油泵知识培训Word格式文档下载.docx

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自动变速箱采用的油泵均为容积式油泵，它的原理是：

密封容积由小变大时，密封容积内下降，进油口的液体在外部压力的作用下（一般为大气压）进入密封容积，当密封容积由大变小时，密封容积内压力变大，将密封容积内的液压油从出油口挤出。

2、分类

根据油泵的排量是否可以变化，汽车自动变速箱油泵可分为定量泵和变量泵。

常用的定量泵有外啮合和内啮合两种型式。

在工程机械和载重汽车上，由于油泵功率较大，布置在变速箱内部较困难，一般采用外啮合齿轮泵，布置在箱体外部；

而轿车上油泵布置在箱体内，一般采用结构紧凑尺寸小的内啮合齿轮泵。

内啮合齿轮泵有带月牙形隔板和不带月牙形隔板两种，当齿数差大于2时，就需要月牙形隔板来密封。

带月牙形隔板的有渐开线齿轮泵，内摆线齿轮泵，不带月牙形隔板的有摆线转子泵和双中心泵。

汽车自动变速箱上采用变量泵的例子很少，目前知道的仅有GM采用变量叶片泵。

1.带月牙形隔板的渐开线齿轮泵（Crescenttypeinvolute）

图1所示为带月牙形隔板的渐开线内啮合齿轮泵，渐开线齿形的压力角在20-30度之间。

主动外齿轮和从动内齿轮的中心偏心布置，由于主动齿轮和从动齿轮的齿数差大于2，在吸油口和出油口之间有一月牙形隔板，对高压腔和低压腔形成密封。

油泵的输出流量取决于齿轮的节圆直径和齿宽。

对于给定节圆直径的油泵，齿数越少输出流量越大。

2.带月牙形隔板的内摆线齿轮泵（Hypocycloidal）

如图2所示，带月牙形形隔板的内摆线齿轮泵的主、从动齿廓均为内摆线。

内摆线齿轮泵的特点是每个齿之间的工作腔增大，在相同外径和理论排量下，其齿宽只有传统的渐开线齿轮泵的2/3。

内摆线齿轮泵的齿数较少，主动和从动齿轮的齿数大约均是渐开线齿轮泵的一半。

和渐开线齿轮泵一样，由于主、从动齿轮的齿数大于2，内摆线齿轮泵也使用月牙形分隔板。

和渐开线齿形相比，内摆线齿形曲率较小，齿高大，约是渐开线齿的两倍。

平而狭的齿形有两个优点：

齿廓平坦增加了密封表面，齿宽的减小使得液体填充齿间空腔所必需流过的轴向距离减小，从而提高了充油能力。

与其他类型的泵相比，由于内摆线齿轮泵的充油能力强，其出现气穴现象的可能性小。

当齿腔中油的局部压力比油的饱和蒸汽压力低时，液压油中就会形成气泡，当压力升高时，气泡破裂，由于气泡破裂所引起的高速液流冲击金属表面，使金属颗粒从油泵零部件表面脱落，造成气蚀。

