后轴套重量约为0.077 kg， 每个齿轮泵

有2个轴套可节约0.05 kg铝，一般中等规模齿轮泵生产企业可年产20万台齿轮泵，每年可节约 铝合金10 t左右，将会为企业降低大量成本。

我们将单边径向浮动润滑轴套装配在CBN-E300系列齿轮泵中，选取的齿轮泵排量为10 mL/r，在试验台上进行考核，在转速为2500 r/min 、 工作压力为20 MPa、油温为80 ℃工况下连续运转100 h后，测量泵的各项性能指标达到国家标准要求，通过拆检轴套无偏磨现象，轴套内孔润滑良好。

4　结论

随着液压技术的发展，对齿轮泵的性能要求不断提高，而市场竞争又要求降低成本，这就要求轴套必须既具有良好的轴向和径向浮动性等高性能，又要具有造价低的特点。本研究对整体轴套结构优化进行了分析，给出了一种单边径向浮动润滑轴套的设计方法，希望提出的方法能给工程技术人员在设计齿轮泵时提供参考。

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