齒輪泵（gear pump）是液壓系統(tǒng)中廣泛采用的一種液壓泵，一般做成定量泵。按結(jié)構(gòu)不同，分為外嚙合齒輪泵和內(nèi)嚙合齒輪泵，其中外嚙合齒輪泵應(yīng)用最廣。
齒輪泵最早于1580年由Serviere發(fā)明，1635年，德國學(xué)者Daniel Schwenter描述了齒輪泵的原理和機能。1953年力士樂制造第一臺工業(yè)化生產(chǎn)的行走機械用齒輪泵。1959年力士樂特別制造的齒輪泵和閥塊誕生，首次采用塊狀構(gòu)造法，制造了塊狀集成塊。
齒輪泵是靠一對嚙合的齒輪將一個密閉容腔分成兩部分——進(jìn)油腔（低壓腔）與出油腔（高壓腔），通過齒輪的嚙合轉(zhuǎn)動不斷將低壓腔油壓向高壓腔，從而完成容積式液壓泵的功能。
齒輪泵具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉、體積小、重量輕、自吸性能好、對油液污染不敏感、工作可靠、壽命長和便于維護修理等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于采礦、冶金、建筑、航空、航海、農(nóng)林等各類機械中。
發(fā)展歷程
齒輪泵最早于1580年由Serviere發(fā)明，1635 年，德國學(xué)者Daniel Schwenter描述了齒輪泵的原理和機能。在18 世紀(jì)90年代，許多的泵業(yè)公司已經(jīng)成立，最為著名的是Thomas Simpson在倫敦成立了Hayward Tyler公司，公司截止目前仍在為泵行業(yè)貢獻(xiàn)著大量的產(chǎn)品。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和進(jìn)步，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，較小的的體積和低噪聲的要求漸漸成為了液壓動力系統(tǒng)的主要要求。齒輪泵的發(fā)展也伴隨著生產(chǎn)力的進(jìn)步與要求逐漸發(fā)展和進(jìn)步。1905年，歷史上第一次在工業(yè)機械中使用了液壓泵，由于齒輪泵的結(jié)構(gòu)造價和體積的優(yōu)勢，齒輪泵在之后的 100多年之中都是液壓泵的主要類型之一。1953年力士樂制造第一臺工業(yè)化生產(chǎn)的行走機械用齒輪泵。1959年力士樂特別制造的齒輪泵和閥塊誕生，首次采用塊狀構(gòu)造法，制造了塊狀集成塊。
到二十世紀(jì)六七十年代，隨著制造技術(shù)的不斷提高和新材料的出現(xiàn)，齒輪泵性能顯著提高。1964 年美國生產(chǎn)的齒輪泵壓力可達(dá)到 17.5MPa，到六十年代后期，齒輪泵的壓力已可達(dá)21MPa。
工作原理
外嚙合齒輪泵
外嚙合齒輪泵的工作原理如下圖所示。泵的殼體內(nèi)有一對外嚙合齒輪，齒輪前后兩端面用端蓋蓋住，從而在泵殼體、端蓋與各個輪齒空槽間組成了許多密封的工作腔。當(dāng)主動（上）齒輪按圖示方向帶動下齒輪轉(zhuǎn)動時，左側(cè)吸油腔內(nèi)由于相互嚙合的輪齒逐漸脫開（圖中所示A點），使密封工作腔內(nèi)容積逐漸增大，壓力隨之下降繼而將油從油箱吸入，充滿整個齒槽空間，隨后在齒輪旋轉(zhuǎn)的帶動下，把油液帶到右側(cè)壓油腔。在壓油腔一側(cè)，由于輪齒逐漸進(jìn)入嚙合（圖中所示B點），密封工作腔內(nèi)容積不斷減小，油液便被擠出，壓力升高。在吸油區(qū)和壓油區(qū)之間，通過相互嚙合的兩齒輪的嚙合線、兩端蓋及泵體將高、低壓油區(qū)隔開，因而使高壓區(qū)的油不能直接流回到低壓區(qū)，只能按流向從壓油口流出，完成整個工作過程。