3.摆线转子泵（Gerotor）

如图3所示，转子泵由内外转子组成，其内转子比外转子少一个齿。

转子泵中无月牙形分隔板。

转子齿凸面的形状使得各齿保持相切接触，转子泵的每个内齿与外齿表面连续滑动接触，这就保证了内外齿之间工作腔的密封（吸油腔和排油腔）和防止压力油的泄露。

转子泵内外齿接触面之间的滑移速度较低，从而使接触面的磨损减小。

轴转6-13转（与齿数有关）接触点完成一个循环。

齿间空腔的打开和关闭，是在通过长的吸油口和排油口时逐渐完成的，这使得油压冲击和流量波动降到最小。

4.双中心泵（Duocentric）

如图4所示，双中心泵是由转子泵的齿形修行得到的。

和转子泵单个平滑扇形齿相比，双

中心泵的齿是由陡直齿侧和圆弧齿顶组成，主动齿的齿顶和从动齿的齿根是圆弧形的，其齿侧面是直线形的，在相互啮合转动的过程中，保持线接触，相互滚动。

5、变量泵（Variable）

最常用的变量泵是叶片泵，如图5所示。

它有定子和转子组成，定子和转子偏心安装。

当转子旋转时，按转在转子中的叶片外伸或回缩，保持与定子内表面接触形成密封。

泵的排量可以通过调节内转子的偏心量来改变。

大部分时间里，定量泵的流量都大于变速箱所需要的流量。

多余的变速箱油通过主调压阀回到油泵的进口进行再次循环或直接回到油底壳。

驱动油泵输出这些多余的流量的机械能就白白浪费掉了，采用变量泵可以减小这些能耗。

二、转子泵的设计

1、介绍

转子泵因为其效率高、零部件数量少，且能很方便的安装在驱动轴上，被广泛的应用在汽车变速箱上。

如图1，转子泵有四个基本的部件：

内转子，外转子，泵体及泵盖。

内转子一般安装在轴上，外转子处于泵体的空腔内。

外转子与泵体的空腔间隙很小，在运转过程中形成油膜，用来支撑外转子。

泵体上的空腔根据转子的结构与驱动轴存在一个固定的偏心量。

图1

内外转子是一个内啮合的，齿顶密封的齿轮副，其特殊的共轭齿廓使得内转子的N个齿与外转子的N+1个齿在整个转动过程中保持密封。

这种结构使得油泵的高压区及低压区不需要月牙形隔板来分隔，但是为了保证油泵高/低压区之间的密封，内外转子的加工精度必须控制的非常好。

图2所示是一个典型的转子泵及其进出油口。

内转子的齿数为N的油泵其密封油腔的数目为N+1个。

对于每个密封油腔来说，它的体积在内外转子啮合最大的地方其体积最小。

随着内转子的转动，密封油腔的体积慢慢变大，当内转子转过180度后，密封油腔的体积变得最大。

密封有强体积最大及最小的位置沿着内外转子连心线的方向分布。

密封油腔变大时产生真空，大气压将油液从吸油口压进油泵的密封油腔。

当密封油腔的体积变为最大以后，随着内转子的转动，其体积慢慢变小，内转子转完一周后，其体积回到最小值。

当密封油腔的体积变小时，油液从出油口被挤出。

为了防止油液从出油口泄露到进油口，进出油口之间的距离必须大于密封油腔在此处的宽度。

图2

2、油泵设计参数

任何变速箱的油泵设计的目标都是在获得所需压力油的情况下将油泵的能耗降到最低。

因为油泵并不用来驱动汽车，它所消耗的功率都被损失掉了，所以必须将油泵的能耗减到最小。

（1）油泵的流量

以下四个参数影响油泵的流量：

油泵的排量，转子的转速，内部泄露以及气穴损失。

转子泵的排量：

油泵的理论流量为油泵排量与转速的乘积。

实际流量为理论流量减去泄露及气穴损失。

转子泵的内部泄露主要是出油口的高压油通过内外转子与泵体、泵盖之间的端面间隙向吸油口以及内转子内径方向泄露。

影响内部泄露量大小的因素有：

转子与泵体、泵盖之间的端面间隙，液压油的粘性，出油口的压力，泄露口的长度和宽度，转子和泵体的相对速度。

对泄露量影响最大的因素为油泵壳体与转子之间的端面间隙，通常这个间隙被控制在0.025~0.063mm之间。

（2）气穴

气穴现象可能会发生在所有类型的油泵上。

当进油口的油压低于液体的饱和蒸汽压时，气泡就会出现在进油口，气泡的存在在吸油排出了相同体积的液体，降低了油泵的有效输出。

此外，随着油压的升高，气泡破裂，气穴现象还会引起噪音，同时发生的气蚀现象还会损坏油泵。

图3

图3是一个由液力变矩器泵轮驱动的油泵的性能曲线，显示了转速与流量之间的关系。

由图可知，转子顶端转速过高造成的气穴现象在3500转左右出现，气穴现象造成的流量损失随着转速升高而增大。

因为在高转速状态下，油泵输出的流量远远大于变速箱所需要的流量，所以高转速下的气穴现象对变速箱的正常运行没有致命的影响，但是这种气穴现象所引起的噪音和对油泵的损坏是不能接受的。

气穴现象的解决措施：

降低油泵转子顶端的速度，增大吸油口的面积，减小油泵的流量，增大吸油腔的压力。

（3）功率

油泵消耗的功率主要取决于以下三个方面：

液压能，油液粘性造成的损失，机械损失。

液压能是油泵的输出，它是油泵输出流量与输出压力的乘积。

由于油泵的输出压力取决于负载，所以要想改变油泵的输出，只能通过改变油泵的流量，也就是改变排量和转速。

转子泵式一个定量泵，而转速取决于发动机的转速，不能控制。

可以通过将转子泵的输出流量进行分流，在适当的时候通过对某一支流进行泄压来减小油泵的输出。

粘性损失是由于转子剪切油液引起的，主要包括外转子与泵体之间的径向间隙以及内外转子端面与泵体、泵盖之间的端面间隙内的粘性损失。

可以分别通过以下两个方程来估算。

油泵的机械损失通常说来是很小的，但是可能会因为不正当的间隙造成机械部件的干涉。

内外传子的滑动接触也是一个因素。

另外一个因素就是吸压油口之间的密封面的宽度，当密封面的宽度太大时，密封油压腔在脱离吸油口之后，进入压油口之前体积减小，造成所谓的困油现象，导致油压腔内的压力急剧升高，产生高压及大的噪音。

