一种实现恒流功能的齿轮泵

2021-07-15郭帅

机械工程师 2021年7期

郭帅

（徐州科源液压股份有限公司，江苏徐州 221116）

0 引言

众所周知，汽车转向助力泵的作用是减轻司机操作强度、提高整车的操控性能、确保转向安全及保障车辆在行驶过程中驾驶员的转向手感，因此在正常行驶时汽车转向器动力系统工作流量保持稳定，不随发动机转速的变化而变化。如果出现转向系统的液压油流量随发动机的转速提高而流量增大，会导致转向过于灵敏，从而导致转向盘发飘的现象[1]。

齿轮泵作为液压系统中的能量转换装置，其作用是将机械能转换成流体能，以驱动液压系统中的各执行元件，使得各执行元件按设计要求实现各自的功能。然而，我们知道齿轮泵泵体内是由1对相同模数、相同齿数的齿轮组成，当齿轮不断旋转时，吸油腔不断吸油，压油腔不断压油。也就是说齿轮泵的齿轮旋转旋转一周所排出的油液体积是一定的。即齿轮泵是定量泵，排量不可调整，流量随原动机转速的增加而线性增加[2]。因此传统结构齿轮泵流量会随发动机转速的变化而变化，不具有恒流功能，运用到汽车转向系统会出现转向系统的流量随发动机的转速提高而流量增大，进而导致转向过于灵敏的现象发生。为了避免出现这种情况，我们设计出了具有恒流功能的齿轮泵，该齿轮泵在限制转速内油泵的流量随发动机转速的提高而增大，但是在限制速度以上油泵的流量随发动机的转速增加而不明显增长。齿轮泵的该工作特性是齿轮泵中的流量控制阀自动起作用形成的。

1 传统齿轮泵的工作原理

传统的齿轮泵泵体齿轮的2个端面靠浮动侧板密封。泵体、浮动侧板和齿轮的各齿槽组成了密封的容积。两齿轮沿齿宽方向的啮合线把密闭容积分成吸油腔和压油腔两部分，且在吸油和压油过程中彼此互不相通。当齿轮按图1中箭头方向旋转，右侧油腔由于轮齿逐渐脱开，使右侧密封容积增大，形成局部真空，油压在大气压的作用下，从油箱经过油管被吸到右边油腔，充满齿槽，随着齿轮的旋转被带到左边。再看左侧的油腔，由于齿轮逐渐进入啮合，使左侧密封的容积逐渐减小，齿槽中的油液受到挤压，从排油口排出[3]。

图1 齿轮泵的工作原理

当齿轮不断旋转时，吸油腔不断吸油，压油腔不断压油。正是由于齿轮在啮合时引起的左右腔容积大小的变化，来实现吸油和排油这一过程。

齿轮泵在排量一定的情况下，其输出的流量和转速成正比，即齿轮泵的流量随发动机的转速增加而呈线性增加。因此传统的齿轮泵如果用在汽车转向系统上，会出现转向系统的流量随发动机的转速提高而流量增大，会导致转向过于灵敏。

由于齿轮泵自身具有许多优点，如价格便宜、结构简单、抗污染能力强等，基于以上原因我们设计出了具有恒流功能的齿轮泵，该齿轮泵在限制转速内油泵的流量随发动机转速的提高而增大，但是在限制速度以上油泵的流量随发动机的转速增加而不明显增长。

2 实现恒流功能齿轮泵的设计

为了实现汽车转向器动力系统在正常行驶时的系统液压油工作流量保持稳定，我们组织开发了一种结构简单、紧凑且具有恒流功能的泵阀一体式齿轮泵[4]。

齿轮泵结构如图2所示，阀盖1与泵体10配合将阀套8固定在泵体10内，阀套8内设置有主阀阀芯11，主阀阀芯11内设置有小阀芯12；阀套8的内圆柱面与主阀阀芯11的外圆柱面相配合。阀套8的外圆柱面和泵体10的内圆柱面配合；阀套8外圆柱面上开的2个矩形密封槽内的O形密封圈Ⅱ7和O形密封圈Ⅲ9与泵体10的内圆柱面径向密封。阀盖1内壁设有内螺纹，该内螺纹与泵体10的外螺纹配合；阀盖1内壁还开有矩形密封槽，放置O形密封圈Ⅰ6实现径向密封。阀盖1内端面上安装有弹簧限位垫圈2。

图2 恒流泵结构图

阀套8上垂直于直径方向开有多个圆形通透孔通道e；主阀阀芯11底部径向开有多个圆形通孔b及阶梯形圆形孔a，主阀阀芯11上垂直于直径方向开有多个圆形通透孔通道c；小阀芯12一侧开有螺旋形沟槽d，小阀芯12另一侧设有外螺纹。主阀阀芯11的内圆孔柱面与小阀芯12开有螺旋形沟槽d一侧的外圆柱面相配合。

齿轮泵中，弹簧座13穿过小阀芯12一侧螺纹杆，使弹簧座13大端面一侧与主阀阀芯11内孔端面贴合；定位销14通过弹簧座13及主阀阀芯11上的销孔，使弹簧座13与主阀阀芯11连为一体。弹簧座13的一端安装有小弹簧5；调节螺母4通过小阀芯12螺纹杆一侧压在小弹簧5的另一侧。弹簧座13安装有小弹簧5的一侧还装有1个大弹簧3。

从泵腔来的压力为P1的压力油通过圆形通孔b后，一部分经圆形通透孔通道e孔和圆形通透孔通道g流回泵内低压腔，一部分经节油口（即阶梯形圆形孔a）到出油口供执行元件形成出油压力P2，且P1＞P2。出油口有P2作用，还有大弹簧3的弹簧力Ft1，二者合力与主阀阀芯11左端的液压力P1及液压油流经溢流阀口的液动力相平衡，很显然节流阀前后压力差ΔP=P1-P2。当执行元件负载增大时，溢流节流阀的出油口压力P2增大，于是作用在溢流阀芯右端的液压力增大，主阀阀芯11原来的受力平衡受到破坏，主阀阀芯11向左移动，溢流开口圆形通透孔通道e截面积减少。随着溢流阻力增大，导致泵高压腔压力P2随之增大，溢流仍保持原来的流量，经节流后的流量也自然保持原来的流量，即弹簧位置调定后，泵出油口流量不变。

此泵溢流阀中还平行安装1个安全阀，调整小阀芯12上的调节螺母4，调节螺母4直接作用在小弹簧5上，使小阀芯12把油口（即圆形通透孔通道c）全部封闭。此时小阀芯12左右两端的压力虽然相等（F左=F右），但受压面积不等，因而左侧的液压力F1等于右侧的液压力F2和小弹簧5的力F2的合力。如果P2超过调定压力，左侧的液压力大于右侧的合力，小阀芯12向左移动，圆形通透孔通道c被打开，液压油f经圆形通透孔通道c、圆形通透孔通道e泄掉，压力P2又恢复到调定值，保证压力不变。由于主阀阀芯11左右移动的距离很小，不论怎样移动，都能确保充分溢流。

如果流量不在设定的范围内，则更换弹簧限位垫圈2，可以多次尝试，直至达到要求。

如果安全阀不符合要求，调节小阀芯12上的调节螺母4，直至达到要求。具体调节方法如下：如提前卸荷，则拧紧调节螺母4；如滞后卸荷，则拧松调节螺母4。