3.2 齿轮泵
齿轮泵是一种常用的液压泵。它的主要优点是：结构简单，制造方便，价格低廉，体积小，质量轻，自吸性能好，对油液污染不敏感，工作可靠。其主要缺点是：流量和压力脉动性大，噪声大，排量不可调（是定量泵）。齿轮泵被广泛地应用在采矿、冶金、建筑、航空、航海、农林等各类机械中。
齿轮泵按照其啮合形式的不同，有外啮合齿轮泵、螺杆泵和内啮合齿轮泵，外啮合齿轮泵应用较广。本节着重介绍它的工作原理和结构性能。
3.2.1 外啮合齿轮泵结构及工作原理
齿轮泵的结构及工作原理如图3-3所示，泵体1内有一对相互啮合的齿轮2和3，齿轮的两端由端盖密封。这样由泵体、齿轮的各个齿槽和端盖形成了多个密封工作腔，同时轮齿的啮合线又将吸油腔、压油腔左右两腔隔开，自然形成配油机构。当齿轮按图3-3所示方向旋转时，右侧油腔内的轮齿相继脱离啮合，露出齿间，密封工作腔容积不断增大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压力作用下经吸油管进入吸油腔，填充增大的吸油腔齿间容积，并被旋转的齿轮带入左侧压油腔，此过程为吸油过程；与此同时，左侧压油腔由于轮齿不断进入啮合，使密封工作腔容积减小，油液受到挤压从压油口排出。产生的压力被输出送往系统，此过程为压油过程。
3.2.2 外啮合齿轮泵排量和流量
图3-3 外啮合齿轮泵工作原理
1—泵体 2—主动齿轮 3—从动齿轮
外啮合齿轮泵的排量可近似看作是两个啮合齿轮齿间容积之和。若假设齿槽容积等于轮齿体积，则当齿轮齿数为z、模数为m、分度圆直径为d（其值等于mz）、有效齿高为h（其值等于2m）、齿宽为b时，齿轮泵的排量近似值为
q=πdhb=2πzm2b （3-11）
实际上，齿槽容积比轮齿体积稍大一些，并且齿数越少差值越大，因此需用数值3.33～3.50来代替上式中的p值（齿数少时，取大值），以补偿误差。即齿轮泵的排量为
q=（6.66～7）zm2b （3-12）由此得出齿轮泵的输出流量为
Q=（6.66～7）zm2bnηV （3-13）
实际上，由于齿轮泵在工作过程中啮合点沿啮合线移动，使其工作油腔的容积变化率是不均匀的。因此，齿轮泵的瞬时流量是脉动的。流量脉动会直接影响到系统工作的平稳性，引起压力和流量脉动，使管路系统产生振动和噪声。如果脉动频率与系统的固有频率一致，还将引起共振，加剧振动和噪声。齿轮泵的流量脉动性可用脉动率来表示，若用Qmax和Qmin表示最大、最小瞬时流量，Q表示平均流量，则流量脉动率σ可用下式表示
流量脉动率是衡量容积式液压泵性能好坏的一个重要指标。在容积式液压泵中，齿轮泵的流量脉动最大，并且齿数愈少，脉动率愈大。这是外啮合齿轮泵的一个缺点。所以，齿轮泵一般用于对工作平稳性要求不高的场合，要求平稳性高的高精度机械不宜采用齿轮泵。
例3-2 如图3-4所示的齿轮泵：①试确定该泵有几个吸油和压油口；②若三个齿轮的结构参数相同，其齿顶圆直径D=48mm，齿宽b=25mm，齿数z=14，n=1450r/min，容积效率ηV=0.9，试求该泵的理论流量和实际流量是多少。
解 1）根据齿轮泵的工作原理可以确定该泵有两个吸油口和两个压油口。根据各啮合齿轮的旋转方向可以知道，齿轮1和齿轮2的上部是吸油口，下部是压油口；齿轮2和齿轮3的下部是吸油口，上部是压油口。
图3-4 例3-2附图
2）计算流量：
理论流量
Qt=2qn=2πdhb=4πzm2bn
