小型齿轮泵的轴齿轮结构设计及其工艺的研究

兰小光 岑华

【摘 要】本文針对小型齿轮泵轴齿轮加工效率低的难题，从轴齿轮的功能、结构、加工工艺以及设计方面进行分析，探讨改进轴齿轮的设计，以提高轴齿轮的加工效率。

【关键词】小型齿轮泵 轴齿轮 结构 设计 工艺 效率

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2017）11C-0187-03

小型外啮合齿轮泵因其结构简单、体积小、重量轻，自吸性能好，对油的污染不敏感，适应转速较大范围的变化，工作可靠，寿命长，以及价格低廉、维修方便的特点，广泛应用在各种小型机械及动力设备的润滑上。外啮合齿轮泵的工作原理很简单，即由一对齿数、尺寸相同的渐开线齿轮在一个紧密配合的“8”字形壳体内相互啮合旋转，齿轮的外径及两侧与壳体紧密配合。泵体、端盖和齿轮之间形成密封腔，并由两个齿轮的齿面接触线将左、右腔隔开，形成吸、压油腔。当齿轮转动时，齿轮脱开侧的空间的体积从小变大，形成真空，将液体吸入，齿轮啮合侧的空间的体积从大变小，而将液体挤入管路中去。随着齿轮的不断旋转啮合，在泵的出口能够提供一个连续排出的量，齿轮泵的排出口的压力完全取决于泵出处阻力的大小。

由于齿轮的顶部和齿轮的两个侧面与壳体有一定的间隙，这个间隙的大小与齿轮泵能提供的压力、排量和效率有关，特别是齿侧间隙的大小，对齿轮泵的效率影响最大。当转速一定的时候，齿轮泵的齿侧间隙越大，泄漏就越明显，齿轮泵能提供的工作压力、排量及效率就低；反之齿侧间隙越小，齿轮泵能提供的工作压力、排量及效率就高，而齿侧间隙的大小跟轴齿轮和齿轮泵壳体的加工精度有关。由于轴齿轮的结构特点，齿轮两侧面与齿轮轴心线垂直度的要求是很高的。

一、小型齿轮泵的结构和加工现状分析

在传统的齿轮泵设计中，轴齿轮是一体性设计的（见图1）。在这么高精度要求的情况下，轴齿轮的加工工艺只能是一次装夹加工完成才能保证同轴度和垂直度的要求。即加工工艺如下：粗车外圆Φ2—粗车外圆Φ1—切Φ3处粗加工—精车Φ1达尺寸—精车Φ2外圆达尺寸—精车Φ2齿轮处两侧面达尺寸—精车Φ3达尺寸—切断—插齿轮（从动轮）—铣扁位（主动齿轮）。我们一直按着这个工艺生产的，加工出的产品也能够达到技术要求，只是在加工Φ3轴的时候需要用切断刀慢慢把多余的材料切除，然后再用尖刀低速加工才能保证Φ1和Φ3同轴以及Φ1和Φ3表面的粗糙度要求，Φ2处两侧面也必须用两把调好的刀一次切削才能保证尺寸精度的要求，所以加工速度慢、效率低，同时切断刀的损耗也很大，另外材料切除量大，浪费多，材料利用率很低。

经调研，我们了解到现有齿轮泵的市场已经很成熟，生产企业之间竞争非常激烈，产品的利润很微薄，因此没有新资金愿意介入齿轮泵的生产。现有齿轮泵生产的厂家大多是多年从事齿轮泵生产的中小型企业，此类企业技术力量薄弱，设备更新换代不足，大多数企业徘徊在亏损的边沿。某油泵厂是个有100多名职工的小型企业，小型外啮合齿轮油泵是这个厂的传统产品之一，40多年来一直按照这个工艺生产。近年来，虽然企业也添置了数控车床，采用优质合金刀具，但是走的基本还是原来的加工工艺路线，只是用数控机床代替了人工的操作，轴齿轮的加工效率也几乎提高了一倍，但是还是没有从根本上解决轴齿轮的生产效率问题。近年来，由于各种成本的上升，市场竞争的激烈，生产齿轮泵的利润也越来越低，几乎到了亏损的边缘，因此必须尽快找到提高生产效率的有效途径。

