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本帖最后由 jackcui 于 2011-5-14 14:30 编辑
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$ C8 E- [; u, B 随着液压技术的发展，各种类型的齿轮泵应用日益广泛。由于齿轮泵的压力脉动比较大，很多场合不得不在液压系统中加装滤波器或使用昂贵的螺杆泵。因此，如何有效地减小齿轮泵的输出压力脉动从而降低噪声，以满足现代机械设备高速、高精度和大功率的要求，成为国内外学者深入研究的课题。根据大量的研究发现，齿轮泵噪声主要是压力脉动产生的噪音和困油现象产生的噪音。因此，低噪声齿轮泵的关键是合理的进行啮合过程的控制。多年以来，生产企业和学术界提出了多种新的齿轮泵结构、原理和技术方案，如复合齿轮泵、非对称齿轮泵、斜齿齿轮泵、双模数齿轮泵及通过卸荷槽和滤波器降低脉动和噪声。而最为成功的是由瑞士Turninger公司首创的直线共轭内啮合齿轮泵，其单级泵的输出压力可达20Mpa，工作时噪音最小可达到53dB，在液压行业被称为安静泵(Quiet Pump)。/ w% U7 Z( H. H+ m3 B8 L2 n$ }) r
液压泵是液压系统的主要噪音源，而噪音总是伴随着输出压力脉动出现，并带来机械振动、液压冲击、气穴等现象，甚至会使系统失稳，国际标准化组织在1999年就制定了液压系统压力脉动的测试标准，很多设备，如精密机床、测控装置中的液压系统对压力脉动及噪音都有很高的要求。8 O/ W5 V8 V7 S" A
直线共轭内啮合齿轮泵具有输出压力高、结构简单、压力脉动和噪音小的突出优点，美国D1avel公司、德国Bucher公司及日本住友精密工业公司都相继购买专业许可进行生产，在各种液压机械设备上使用。这种齿轮泵的核心技术是一对特殊的直线共轭内啮合齿轮副，外齿轮的齿廓是容易加工的直线，内轮的齿廓是与之共轭的曲线，这种设计独特的齿形不但曲率小，接触强度高；而且不存在根切，弯曲强度也很高；更为可贵的是作为内啮合齿轮泵使用时，困油容积仅为渐开线齿轮的十分之一，因此其压力脉动和噪音可以接近螺杆泵的水平。可见，齿形的改变对降低内啮合齿轮泵的噪音具有决定性的作用。2 t' h0 d9 L, `5 p! B
齿轮泵的瞬态流量取决于啮合点的位置，齿轮啮合时，啮合点总是在啮合线上移动，从这个角度分析，由于流量变化带来的齿轮泵的压力脉动是不可避免的。经过系统的啮合分析研究发现，Turninger公司能将泵的压力脉动减小，是利用了直线共轭内啮合齿轮副的特殊啮合过程，这种啮合的最大特点是啮合线及重合系数和齿顶高度的关系。
: P$ B4 n2 g% i% r- L N& m* f x 图1显示的啮合线为一段弧线，在齿顶部位向下弯曲，与常见的渐开线内啮合齿轮有很大的差别。因此在图2中，接近齿顶时重合系数急剧增加，说明靠近齿顶的齿廓的啮合时间比其他部分的齿廓要长，对增加重合度作用大得多。在渐开线齿轮泵中，啮合线为直线，工作时啮合点的径向运动必然造成压力脉动；而直线共轭内啮合齿轮主要在在靠近齿顶位置啮合，啮合点的径向位移很小，这就是其压力脉动小的奥妙所在！因此只要减少啮合过程中啮合点的径向位移，就可以有效的降低输出压力脉动和运转噪音，这应该是低噪音齿轮泵的基本设计原理。