其中，模数
则所得到的理论流量为
Qt=4πzm2bn=4π×14×（3×10-3）2×25×10-3×1450/60m3/s=9.566×10-4m3/s
实际流量 Q=QtηV=9.566×10-4×0.9m3/s=8.61×10-4m3/s
则该液压泵的理论流量是9.566×10-4m3/s，实际流量是8.61×10-4m3/s。
3.2.3 存在的几个结构问题
1.困油现象及解决措施
为了保证齿轮泵的齿轮平稳地啮合运转，吸、压油腔严格地密封，以及连续地供油，必须使齿轮啮合的重合度ε>1，通常取ε=1.05～1.1。由于重合度大于1，也就是前一对齿尚未脱开啮合前，后一对齿就开始进入啮合，依此类推进行工作。这样，就会间断地出现两对齿同时进行啮合的现象，这样当两对齿同时进行啮合时，在它们之间就形成了一个闭死小容腔，如图3-5所示，闭死容积内的油液瞬间被围困在其中，这种现象称为困油现象。
图3-5 齿轮泵困油现象及其消除措施
a）一对齿尚未脱开啮合而后一对齿又开始啮合 b）啮合点处于节点两侧的对称位置 c）即将脱开啮合 d）采取措施
困油现象的危害：图3-5a所示是前一对齿尚未脱开啮合而后一对齿又开始啮合的位置，此时闭死小容腔的容积最大。随着齿轮的旋转，小容腔容积逐渐缩小，直至图3-5b所示位置时，啮合点A和B处于节点两侧的对称位置，此时闭死小容腔容积最小。在这个过程中，被困的油液受到挤压，使压力急剧升高，油液从缝隙中强行挤出，使齿轮和轴承受到很大的径向力，并产生噪声、振动和发热。当齿轮继续转动时，小容腔容积又逐渐增大，直至前一对齿在A位置即将脱开啮合时，容积又增至最大，如图3-5c所示。在此过程中，由于压力降低，产生真空，容易发生气蚀现象。困油现象使齿轮泵在工作中产生噪声、发热、容积效率降低，并影响齿轮泵的工作平稳性和使用寿命。
采取的消除措施：为了减轻困油现象的危害，只能在结构设计上采用一定的措施，一般是在齿轮两侧的轴套（或侧板）上开卸荷油槽。开槽的原则是：①当闭死容积由最大逐渐减小时，其通过卸荷槽与压油腔相通；②当闭死容积由最小逐渐增大时，其通过卸荷槽与吸油腔相通；③当闭死容积处于最小位置时，如图3-5d所示，齿轮泵吸、压油腔不能通过卸荷槽直接相通，即闭死容积此时不能与吸、压油腔相通。
2.径向不平衡力
齿轮泵工作时，由于齿顶间隙的泄漏，齿轮圆周上所受油的压力是不同的，压力的分布状况如图3-6所示。在齿轮泵中，液体作用在齿轮外缘的压力是不均匀的，从压油腔到吸油腔，压力沿齿轮旋转的方向逐齿递减，因此齿轮和轴受到径向不平衡力的作用。工作压力越高，径向不平衡力也越大。径向不平衡力很大时，能使泵轴弯曲，导致齿顶接触泵体，产生摩擦；同时也加速齿轮、泵体、轴承的磨损，降低轴承使用寿命。为了减小径向不平衡力的影响，常采取缩小压油口的办法，使压油腔的压力油仅作用在2个齿的范围内。
3.泄漏及解决措施
液压泵中组成密封工作容积的零件做相对运动时，其间隙产生的泄漏会影响液压泵的性能。外啮合齿轮泵压油腔的压力油主要通过三条途径泄漏到吸油腔中去。
图3-6 径向不平衡力分布图
一是齿轮端面与端盖之间的轴向间隙泄漏，齿轮端面与前后盖之间的间隙较大，此间隙封油长度又短，所以泄漏量最大，可占总泄漏量的70%～75%；二是泵体内表面和齿顶径向间隙泄漏，由于齿轮转动方向与泄漏方向相反，压油腔到吸油腔通道较长，所以其泄漏量相对较小，占泄漏量的10%～15%；三是齿面啮合面的间隙泄漏，由于齿形误差会造成沿齿宽方向接触不好而产生间隙，使压油腔与吸油腔之间造成泄漏，但这部分泄漏量很少。