二、轴齿轮结构分析

我们生产的小型齿轮泵主要用于小型汽油、柴油机的润滑油泵。齿轮泵的工作介质——机油，它的黏度不大，对出油压力没有特别要求，即出油压力低，但是对泵的可靠性要求很高，只要发动机运转就一定要润滑的供给。

我们把齿轮泵的主动轴齿轮和从动轴齿轮的一体式设计改为分体式设计（见图2、图3），即通过分别加工齿轮和齿轮轴，然后再用热套的方法把他们装配在一起。在这个工艺中最主要的问题是过盈装配以后能够保证齿轮轴和齿轮传递的扭矩，即在齿轮泵输出压力波动的情况下也能保证齿轮泵正常工作。小型发动机的设计转速一般在1000转/分钟～6000转/分钟，我们设计齿轮油泵的工作压力最高为2MP，按公式分别计算出齿轮轴和齿轮的过盈配合量。

（一）计算驱动齿轮泵的扭矩

排量v=6.66zm2b=6.66×17×12x20=2264mm3/r=2.264mL/r，

流量Lmin=vn=2.264×1000=2.264L/min，

流量Lmax= vn=2.264×6000=13.6L/min，

最小功率P0min=pq=2×106×2.26×10-3/60=75瓦，

最大功率P0max=pq=2×106×13.6×10-3/60=450W，

齿轮泵总效率η按0.75计算，那么输入的扭矩

Tt= o/ n2πnη=75/（2π×1000×0.75）=0.016 N.m

（二）计算齿轮轴与齿轮配合的最小过盈量

1.计算过盈配合压力

齿轮泵工作的时候只受扭矩力没有轴向力，由过盈配合可以传递力矩计算公式

Mf=πd2lfp/2得p=2Mf/（πd2lf）

由于Tt≥Mf

所以p≥2Tt/（πd2lf）

f——摩擦系数，轴和齿轮为钢-钢取0.2

d——过盈配合直径为10mm

l——过盈配合长度为20mm

因此p≥2Tt/（πd2lf）

=2×0.016/（3.14×102×20×0.2）×109P

p≥0.025MP

2.计算过盈配合的最小过盈量

△min=pd（C1/E1+C2/E2）×103μm

E1、E2——分别为被包容件与包容件的弹性模量，对于钢取2.1×105MP

C1——被包容件的刚性系数

C1=（d2+d12）/（d2-d12）-μ1

d——配合直径10mm

d1——为被包容件的内径，实心轴d1=0 mm

μ1——为被包容件的泊松比，对于钢，取0.3

因此C1=（102+102）/（102-02）-0.3=1.7

C2——为包容件的刚性系数

C2=（d22+d2）/（d22- d2）-μ2

d2——为包容件的外直径，取齿根圆直径

d2=17-1.25×2=14.5mm

μ2——为包容件的泊松比，对于钢，取0.3

所以C2=（14.52+102）/（14.52-102）-0.3=2.81

最后△min=pd（C1/E1+C2/E2）×103

=0.025×10×（1.7/2.1×105+2.85/2.1×105） ×103

=0.0053μm

（三）制定齿轮轴与齿轮的配合尺寸

因为齿轮轴与齿轮泵体孔的配合为基孔制10H/g6间隙配合，现在只能选齿轮孔去配齿轮轴了，按10e7/g6过盈配合。

孔的尺寸为：10-0.025-0.040

轴的尺寸为：10-0.005-0.014

最小过盈=（10-0.025）-（10-0.014）=-0.011 mm

最大过盈=（10-0.040）-（10-0.005）=-0.035 mm

可见在最小过盈量0.011 mm的情况下，也可以完全可以满足齿轮泵的工作需要。

（四）计算热套装配的加热温度

按简易的热膨胀计算公式：钢的热膨胀系数取1.17，最大过盈量35微米

膨胀量（微米）=直径或长度（分米）×（实际温度-常温）℃×材料膨胀系数（微米）

（实际温度-常温）℃=膨胀量（微米）/[直径（分米）×材料膨胀系数]