困油现象可以通过控制吸压油口的尺寸和增加沟槽来解决。

密封件、轴承与油泵驱动轴的摩擦也会造成机械损失。

3、设计参数与机械性能的关系

在设计初期，必须考虑以下参数：

驱动轴的直径，外转子的外径，外转子与泵体之间的间隙。

油泵一般布置在液力变矩器的后面，并且由液力变矩器泵轮的轮毂直接驱动。

因为变矩器泵轮的轮毂直径一般比较大，这就直接导致了内外转子的直径比较大，齿数比较多。

虽然齿数增多对减小排量的波动有好处，但是大的外径和齿顶半径将导致高的粘性损失，并使得出现气穴现象的转速降低。

根据Petroff公式，功率损失与外转子的外径的三次方成正比，所以必须将外转子的外径控制的尽可能的小。

但是，另外一个参数必须考虑。

因为油泵的排量要求是一定的，所以减小转子径向尺寸的同时必然导致转子的轴向尺寸的增大，进油口尺寸也会受到限制，需要在转子两侧进行进油，这将进一步导致油泵轴向尺寸的增大。

外转子的外径与泵体的内径的配合非常重要，这个间隙内，液压油在转子转动时形成液压的径向轴承。

如果这个区域设计时计算不正确，由于误差的累积，低速，重载及高温的作用导致油膜不能形成，导致外转子与泵体干摩擦，使油泵烧死。

外转子的外径与泵体的内径的配合必须保证有足够大的间隙，保证在公差累积最严重的情况下（外转子及泵体都处于最大实体状态，且跳动最大时）没有机械干涉，但是这个配合又要足够小，以便能够形成液压的径向轴承。