外嚙合齒輪泵存在困油現(xiàn)象，其產(chǎn)生原因是：為保證齒輪連續(xù)平穩(wěn)運轉(zhuǎn)且有效隔開吸油口和壓油口，齒輪嚙合時的重合度（嚙合數(shù)）必須大于1。一對齒輪未脫開之前，另一對齒便又開始嚙合，故部分油液被封閉在相鄰輪齒嚙合形成的密閉腔中無法排出，造成壓力脈動和噪聲。
內(nèi)嚙合齒輪泵
漸開線齒形內(nèi)嚙合齒輪泵如下圖所示，齒輪泵是靠小齒輪2（主動輪）與內(nèi)齒輪相嚙合而工作的。兩齒輪偏心安置，偏心距為e，右邊空隙處用一月牙形板3將吸油腔與壓油腔相隔開。與外嚙合齒輪泵不同的是，齒輪和齒環(huán)的轉(zhuǎn)動方向相同。在齒輪旋轉(zhuǎn)過程中，位于吸油腔5處的輪齒因脫離嚙合，齒腔容積拉大而吸入液體。位于壓油腔6處的輪齒則因進(jìn)入嚙合，齒腔容積縮小而排出液體，完成整個吸油與壓油的過程。
1-泵體 2-小齒輪（主動齒輪）3-月牙板 4-內(nèi)齒輪（從動齒輪）5-吸油腔 6-壓油腔
擺線齒輪泵（轉(zhuǎn)子泵）的工作原理如下圖所示，內(nèi)轉(zhuǎn)子2（小齒輪）與外轉(zhuǎn)子3（大齒輪）之間有偏心矩e，在嚙合旋轉(zhuǎn)過程中由內(nèi)外轉(zhuǎn)子和兩端面的配油盤形成了數(shù)個獨立的封閉容腔，例如腔A和腔B。當(dāng)內(nèi)定子和轉(zhuǎn)子繞中心01，沿逆時針方向轉(zhuǎn)動時，帶動外轉(zhuǎn)子繞O2中心同向旋轉(zhuǎn)。使容腔A空間逐漸增大形成真空而從配油盤中的吸油口吸入油液。當(dāng)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至圖示位置時，A容腔為最大，而容腔B隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動逐漸縮小，同時與配油盤的出油口相通，因而產(chǎn)生排油過程，當(dāng)B腔轉(zhuǎn)至右上方時，封閉容積最小，壓油過程結(jié)束，完成一個工作循環(huán)。這樣，在內(nèi)、外轉(zhuǎn)子異速同向旋轉(zhuǎn)中，油液不斷從吸油腔中吸入，從壓油腔排出，達(dá)到了輸送油液的目的。
1-泵體 2-內(nèi)轉(zhuǎn)子（小齒輪）3-外轉(zhuǎn)子（大齒輪）
基本構(gòu)造
外嚙合齒輪泵
外嚙合齒輪泵主要結(jié)構(gòu)由泵體、一對嚙合的齒輪、泵軸和前、后泵蓋組成。泵體內(nèi)裝有一對參數(shù)相同的齒輪，齒輪的兩端面靠前、后泵蓋密封。泵體、泵蓋和齒輪各個齒槽組成封閉的密封容積齒輪泵沒有專門的配流裝置，兩輪齒沿齒寬方向的嚙合線把密封容積分成吸油腔和壓油腔兩部分，在吸油與壓油過程中互不相通。
內(nèi)嚙合齒輪泵
以擺線式內(nèi)嚙合齒輪泵為例，由配油盤（前、后蓋）、外轉(zhuǎn)子（從動輪）和偏心安置在泵體內(nèi)的內(nèi)轉(zhuǎn)子（主動輪）等組成的。內(nèi)、外轉(zhuǎn)子相差一齒，內(nèi)轉(zhuǎn)子為六齒，外轉(zhuǎn)子為七齒，由于內(nèi)外轉(zhuǎn)子是多齒嚙合，這就形成了若干密封容積。
基本分類
按照嚙合的形式
齒輪泵可分為：外嚙合齒輪泵和內(nèi)嚙合齒輪泵。
按照齒形
齒輪泵可分為：漸開線式齒輪泵、圓弧型齒輪泵、擺線型(內(nèi)嚙合)齒輪泵。