# u7 j1 @7 w$ I: @' B! I8 I5 i1 _ 为了减少压力脉动，尽量使啮合过程中啮合点保持位置径向稳定，研究低噪音齿轮泵最适合的齿廓形式。这一研究方法我们称为：“啮合过程设计”，将啮合过程参数作为控制目标反推齿轮的齿形参数。齿轮泵对啮合过程的要求一般机械传动有很大的差别，因此对其啮合理论和设计原理的研究有明显的特殊性。- V2 ~/ Z. }+ ~1 O2 J5 X" O3 H9 A
Turninger公司QT系列泵的齿数比为13：7，1995年Turninger公司推出第五代QX系列泵，齿数比从变为10：13，轮齿参数也作了很大变化，齿顶角从56°变为51.6°。我们分析了两种系列的国外样机，令人疑惑的是，其齿轮参数设计并没有充分体现上述的设计原则，QT泵的重合度高达1.7，而QX泵的结构尺寸与QT泵完全一样，其计算重合度仅为1.01，却在专利中提到卸荷问题，说明国外公司对其设计理论也没有完全掌握，直线共轭内啮合不一定是最好的齿形，或者说目前的产品设计参数并没有达到最佳。但是，直线共轭内啮合齿轮副能达到明显降低齿轮泵噪音的事实，证明控制啮合点位移是设计低噪音齿轮泵的一个有效的途径。" m @& R5 l7 ^
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图1直线共轭内啮合齿轮副 图2 重合系数和齿顶高度的关系9 _, }# u2 V$ {4 O! H
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从啮合理论上分析，啮合过程完全可以通过齿轮参数的变化来控制，但是对于一项带有应用背景的基础研究，还要考虑对象的很多实际问题。如果利用二分之一到三分之一的齿高就可以满足重合度大于1的连续传动要求，如何设计和加工让其他部分不参与啮合将是齿廓设计的关键问题。另外，刀具设计，轮齿弯曲强度和齿面接触强度也需要加以考虑，因此，啮合理论的研究必须是综合性的系统研究。
5 k% L) k- }, e1 b K5 i长期以来，齿轮泵啮合过程的特殊性一直没有得到应有的重视，人们习惯用传动齿轮的分析计算方法处理齿轮泵的啮合问题，强调传动的平稳性、良好的接触面和润滑条件、高轮齿强度、容易达到高的精度及对中心距变化不敏感等方面，其实其中许多因素对齿轮泵的啮合过程没有太大的意义，相反，很多在传动齿轮中普遍接受的观点却需要改变，比如Stefano Negrini z在对渐开线外啮合齿轮泵的研究中发现，消除齿侧间隙后（Zero Backlash），随着困油现象的改善，工作噪音反而可以下降三分之一左右[4]。" `2 K- T; `+ m& T x8 k
目前国内外都没有对低噪音内啮合齿轮泵啮合过程的特殊性进行全面研究的报道。因此，针对这样一个特殊工况开展啮合理论研究，分析其啮合过程的特殊性，有较大的理论创新价值。另一方面，随着现代数控加工技术应用的日益普及，特殊齿形的加工成本明显下降，渐开线齿轮一统天下的局面会逐渐发生变化，特别是在齿轮泵等非传动用途领域，齿轮参数的设计可以有更大的灵活性。“啮合过程设计”这一全新的设计理念，不但是低噪音内啮合齿轮泵设计的一个有效手段，而且对各种工作要求下的齿轮副研究都具有的潜在的影响。& g7 f9 v; y( N' b
随着液压技术的推广应用，对液压系统的噪声和动态稳定性要求也日益提高。因此，以直线共轭内啮合为代表的低噪音内啮合齿轮泵是一种很有发展前途的齿轮啮合形式。目前上海航空发动机厂等国内企业也开始小批量仿制生产。但由于国外公司的技术垄断，对低噪音内啮合齿轮泵缺乏系统的分析研究和完善的设计理论，产品容积效率、输出压力等参数和性能稳定性方面与国外产品有很大的差距。因此，对低噪音内啮合齿轮泵啮合理论的研究，对提高我国液压泵技术水平也将产生较大的经济和社会效益。
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发表于 2011-5-14 13:47:32
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