4、气穴现象及其改善措施

汽车工业运用高转速发动机的趋势使得如何克服油泵气穴现象成为挑战。

空气在液压油中的溶解度随着压力的减小而降低，当进油口的压力低于饱和蒸汽压时，溶解在油液中的空气过饱和，以气泡的形式析出，并随着液压油一起进入油泵的油腔。

当气泡到达压有腔时，由于压力升高，气泡破裂，气泡周围的液体在占据原气泡位置的运动过程中，产生撞击，产生明显的噪音和局部高温，对油泵的构建表面产生气蚀破坏。

因为气穴现象是由于进油口的压力过低所致，所以有以下三个参数对其有直接的影响：

进油流量损失，内转子齿顶圆周速度，进油口压力。

油泵进油口油道的设计影响油泵在高转速的性能。

设计时应保证进油口的面积足够大，使得进油口的流速最好小于2m/s.尽量减少油液进入油泵时的方向变化，避免进油口截面积的急剧变化。

当进油口面积受到限制时，应考虑从转子的两边进行吸油。

在高转速情况下，可以通过延伸进油口来延长进油时间以优化油泵的性能。

变速箱的油底壳一般是在大气压作用下，所以所有用来充满吸油腔的能量为大气压（101.3kPa）的压力能。

根据伯努利方程，将所有的压力能转化为流体的动能，可以计算出可以获得的最大的流体转速为15.3m/s。

因为内外转子转动过程中的最大圆周速度为内转子齿顶的转速，当内转子齿顶的转速大于15.3m/s时，由于局部的低压将产生气穴现象。

提高内转子齿顶出现气穴现象极限转速的唯一途径就是提高进油口的压力。

可以通过使用增压泵或提高油底壳压力的途径来提升进油口压力，但是最切实可行的途径是通过将油泵出油口过剩的高速液流通过旁通油路引回油泵的进油口。

相对于将油泵出油口的过剩流量直接泻回油底壳，这种办法由两个优点：

减少了通过吸油管的流量及通过吸油管时的压力损失，运用液体的潜在的能量来提升进油口的压力。

5、油泵噪音

油泵噪音也许不会影响变速箱的机械性能及其耐久性，但是它对整车质量造成一定影响。

产生噪音的途径有三个：

液体压力的变化；

内外转子捏合的机械噪音，齿轮误差，传动系统背隙；

气穴噪音。

因为进油口的压力很小，其压力变化不会引起噪音。

出油口油压的变化会产生较大的噪音，尤其是当其引起系统某处产生共振时，比如某个空腔，壳体或阀体。

转子泵在转动一周的过程中其流量是变化的，这种变化将导致出油口压力的波动。

转子的齿数以及进出油口的设计是影响出油油压波动的关键因素。

转子的齿数越多，出口压力波动的幅值越小，但是频率越高。

但是这种波动能否传递到空气空形成噪音，很大程度上取决于整个液压系统。

某些情况下，较小的油压波动产生较小的噪声等级。

在另外一些情况下，由于人耳对低频的噪声（低于1000HZ）的过滤倾向，较少的齿数产生的较大的油压波动的噪音实际上听起来噪音更小。

油泵进出油口设计时应改在进出油口过渡的地方设计一个补偿油槽，使得高低压得过渡更为平顺，优化这个补偿油槽的几何形状可以减低噪音。

产生机械噪音的原因：

外转子相对于内转子位置不正确，内外转子的齿形误差，传动系统的背隙，驱动轴、内外转子的跳动过大。

对于外转子对于内转子位置不正确设计时应该注意尺寸链公差的累积以及由于油泵内部压力差导致内外转子的相对移动。

油泵齿形误差引起的噪音类似于变速箱内渐开线齿轮误差的噪音。

设计时为了得到固定的齿顶间隙而对齿形进行的几何修行以及转子的制造过程都会引入齿形误差。

如果驱动轴与转子的配合过松，驱动轴扭矩变化过多都会使得传动系统的背隙引起噪声。

驱动轴、内外转子的跳动过大会引起如下频率的低频噪声：

驱动轴转速：

驱动轴或者内转子跳动

驱动轴转速*N/（N+1）：

外转子跳动

驱动轴转速*1/（N+1）：

内外转子

6、材料及加工

（1）转子：

效率最高成本最低的加工方式是粉末冶金。

这种技术通过在将金属粉末在精密模具中压制成型，然后烧结得到很接近设计要求的产品。

后续仅仅需要对转子厚度及外转子的外径等关键性的尺寸进行精加工。

因为内转子的强度要求比外转子高，所以内外转子的材料不一样。

由于内转子承受油泵所有的载荷且存在扭矩波动，通常选用强度相对较高的含镍或含铜的粉末冶金钢。

外转子只承受油泵部分的载荷，一般选用机械性能稍低的材料，一般为低碳、含铜的粉末冶金钢。

（2）泵体和泵盖：

铸铁及压铸铝合金（AL390）是泵体和泵盖最常见的材料。

铸铁的优点是：

机加工性能好，表面耐磨性能好，成本低，好的吸震性，热膨胀系数与粉末冶金的转子很相近。

铝合金的优点：

重量轻，毛坯可以采用压铸尺寸精度好。

但是考虑到热膨胀系数与转子不同对油泵性能的影响。

粉末冶金钢的热膨胀系数与铸铁及锻钢相近，铝合金的热膨胀系数差不多是钢的两倍。

设计者必须清楚，由于钢制转子与铝合金壳体的膨胀系数不同，在高温时由于泵的轴向间隙增大，同时油液的黏度下降，将产生很大的内部泄露量。

设计时要求考虑通过减小端面间隙来减小高温时的泄露。

但是在另一方面，必须注意，在低温时端面间隙会成比例的减小。

所以必须保证低温时端面间隙必须足够大以避免低温启动时油泵卡死。

7、总结

设计转子泵时必须注意：

1.油泵排量

2.内部泄露因素

a.适当的端隙

b.进出油口足够的密封间隙

c.转子齿顶公差

d.进出油口设计

3.影响气穴现象的因素

a.进油油道的设计

b.转子的圆周速度

c.旁通油道增压

4.能耗

a.液压能（压力*流量）

b.外转子圆周的粘性损失

c.端面粘性损失

5.外转子液压轴承

a.外转子与泵体的径向间隙

b.外传子外圆周必须完整

c.减小转子倒角

6.油泵噪音

a.吸压油口的设计

b.压力波动的幅值和频率

c.系统的阻抗

d.转子的齿形

e.转子的跳动

7.材料及结构

a.材料成本

b.重量

c.热膨胀

d.工艺是否方便及公差能力