按照齒面的形式
齒輪泵可分為：直齒式齒輪泵，同時進(jìn)入嚙合，因而產(chǎn)生沖擊振動噪聲，傳動不平穩(wěn)；斜齒式齒輪泵，齒輪重合度大，降低了每對齒輪的載荷，運用于高速重載工況；人字齒式齒輪泵，其嚙合能消除軸向的位移和受力，減少軸承的損壞。斜齒式齒輪泵由于齒面是連續(xù)點接觸，噪聲和沖擊較小，但對軸承要求較高。
按照級數(shù)
齒輪泵可分為：單級齒輪泵和多級齒輪泵，其中，多級齒輪泵是由多個齒輪泵串聯(lián)而成。
性能參數(shù)
齒輪泵性能的主要參數(shù)：齒輪泵的壓力、排量和流量、效率和功率。
壓力
壓力的相關(guān)參數(shù)包括齒輪泵的工作壓力和額定壓力。
工作壓力也叫系統(tǒng)壓力，是指齒輪泵在實際工作時輸出的液壓油的壓力值，也就是液壓油液為了克服系統(tǒng)中的阻力而需要建立的壓力。用p表示，常用單位為MPa 。
額定壓力是指泵在使用中允許連續(xù)運轉(zhuǎn)的最大工作壓力，超過此壓力值，泵就會過載，也就是在保證泵的使用時間、容積效率和額定轉(zhuǎn)速的情況下，泵連續(xù)工作時所允許使用的限定壓力。用pn表示，常用單位為MPa 。
排量和流量
排量是指在不考慮齒輪泵泄漏的情況下，泵軸轉(zhuǎn)過一整周所能輸出的油液的體積。用V表示，常用單位為ml/r 。
理論流量是指在在不考慮齒輪泵泄漏的情況下，泵在單位時間內(nèi)所能排出的液壓油液的體積，用qt表示，常用單位：L/min，如果泵的每分鐘轉(zhuǎn)速為n，則泵的理論流量qt等于排量V和轉(zhuǎn)速n的乘積，即qt=nV 。
實際流量是指液壓泵在工作時的輸出流量，用q表示，常用單位：L/min，此處的流量考慮到油液的泄漏，如果理論流量為qt ，泄漏量為ql，則q=qt-ql。
額定流量是指泵在額定轉(zhuǎn)速和額定壓力下所能輸出的流量，用qn表示，常用單位：L/min。
效率
由于齒輪泵存在泄漏，所以容積效率是指齒輪泵的實際流量q與理論流量qt的比值，用ηv 表示，即ηv= q /qt 。由于齒輪泵存在機械摩擦及油液的粘性摩擦，所以機械效率是指理論轉(zhuǎn)矩Tl與實際轉(zhuǎn)矩Ti 之比，用ηm表示，ηm=Tl /Ti 。泵的總效率是指泵的輸出功 po與輸入功率 pi之間的比值，用η表示，常用單位為：KW, η=P0/Pi =ηvηm。
應(yīng)用領(lǐng)域
在各種液壓泵中，齒輪泵是液壓傳動系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用的液壓元件之一。由于齒輪泵具有結(jié)構(gòu)簡單，制造簡便、尺寸小、購買便宜、重量輕、可靠性高、對油液敏感度低、自吸能力強、壽命長、維護起來較方便等優(yōu)點。由齒輪泵結(jié)構(gòu)特點決定它是對稱的旋轉(zhuǎn)體，所以它能夠高速旋轉(zhuǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于采礦設(shè)備，冶金設(shè)備，建筑機械，機床行業(yè)，航空造船行業(yè)及各種工程和農(nóng)業(yè)機械等各個行業(yè)中；另外，也適宜用在工作壓力不高而所需流量相對較大的液壓傳動系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)中。
發(fā)展趨勢
隨著生產(chǎn)制造力的不斷提高，社會對產(chǎn)品的要求也越來越高，為了適應(yīng)社會生產(chǎn)力的發(fā)展，液壓系統(tǒng)也在往高響應(yīng)、高功率密度、低噪音的方向發(fā)展。因此為了迎合這種發(fā)展潮流，齒輪泵將朝著以下幾個方向發(fā)展：
