基于变位齿轮的自保护齿轮泵设计

宫乙帅, 吴学群, 刘军, 周扬

（扬州船用电子仪器研究所,江苏 扬州225001）

0 引 言

随着环控冷却技术水平的不断提高，整体结构的小型化、轻量化成为当前环控设备的发展趋势，同时，对环控系统的整机散热性、安全性要求越来越高，特别是机载环控设备的指标要求更加严格。在液冷环控系统中，齿轮泵扮演着重要角色，其功能是为设备中的循环冷却液提供输送动力，保障冷却系统的正常运行，可谓是环控系统的“心脏”[1]。设备整体结构的小型化要求对相应各级模块进行尺寸规模的缩减。齿轮泵作为环控冷却系统的“心脏”，其结构的小型化、工作的稳定性是设备运行的基础。现有齿轮泵产品结构形式过于简单，泵体尺寸受到内部齿轮副的限制，体积缩减困难。另外，在循环回路中，当泵体出口腔压力过高时，会造成回路流通受阻，破坏环控系统的稳定性，造成重大经济损失。

在某小型化环控设备中，针对安装空间小、供电量受限、运行安全性高等要求，通过采用变位齿轮副，使结构紧凑、合理，泵体体积小，安装便捷；在齿轮泵壳体上设计限压活门，对循环回路的压力形成保护，确保环控设备运行平稳，有效提高了产品的可靠性。

1 齿轮泵性能指标分析

根据某环控供液系统的要求，对齿轮泵的主要参数进行相关性分析如下。

1）转速分析。齿轮泵流量正比于转速，但如果转速过高，离心力使工作液不能充满整个齿间，反而造成流量减小并引发气蚀，增大噪声、加剧磨损。另外，为避免容积效率过低，齿轮泵的最低转速也应给予限制。

2）流量计算分析。齿轮泵的排量V相当于一对齿轮所有齿谷容积之和，齿谷容积约等于轮齿的体积，那么齿轮泵的排量等于一个齿轮的齿谷容积和轮齿容积体积的总和，可等效为有效齿高和齿宽构成的平面所扫过的环形体积[2]，即

式中：D为齿轮分度圆直径，D=mz；h为有效齿高，h=2m；B为齿宽；m为模数；z为齿数。

在实际中，齿谷容积要比轮齿体积稍大，故式中的π常以3.33代替，上式可变为

齿轮泵的流量为

式中：n为齿轮泵转速；ηv为齿轮泵容积效率。

实际上齿轮泵的供液量是有脉动的，因此上式所表示的是齿轮泵的平均供液量。从而可以看出流量和主要参数的关系：1）供液量与齿轮模数m的平方成正比。2）体积确定时，齿数越少，模数越大，供液量增加，流量脉动大；齿数越大，模数越小，供液量越少，流量脉动也小。3）供液量和齿宽B成正比。

经过计算及对比分析，得出齿轮泵的性能设计参数，如表1所示。

2 变位齿轮参数选择与计算

综合考虑齿轮泵转速、外形及流量脉动的影响后，选取主、从动齿轮的齿数Z=14，采用变位设计，主、从动齿轮齿数均为14，变位系数之和为0.6，重合度系数大于1.2，在保证运转平稳的同时，有效减少了整个泵体的径向尺寸。另外，参照模数与排量、齿数的关系，选取m=1.5 mm的标准模数进行设计验证。根据流量指标及影响因素，得出齿轮副的主要参数如表2所示。

表1 齿轮泵性能设计参数表

表2 变位齿轮主要参数表

3 齿轮泵结构设计

齿轮泵主要结构如图1所示，主要有齿轮泵壳体、齿轮泵基座、滑动轴承、主动齿轮、从动齿轮、弹簧支座、弹簧及密封组件和限压活门等组成。从结构组成上看，泵体内部零部件巧妙运用了壳体与基座组合后的空间进行安装定位，紧凑、合理。齿轮泵壳体内部设计有齿轮副的安装孔，主、从动齿轮的齿顶圆与壳体之间的配合为小间隙配合（H7/e6），确保了在齿轮副运转时，齿顶与壳体内腔无干涉，同时减小径向泄漏。主、从动齿轮两端均采用滑动轴承支撑，其中内端两个滑动轴承的轴向设计有弹簧支座及调压弹簧，可进行轴向浮动，确保转动平稳，降低噪声，同时减小工作液在两侧端面的泄漏。

从外观上看，齿轮泵主要分为壳体部分和基座部分，其外形尺寸（宽×高×深）为113 mm×93 mm×97 mm。其中限压活门安装在壳体上，密封组件安装在基座内。壳体、基座在设计时充分考虑了工艺性能，通过五轴机床加工形成，工作液的进、出口及流道均设计在壳体内部。齿轮泵的体积小、质量轻，在整个环控设备中占用的空间小，具有很好的适装性。

