齿轮泵噪音的控制方法

齿轮泵噪音的控制方法

徐,海,才

杭州萧山东方液压件有限公司      浙江省杭州市310000

摘要:  齿轮泵是液压系统中的动力元件, 其结构简单、工艺性好、成本低、抗污能力强。 在工程、船舶、汽车等各领域中均有应用。 但由于齿轮泵其传动原理的特点， 导致其在工作时存在运转噪音的问题。 本文针对噪音的产生机理， 结合工程实例，从多维度预防和优化齿轮泵的噪音控制。

关键词： 齿轮泵、机械噪音、修形、流体噪音、困油、气穴空化

1. 引言

齿轮泵是液压传动系统中常用的动力元件，在结构上分为外啮合和内啮合2大类。齿轮泵优点已有较多文献描述,不再累述,缺点是困油、压力脉动、噪声偏高 [1] 。

在国家大力推进中国制造2025的战略蓝图下， 中国制造已在高精尖的道路上快速发展。 客户对品质要求越来越高。 轻量化、高性能化等指标对传统技术提出了新的挑战。对与系统匹配的齿轮泵也提出了效率高、转速范围广、噪音低、可靠性高等要求。伴随着油改电的能源转型的环境下， 传统齿轮泵在高端设备上呈现出明显的技术代差。

本文正是在这样的环境背景下，结合实际的工程实例， 从齿轮泵噪音产生的机理及改善优化措施等多方面来研究。

2．基本理论

齿轮泵常作用齿轮箱或润滑系统的流体循环装置， 其本质即为通过相对运转的齿轮副给系统输出液压能。 因此，齿轮泵的噪音主要来源于两方面：

a. 齿轮泵运转的机械噪音 b. 齿轮泵输出的流体噪音[2]

3．机械噪音的控制方法

泵内的渐开线齿轮副是产生噪音的主要零件。在设计时，可对影响机械噪音的参数进行优选，影响参数如表1。

表1.影响啮合噪音的主要参数

除齿轮副的设计参数影响外，实际由于齿轮制造、安装误差及弹性变形等因素影响，传递误差必然存在。在啮合过程，我们需关注啮合产生的最大弹性变形量的上、下峰值，规定将该峰值的差值 Peak to Peak transmission Error 作为降低噪音的重要指标。 齿轮承受载荷后弯曲、扭转等弹性变形，齿轮的制造误差、壳体变形、轴承孔座制造误差等实际不可忽视，都会引起啮合不良，噪音增大，甚至影响齿根强度。 而鼓形修形（crowning）、螺旋角修形（helical angle correction）是最常见的修形方式。通过修形既可减少顶啮合发生的啮合冲击及噪音，又降低因齿向误差及齿轮弯曲及扭转变形而造成的载荷集中，啮合过程平稳，载荷沿齿向分布均匀。齿轮所承受载荷大小可根据泵消耗功率计算，齿轮泵的倾斜或安装误差等，需要根据实际的设计间隙来模拟。并通过传动软件Romax Designer、Kisssoft等的仿真分析来对齿形修形优化。

下面通过工程实际对比分析修形前后的啮面啮合状态。

利用kisssoft等分析软件以模拟实际齿轮的工作状态，通过图1示例的偏差参数设置后，轮齿的齿合状态如图2所示，啮向区域不理想。

图1.  Kisssoft 模拟安装偏差             图2. 偏差后的轮齿啮合状态

通过对齿形进行齿形和齿向的修形，以改善倾斜、弯曲等带来的啮合问题。图3对齿轮副的齿形及齿向进行修形参数定义后中，仿真啮合后得到了图4的啮合状态。修形后，轮齿在理想的齿面啮合，有利于降低齿轮传动的机械噪音。

图3.  Kisssoft 定义修形参数             图4. 修形后的轮齿啮合状态

不同的应用工况需对参数的定义进行相应调整，同时仍需结合大量的工程经验以给出最终理想的修形参数。

4．齿轮泵流体噪音的控制方法

齿轮泵的流体噪音不仅与泵的设计有关， 还与泵的安装环境、应用工况相关。 主要导致流体噪音的因素有以下几方面。

1. 油路通油能力

液压泵中， 进出油道的油路设计应满足吸、排油通油截面积的设计要求。 油道应平滑，通油载面无突变。油路合理性，可以通过pumplinx、Fluent等仿真软件进行分析， 应避免油路红区的现象。 另外，齿轮副的扁平化设计更有利于轴向进油。齿宽较高时，可以采用双侧进油的方式来改善吸排油。 齿轮泵推荐的油道流速应满足下表2。 当流速不满足推荐参数时，将出现流量下降、噪音增大的风险，严重时还将产生气穴空化现象。