高壓化
一般情況下認(rèn)為柱塞泵屬于高壓泵，常規(guī)齒輪泵屬于低壓泵，但是隨著生產(chǎn)制造技術(shù)的不斷提高，齒輪泵的工作壓力也有提高的趨勢。這樣齒輪泵就可以在更多的場合使用，而齒輪泵結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用維修方便、抗污染能力高等眾多優(yōu)點也能得到更好的發(fā)揮。但是隨著工作壓力的不斷升高，齒輪泵也會存在泄漏過大影響容積效率，徑向力過大的問題。因此提高齒輪泵轉(zhuǎn)速，最主要的是解決泄漏和徑向力不平衡的問題。通過國內(nèi)外學(xué)者的努力研究，在齒輪泵高壓化方面已經(jīng)取得了一些成績，但是由于齒輪泵自身結(jié)構(gòu)的限制，在對一些新結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)時仍然存在著一些問題。
高速化
由齒輪泵流量公式可以看出，齒輪泵的流量和轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系。因此在排量相同的情況下，只要泵的轉(zhuǎn)速夠高，較小的泵也能提供較大的流量。而且，在輸出功率相同的情況下，額定轉(zhuǎn)速高的電動機的體積和質(zhì)量要小于額定轉(zhuǎn)速低的電動機的體積和質(zhì)量，因此，高轉(zhuǎn)速的齒輪泵所組成的供油單元的功率密度可以更高。但轉(zhuǎn)速增高，摩擦也會更大，這就對泵摩擦副材料的要求會很高。同時轉(zhuǎn)速越高，泵內(nèi)越容易發(fā)生空化現(xiàn)象，且轉(zhuǎn)速過高泵吸油不足，油液無法充滿齒間，從而導(dǎo)致容積效率降低。因此首先需要了解泵的極限轉(zhuǎn)速，這樣在提高轉(zhuǎn)速的過程中可以避開一些轉(zhuǎn)速過高所帶來的問題。
低流量脈動
液壓泵是液壓系統(tǒng)的能源裝置，為系統(tǒng)提供壓力能，因此泵的流量脈動也會傳遞到系統(tǒng)中，引起系統(tǒng)的壓力脈動。而這種脈動會引起系統(tǒng)的振動和噪音，使系統(tǒng)出現(xiàn)故障。因此，在這種情況下就需要采取有效措施對泵流量脈動進(jìn)行控制。外嚙合齒輪泵的流量脈動與齒數(shù)有關(guān)，在相同排量的情況下，可以通過增加齒數(shù)的方法來降低流外嚙合直齒輪泵內(nèi)部流場及極限轉(zhuǎn)速的確定量脈動。而內(nèi)嚙合齒輪泵和復(fù)合齒輪泵都能有效減小流量脈動，因此也可以通過這種方式來降低齒輪泵的流量脈動。
低噪音
齒輪泵的噪聲主要為機械噪音和液體噪音兩種。機械噪音主要為摩擦副及零部件間沖擊振動產(chǎn)生的噪音，液體噪音主要由流量脈動造成的壓力脈動以及困油沖擊而形成。近些年來隨著人們環(huán)保意識的不斷提高，對齒輪泵的噪音的要求也越來越高。對于外嚙合齒輪泵來說，其主要噪聲來源為流量脈動和困油而產(chǎn)生的噪聲。因此降低外嚙合齒輪泵的有效措施即降低流量脈動和消除困油現(xiàn)象。
相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
以上資料來自
參考資料 >
齒輪泵.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信息服務(wù)平臺.2023-11-29