=35/（0.1×1.17）

=299℃

按常温30℃计算，齿轮必须加热到330℃以上才能套入齿轮轴。

三、改进后的轴齿轮工艺分析

改进以后齿轮和齿轮轴的加工工艺如下：

齿轮的加工工艺：选用直径Φ20的45号钢正火处理，车端面—车外圆—切断—磨削两侧面达尺寸—钻孔—倒角—铰孔—滚齿。

齿轮轴的加工工艺：选用直径Φ10.5的冷拉45号钢，倒角切断取长度—无心磨外圆达尺寸（从动轴）—铣扁位（主动轴）。

齿轮和轴的热套组装：由于热套需要的温度比较高，一般的导热油很难加热到这样的温度，所以宜采用电炉加热的方法，在350℃左右套入齿轮轴即可。

关键工艺点分析：齿轮内孔与端面垂直度的保证。齿轮内孔钻孔时必须在立式钻床上进行，用台钻或摇臂钻床钻孔无法保证垂直度的要求，如果没有立式钻床可以改在车床或数控铣床上钻孔。钻孔前要打中心孔，用Φ9.8钻头钻孔，然后经过粗铰和精铰达到尺寸精度。

四、改进前后的轴齿轮加工经济性对比分析

首先，由于结构的改进，从生产轴齿轮所用的材料方面可以节约材料费；其次，采用新的生产工艺使得生产率提高，用旧工艺生产一套轴齿轮的费用和用新工艺生产一套齿轮轴的费用之差就是节约的成本；最后，由于采用新工艺而必须投入的设备及工装夹具的费用如何合理分担的问题。根据工厂现有的设备，采用新工艺后不需要增添新设备，增添的工装夹具也很少，可以忽略不计。按现在45号钢的单价5元/公斤，人工工资（含管理费）按20元/小时计算，轴齿轮改进前后生产费用如表1所示。

从计算的结果中可以看出采用新的轴齿轮结构后，每生产一套齿轴轮泵可以节约成本5元左右，经济效益非常可观。

五、轴齿轮改进后齿轮泵运行实验数据的佐证

虽然我们经过齿轮泵的受力计算分析，能够证明轴齿轮的改进设计对齿轮泵的使用没有任何影响，但是在实践的应用中我们还是非常小心谨慎的。虽然小型汽油、柴油机所用的齿轮泵对供油压力没有特别要求，但是对齿轮泵供油可靠性要求是非常高的，也就是说只要发动机工作就必须保证齿轮泵供油，不然发动机就会因为断供润滑油而损坏，因此我们要保证万一在发动机润滑供油回路部分堵塞的情况下，引起齿轮泵输出压力的升高，轴齿轮扭矩增大，这时齿轮泵也不会出现轴和齿轮结合面的打滑，而能够继续供油。

第一，在实验中我们把改进后的齿轮泵出口压力分别调到1MP、2MP、3MP，在每种压力下进行6小时连续运转的实验。第二，我们还在2MP的压力下，分别在1000转/分钟、2000转/分钟、3000转/分钟和6000转/分钟不同的转速下，各做了4小时连续运转的实验。第三，在2MP的压力和3000转/分钟转速下，我们还对新齿轮泵做了48小时的连续长时间可靠性实验，实践证明改进后的齿轮泵没有出现任何问题。

六、本研究存在的局限性

第一，本文的研究只是针对小型齿轮泵的结构，由于小型齿轮泵受力小，用热套的方法能够保证传递需要的扭矩，但是对于大型、中高压的齿轮泵的结构就不一定实用了，建议还是应该用键连接的方法。第二，要解决的问题是齿轮内孔与端面的垂直度一定要严格保证，不然会出现齿轮端面與泵体侧面间隙过大的问题，影响到齿轮泵的流量和出口的压力。第三，我们只是在设定的条件下进行受力计算分析和得到的实验数据，对于齿轮泵安装在主机上长时间运行的可靠性，特别是在实际工作中的变速变压力运行条件下还缺乏数据。

总之，小型齿轮泵由于结构简单、体积小、运行可靠等优点广泛应用在各个邻域中。按照一个中等齿轮泵企业的规模，每年生产50万台小型齿轮泵，改进设计后每年可以增收250万元左右，而最关键的问题是改进设计及工艺以后，轴齿轮的生产能力可以提高3到5倍，真正解决了企业生产的瓶颈问题。因此，小型齿轮泵的改进设计项目研究，有利于提高生产效率、提高企业竞争力，在企业生产应用中有着非常重要的意义。

【参考文献】

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