表2. 各油道油液流速推荐表

流速计算公式如下：

式中,   V  流速 m/s         q  排量 ml/r

        n  转速 r/min        S  通油载面积 mm2

2. 轮齿困油

为了使齿轮泵能连续平稳地供油，齿轮啮合的重叠系数ε＞1，以保证工作的任一瞬间至少有一对轮齿在啮合。即原先一对啮合的轮齿尚未脱开，后面的一对轮齿已进入啮合。这样就在两对啮合的轮齿之间产生一个闭死的容积，称为困油区。在困油压缩过程，残留在困油容积中的油液被挤压,压力急剧上升(可达排出压力的10倍以上)。在困油膨胀过程,因困油容积中不能及时充入油液而使其内压力急剧下降,溶于油中的气体析出，这些气泡被带到吸入腔,而且随压力升高又会消失。结果导致产生振动和噪声[3]。

困油可以通过卸荷槽的设计来改善。 卸荷槽的尺寸取决于轮齿啮合封闭时的距离尺寸，即主从齿轮节圆上的齿厚值。因此，=即可满足改善困油的现象。同时结合考虑流量泄漏。卸荷槽的距离尺寸通常取的1—1.05倍。

3. 流体气穴空化

流体气穴空化带来的影响主要是由于轮齿啮合运转时，各齿槽中空气油液随齿槽从低压被带至高压区时，使轮齿冲击、振动、噪音。气穴空化的产生原因主要来自以下几点：吸油流速大，吸油阻力大，油液中的空气分离；其它如进口吸空、油液搅动、抗泡能力弱也可导致油液空化现象。 气穴空化在实际应用中较难完全杜绝,但可优化其产生的影响。 对气穴空化的改善可从改变其输出压力能的冲击着手。无论哪种类型齿轮泵，都是从吸油槽的真空负压转运至出油高压，各齿槽呈压力缓慢升高，在与压力腔接通时压力瞬间升高。最后一个齿槽与出油腔接通时产生的压力突变，伴随着流体的气穴现象，使流体产生剧烈冲击，导致系统产生异常流体噪音。我们通过改善齿槽的压力变化来缓和气穴带来的冲击。 理想的齿槽压力变化应如图5所示呈平缓的升压。

图5. 理想的齿槽压力升高曲线

获得理想的齿槽升压曲线，可行的方法是在壳体上开渐变升压槽，位置可以在齿轮外圆与壳体的配合孔，也可以在齿轮平面与壳体配合的平面上。目的均是使齿轮的齿槽压力渐变升高，避免产生流体的急剧冲击。这种缓和升压方式，使对气穴空化的流体降低了脉冲冲击，噪音呈现柔和的现象。渐变升压槽形式根据泵的类型不同有所区别，但原理与此相似。附图6为外啮合齿轮泵的升压槽样式。

图6 外啮合齿轮泵的升压槽

5．结束语

随着中国制造2025和科学技术的不断进步。 用户对产品可靠性、舒适性要求的大幅提高。传统技术路线的齿轮泵已无法满足市场需求。 本文仅从作者的从业经验总结齿轮泵噪音的控制方法，而现代随着各类流体仿真软件的不断推出，越来越多的厂商也开始应用软件进行设计分析。 但由于不少厂商缺乏分析与工程的实践结合，也有较多的工程案例出现实际与预想不符。尽管软件的计算模块在不断地完善，但仍需工程人员投入更多的精力，对理论与实际更好地进行结合研究。

参考文献

[1]栾振辉， 齿轮泵研究的现状与发展[J]，安徽理工大学，2004

[2]倪元喜， 马洪茹 李学良， 液压系统的振动、噪声诊断与排除[J]， 2013

[3]王长悦， 代春明 周庆年， 齿轮泵的困油现象及其解决措施[J]，海军士官学校机电系舱段教研室，2010

徐海才 男 1986.11.15 杭州萧山 杭州萧山东方液压件有限公司 311200 本科 工程师 机械制造设计开发