图1 齿轮泵结构示意图

3.1 密封组件设计

在环控系统工作过程中，齿轮泵内部压力相对较大，因此需要考虑齿轮泵的整体密封性能，其中主动齿轮输入轴处的密封尤为关键，本次齿轮泵在主动齿轮输入轴处采用密封组件来解决这一问题。

密封组件主要由油封壳体、耐磨油封、支承椎体、O形密封圈、止动垫圈等组成。密封组件安装在基座内，与基座之间采用双重O形橡胶圈进行密封，这种静密封形式起到减压和密封的作用。主动轴与密封组件之间的动密封形式主要通过双重耐磨油封来实现，内侧油封起密封、减压作用，外侧油封进行第二重密封。密封组件的结构形式有效解决了高压密封问题，确保了环控系统工作稳定可靠。

3.2 限压活门设计

限压活门又称限压组件，通过连通齿轮泵的进、出口腔体来调节工作液的出口压力，保证环控系统的压力和流量在设定范围。限压活门作为齿轮泵的主要组成部件，是确保整个环控系统正常工作的关键。

限压活门安装在齿轮泵壳体的连通腔内，以某环控设备为例，其具体工作原理为：当齿轮泵出口腔压力达到上限（1.0 MPa）时，活塞杆受到的工作液压差大于弹簧压紧力，活塞杆往进口腔一侧移动，从而使进、出口腔连通，达到限压目的；当出口腔压力低于上限（1.0 MPa）时, 活塞杆受到的工作液压差小于弹簧压紧力，活塞杆复位，隔断旁通管路。限压活门的具体结构如图2所示。

4 齿轮泵主要结构的仿真分析

齿轮泵在某环控设备中工作时，会遇到供液系统超压的恶劣工况（需考虑限压失效情况），系统超压可能会造成齿轮泵壳体、基座变形，齿轮传动精度下降，密封性能变差等情况，严重影响设备的使用寿命[3]。因此，在结构设计时需要利用ANSYS Workbench分析软件对系统超压现象进行模拟仿真，判定是否对齿轮泵结构件产生影响。

图2 限压活门结构示意图

在NX10.0三维设计软件中对齿轮泵的壳体、基座及内部零件进行建模、装配，然后将装配模型导入分析软件ANSYS Workbench中进行有限元分析。根据实际工作状态仿真分析，根据仿真结果对三维模型进行优化设计，确保该设计符合实际使用要求，提高加工及装配精度。

齿轮泵的壳体、基座是齿轮泵装配的基础，其结构刚性的优劣对整个齿轮泵的影响最大，同时也是系统超压时最易受影响的结构件，因此通过有限元分析软件对齿轮泵壳体、基座进行了应力、应变分析。齿轮泵壳体、基座的材料性能如表3所示。

表3 齿轮泵壳体、基座材料的性能参数

首先，对齿轮泵的壳体、基座有限元模型进行网格划分，在保证运算有效的前提下，网格的单元及节点数尽可能密集。然后，根据实际安装条件对齿轮泵整体施加约束，螺栓连接按照固定约束处理，壳体的进、出液口均进行固定约束，在齿轮泵壳体、基座内部施加1 MPa的表压，进行仿真计算。

经ANSYS Workbench软件分析，在整个齿轮泵壳体零件耐压1 MPa（表压），安全系数1.5的条件下，壳体最大应力值为6.28 MPa（如图3），远小于该材料的许用应力，在超压状态下满足设计要求。壳体最大变形量为0.049 mm（如图4），也远小于该材料的许用变形量，不会造成零件配合问题，同样满足要求。

图3 齿轮泵壳体应力云图

图4 齿轮泵壳体应变云图

经ANSYS Workbench软件分析，在整个齿轮泵壳体零件耐压1 MPa（表压），安全系数1.5的条件下，基座最大应力值为2.25 MPa（如图5），远小于该材料的许用应力，在高压状态下满足设计要求。壳体最大变形量为0.003 mm（如图6），也远小于该材料的许用变形量，不会造成零件配合问题，同样满足要求。

图5 齿轮泵基座应力云图

图6 齿轮泵基座应变云图

5 结 论

本设计采用少齿数、变位齿轮实现体积微小型化，精度及工艺性好；通过密封组件实现泵体的双重密封，提高了齿轮泵在高速转动过程中的密封效果；另外，在齿轮泵体的进、出口腔之间设置限压活门来控制压差，实现系统工作液回路的自保护。本设计有效保证了齿轮泵工作的稳定性，进而提高了整个环控系统的可靠性，对该领域相关泵体的设计提供了重要的设计参考。