3.2 齿轮泵
齿轮泵是海洋液压泵中最常见的一种泵，可分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵两种，无论是哪一种，都属于定量泵。
3.2.1 外啮合齿轮泵的结构及工作原理
外啮合齿轮泵一般都是三片式，主要由一对相互啮合的齿轮、泵体及齿轮两端的两个端盖所组成，其工作原理如图3.5所示。
图3.5 齿轮泵的工作原理
1—泵体；2—主动齿轮；3—从动齿轮
外啮合齿轮泵的工作腔是齿轮上每相邻两个齿的齿间槽、壳体与两端盖之间形成的密封空间。当齿轮按图3.5所示方向旋转时，其右侧吸油腔的相互啮合着的轮齿逐渐脱开，使得工作腔容积增大，形成部分真空，油箱中的油在大气压作用下被压入吸油腔内。随着齿轮的旋转，工作腔中的油液被带入左侧压油区，这时，由于齿轮的两个轮齿逐渐进行啮合，密封工作腔容积不断减小，压力增高，油便通过压油口被挤压出去。从图3.5中可见，吸油区和压油区是通过相互啮合的轮齿和泵体隔开的。
3.2.2 外啮合齿轮泵的流量计算
外啮合齿轮泵的排量就是齿轮每转一转齿间工作腔从吸油区带入压油区的油液的容积的总和，其精确的计算要根据齿轮的啮合原理来进行，计算过程比较复杂。一般情况下用近似计算来考虑，认为齿间槽的容积近似于齿轮轮齿的体积。因此，设齿轮齿数为z，节圆直径为D，齿高为h，模数为m，齿宽为b，泵的排量近似计算公式为：
（3.7）
但实际上，泵的齿间槽的容积要大于轮齿的体积，所以，将2π修正为6.66。齿轮泵的流量通常计算为：
（3.8）
式（3.8）计算的只是齿轮泵的平均流量，实际上齿轮啮合过程中瞬时流量是脉动的（这是因为压油腔容积变化率是不均匀的）。设最大流量和最小流量为qmax、qmin，则流量脉动率为：
（3.9）
在齿轮泵中，外啮合齿轮泵的流量脉动率要高于内啮合齿轮泵，并且随着齿数的减少而增大，最高可达20%以上。液压泵的流量脉动对泵的正常使用有较大影响，它会引起液压系统的压力脉动，从而使管道、阀等元件产生振动和噪声，同时，也影响工作部件的运动平稳性，特别是对精密机床的液压传动系统更为不利。因此，在使用时要特别注意。
3.2.3 齿轮泵结构中存在的问题及解决措施
（1）泄漏问题
前面讲过，液压泵在工作中其实际输出流量比理论流量要小，主要原因是泄漏。齿轮泵从高压腔到低压腔的油液泄漏主要通过三个渠道：一是通过齿轮两侧面与两面侧盖板之间的间隙；二是通过齿轮顶圆与泵体内孔之间的径向间隙；三是通过齿轮啮合处的间隙。其中，第一种间隙为主要泄漏渠道，大约占泵总泄漏量的75%～85%。正是由于这个原因，使得齿轮泵的输出压力上不去，影响了齿轮泵的使用范围。所以，要解决齿轮泵输出压力低的问题，就要从解决端面泄漏入手。一些厂家采用在齿轮两侧面加浮动轴套或弹性挡板，将齿轮泵输出的压力油引到浮动轴套或弹性挡板外部，增加对齿轮侧面的压力，以减小齿侧间隙，达到减少泄漏的目的，目前不少厂家生产的高压齿轮泵都是采用这种措施。
（2）径向不平衡力的问题
在齿轮泵中，作用于齿轮外圆上的压力是不相等的，在吸油腔中压力最低，而在压油腔中压力最高，在整个齿轮外圆与泵体内孔的间隙中，压力是不均匀的，存在着压力的逐渐升级，因此，对齿轮的轮轴及轴承产生了一个径向不平衡力。这个径向不平衡力不仅加速了轴承的磨损，影响了它的使用寿命，还可能使齿轮轴变形，造成齿顶与泵体内孔的摩擦，损坏泵体，使得泵不能正常工作。解决的办法一种是可以开压力平衡槽，将高压油引到低压区，但这会造成泄漏增加，影响容积效率；另一种是采用缩小压油腔的办法，使作用于轮齿上的压力区域减小，从而减小径向不平衡力。
（3）困油问题
为了使齿轮泵能够平稳地运转及连续均匀地供油，在设计上就要保证齿轮啮合的重叠系数大于1（ε>1），也就是说，齿轮泵在工作时，在啮合区有两对齿轮同时啮合，形成封闭的容腔，如果此时既不与吸油腔相通，又不与压油腔相通，便使油液困在其中，如图3.6所示。齿轮泵在运转中，封闭腔的容积不断地变化，当封闭腔容积变小时，油液受到很高的压力，从各处缝隙挤压出去，造成油液发热，并使机件承受额外负载。而当封闭腔容积增大时，又会造成局部真空，使油液中溶解的气体分离出来，并使油液本身汽化，加剧流量不均匀，两者都会造成强烈的振动与噪声，降低泵的容积效率，影响泵的使用寿命，这就是齿轮泵困油现象。
图3.6 齿轮泵的困油现象原理
解决这一问题的方法是在两侧端盖各铣两个卸荷槽，如图3.6中的双点划线所示。两个卸荷槽间的距离应保证困油空间在达到最小位置以前与压力油腔连通，通过最小位置后与吸油腔连通，同时又要保证任何时候吸油腔与压油腔之间不能连通，以避免泄漏，降低容积效率。
3.2.4 内啮合齿轮泵
内啮合齿轮泵一般又分为摆线齿轮泵（转子泵）和渐开线齿轮泵两种，如图3.7所示，它们的工作原理和主要特点完全与外啮合齿轮泵相同。
图3.7 内啮合齿轮泵的工作原理
1—吸油窗口；2—压油窗口
在渐开线内啮合齿轮泵中，小齿轮是主动轮，它带动内齿轮旋转。在小齿轮与内齿轮之间要加一块月牙形的隔离板，以便将吸油腔与压油腔分开。在上半部，工作腔容积发生变化，进行吸油和压油。在下半部，工作腔容积并不发生变化，只起过渡作用。图3.7中所示1、2区域分别是吸油窗口与压油窗口。
在摆线内啮合齿轮泵中，小齿轮比内齿轮少一个齿，小齿轮与内齿轮的齿廓由一对共轭曲线组成，常用的是共轭摆线，它能保证小齿轮的齿顶在工作时不脱离内齿轮的齿廓，以保证形成封闭的工作腔。如图3.7所示，这种泵在工作时，工作腔在左半区（与吸油窗口1接触）容积增大，为吸油区；而在右半区（与压油窗口2接触）工作腔容积减小，为压油区。
3.2.5 齿轮泵的优缺点
外啮合齿轮泵的优点是结构简单、重量轻、尺寸小、制造容易、成本低、工作可靠、维护方便、自吸能力强、对油液的污染不敏感，可广泛用于压力要求不高的场合，如磨床、珩磨机等中低压机床中；它的缺点是漏油较多，轴承上承受不平衡力，磨损严重，压力脉动和噪声较大。
内啮合齿轮泵的优点是：结构紧凑、尺寸小、重量轻，由于内外齿轮转向相同、相对滑移速度小，因而磨损小、寿命长，其流量脉动率和噪声都比外啮合齿轮泵要小得多。
内啮合齿轮泵的缺点是：齿形复杂，加工精度要求高，因而造价高。