从上述可知，齿轮泵由于泄漏量较大，工作压力难以提高。解决的措施是减少沿端面间隙的泄漏量，提高齿轮泵的额定压力并保证有较高的容积效率。
3.2.4 提高外啮合齿轮泵压力的措施
三类间隙中，端面间隙的泄漏量最大。液压泵的压力愈高，端面间隙泄漏的液压油就愈多，因此，一般齿轮泵只用于低压系统。为减小泄漏，用减小端面间隙的方法并不能取得好的效果，因为在泵经过一段时间运转后，由于磨损而使间隙变大，泄漏又会增加。为提高齿轮泵的压力和容积效率，需要从结构上采取措施，对端面间隙进行自动补偿。
通常采用的自动补偿端面间隙装置有浮动轴套式（见图3-7）和弹性侧板式两种。浮动轴套式齿轮泵的浮动轴套是浮动安装的，轴套外侧的空腔与泵的压油腔相通。所引入压力油使轴套或侧板紧贴在齿轮端面上，泵输出的压力愈高，轴套或侧板贴得愈紧，因而可自动补偿端面磨损和减小间隙。当泵工作时，浮动轴套受油压的作用而压向齿轮端面，将齿轮两侧面压紧，从而补偿了端面间隙。
图3-7 齿轮泵的端面间隙补偿
1—壳体 2—主动齿轮 3—从动齿轮 4—前端盖 5—后端盖 6—浮动轴套 7—压力盘
3.2.5 螺杆泵和内啮合齿轮泵
1.螺杆泵
螺杆泵实质上是一种外啮合式摆线齿轮泵。在螺杆泵内的螺杆可以有两根，也可以有三根。图3-8所示是三螺杆泵的工作原理。在泵体内安装三根螺杆，中间的主动螺杆3是右旋凸螺杆，两侧的从动螺杆1是左旋凹螺杆。三根螺杆的外圆与泵体的对应弧面保持着良好的配合，螺杆的啮合线把主动螺杆3和从动螺杆1的螺旋槽分割成多个相互隔离的密封工作腔。随着螺杆的旋转，密封工作腔可以一个接一个地在左端形成，不断从左向右移动，但其容积不变，因此可以形成均匀而平稳的输出流量。主动螺杆每转一周，每个密封工作腔便移动一个导程。最左面的一个密封工作容腔容积逐渐增大，完成吸油；最右面的容积逐渐减小，则将油压出。螺杆直径愈大，螺旋槽愈深，泵的排量就愈大；螺杆愈长，吸油口和压油口之间的密封层次愈多，泵的额定压力就愈高。
图3-8 螺杆泵
1—从动螺杆 2—吸油口 3—主动螺杆 4—压油口
螺杆泵主要优点是：结构简单紧凑，体积小，质量小，运转平稳，输油量均匀，噪声小，容许采用高转速，容积效率较高（可达0.95），对油液的污染不敏感。因此，螺杆泵在精密机床等设备中应用日趋广泛。螺杆泵的主要缺点是：螺杆齿形复杂，加工较困难，不易保证精度。
2.内啮合齿轮泵
内啮合齿轮泵有渐开线齿形式和摆线齿形式两种，其结构示意如图3-9所示。这两种内啮合齿轮泵的工作原理和主要特点皆与外啮合齿轮泵相同。在渐开线齿形内啮合齿轮泵中，小齿轮和内齿轮之间要装一块月牙隔板，以便把吸油腔和压油腔隔开，如图3-9a所示。摆线齿形内啮合齿轮泵又称摆线转子泵，如图3-9b所示，在这种泵的结构中，中小齿轮和内齿轮只相差一齿，因而不须设置隔板。内啮合齿轮泵中的小齿轮是主动轮。
图3-9 内啮合齿轮泵
a）渐开线齿形式 b）摆线齿形式 1—吸油腔 2—压油腔 3—隔板
内啮合齿轮泵结构紧凑，尺寸小，质量小，运转平稳，噪声低，在高转速工作时有较高的容积效率，但在低速高压下工作时，压力脉动大，容积效率低，所以一般用于中低压系统。在闭式系统中，常用这种泵作为补油泵。内啮合齿轮泵的缺点是：齿形复杂，加工困难，价格较贵。