РЕГУЛИРУЕМЫЙ ШЕСТЕРЕННЫЙ НАСОС
ADJUSTABLE GEAR-TYPE PUMP

Изобретение относится к отрасли машиностроения, в частности к объемным гидромашинам регулируемой производительности. Изобретение может быть применено в промышленных гидроприводах, в том числе в трансмиссиях гидромеханических передач транспортных и тяговых машин, а также в различных отраслях, связанных с переработкой и использованием нефтепродуктов при технологических процессах.
Известны гидравлические устройства, в которых используется шестеренный насос с плавно регулируемой производительностью за счет изменения глубины зацепления насосных шестерен с дозирующими шестернями без изменения рабочего объема насоса (см. RU 2404386 C1, 20.11.2010, F16H39/42).
Сущность таких насосов характеризуется отбором в необходимых дозах рабочего тела между областями всасывания и нагнетания. Отбор, то есть переливание или перепуск жидкости из нагнетательной области во всасывающую, применяется на шестеренных и на других объемных насосах с неизменным рабочим объемом и для небольшой мощности. Такой способ регулирования подачи неэкономичен, так как часть мощности, развиваемой насосом, теряется в клапане, выполненном в виде дозирующих шестерен. Другим недостатком таких гидравлических устройств является то, что отбор снижает степень заполнения жидкостью впадин между зубьями шестерен. Неполное заполнение впадин вызывает преждевременный износ шестерен, пульсирующую нагрузку на шестерни насоса, кавитацию при различных режимах его работы, что исключает его применение в трансмиссиях гидромеханических передач транспортных машин, в том числе, и для автотракторных трансмиссий.
Более экономичным способом регулирования подачи гидравлического насоса, с точки зрения расхода энергии, является способ изменения его рабочего объема.
об
Известен регулируемый шестеренный насос, в котором плавное изменение его подачи достигается изменением его рабочего объема (см. SU 709834, 15.01.1980, F04C 2/08). Насос содержит корпус с входным и выходным каналами, насосные шестерни со своими хвостовиками. Ведущая насосная шестерня расположена между своими цилиндрическими вкладышами, посаженными на ее хвостовики по посадке скольжения и неподвижно относительно корпуса насоса. Один из неподвижных вкладышей, например нижний, снабжен сегментной расточкой, а другой, верхний, входным и выходным каналами. Ведомая насосная шестерня расположена между своими цилиндрическими ползунами, посаженными на ее хвостовики по посадке скольжения и с возможностью осевого перемещения относительно зубьев ведущей шестерни и корпуса. Один из ползунов, например верхний, снабжен сегментной расточкой с возможностью размещения в ней верхнего вкладыша ведущей насосной шестерни, а другой, нижний цилиндрический ползун выполнен с возможностью размещения в сегментной проточке нижнего вкладыша ведущей шестерни. В насосе регулирование производительности достигается осевым смещением блока ведомой насосной шестерни совместно со своими ползунами в адекватных отверстиях корпуса. При верхнем расположении блока ведомой шестерни рабочий объем насоса принимает максимальное значение, так как его протяженность является наибольшей и равна ширине насосных шестерен, что обеспечивает его максимальную производительность. При нижнем расположении блока ведомой насосной шестерни рабочий объем насоса принимает минимальное значение, так как его протяженность приближается к нулевому значению, что обеспечивает минимальную производительность насоса. Недостаток такого насоса заключается в том, что при работе на промежуточных частичных режимах формируются камеры вредного пространства объемом с надзубьями ведомой шестерни и таким же объемом с под зубьями ведущей шестерни. Следовательно, общий объем двух камер вредного пространства равняется 2с. Пренебрегая упругой деформацией стенок рабочей камеры от давления жидкости, выражение для теоретического объемного КПД η для рассматриваемого насоса примет вид (см. Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. М.: Машиностроение, 1974).
н
об
где p - давление на выходе из насоса; β - коэффициент объемного сжатия; q - объем одной рабочей впадины насосной шестерни. Из выражения (1) следует, что на частичных режимах работы насоса с наличием в нем объема 2c вредного пространства теоретический коэффициент η насоса существенно уменьшается.
Насос с пониженным КПД при частичных режимах не может быть рекомендован для практического применения, например для трансмиссии автомобильного транспорта. При таких режимах двигатель внутреннего сгорания работает с повышенным расходом топлива, что особенно проявляется при городском движении и отрицательно влияет на экологию окружающей среды.
За прототип принимается шестеренный насос с регулированием производительности за счет осевого перемещения ведомой насосной шестерни относительно ведущей насосной шестерни. В насосе по прототипу объемы 2с вредных пространств устраняются размещением внутренних зубьев торцевых цилиндров во впадинах насосных шестерен (см. SU 399626, 03.10.73, F04C 2/04).
Насос позволяет уменьшить утечки перекачиваемой жидкости из его рабочей полости путем уменьшения радиальных зазоров только по головкам внутренних зубьев торцевых цилиндров, для чего он снабжен уплотнительными шайбами, установленными внутри торцевых цилиндров на торцах насосных шестерен. Насос по прототипу имеет следующие недостатки.
1. Уплотнительные шайбы относятся к бесконтактным уплотнениям, которые не устраняют зазоры между уплотняемыми поверхностями, а только уменьшают их, поэтому по ним неизбежно утекает перекачиваемая жидкость. Такие уплотнения используются в качестве первой ступени, предназначенной для понижения давления перед контактным уплотнением.
2. Уплотнительные шайбы в прототипе уменьшают зазоры только между головками внутренних зубьев торцевых цилиндров и основаниями впадин шестерен. Зазоры между боковыми поверхностями зубьев торцевых цилиндров и сопряженными с ними боковыми поверхностями зубьев насосных шестерен остаются совершенно открытыми. Открытыми остаются также зазоры между корпусом насоса и головками насосных шестерен. При таких зазорах утечки жидкости получаются значительными, что исключает эффективность применения насоса по прототипу в трансмиссиях автомобильного транспорта.
Задача новой разработки предусматривает создание регулируемого шестеренного насоса путем осевого перемещения внутренних зубьев торцевых бандажей по впадинам насосных шестерен при минимальных зазорах между внутренними зубьями торцевых бандажей и наружными зубьями насосных шестерен.
Поставленная задача решается тем, что минимальные зазоры между сопряженными зубьями обеспечиваются по всему периметру поперечного сечения зубьев насосных шестерен, включая ширину их головок, впадин и боковых поверхностей.
Техническим результатом решения поставленной задачи является повышение объемного КПД шестеренного насоса за счет снижения объема утечки перекачиваемой жидкости по уменьшенным зазорам между зубьями торцевых бандажей и насосных шестерен.
Указанный выше технический результат достигается следующим образом. Регулируемый шестеренный насос наружного зацепления с осевым перемещением одной из насосных шестерен, содержащий пару торцевых бандажей с внутренними зубьями, размещенными во впадинах насосных шестерен, и бесконтактные уплотнители, в котором бесконтактные уплотнители выполнены шестеренчатыми и закреплены на торцах шестерен, расположенных внутри бандажей, при этом зубья уплотнителей размещены во впадинах внутренних зубьев бандажей, а их модули и зазоры установлены следующими выражениями:
шу
где m - модуль шестеренного уплотнителя;
нш
m- модуль насосной шестерни;
З - зазоры:
гу
З - между головкой зуба уплотнителя и впадиной зуба бандажа;
гш
З - между головкой зуба насосной шестерни и впадиной зуба бандажа;
ву
З - между впадиной зуба уплотнителя и головкой зуба бандажа;
вш
З - между впадиной зуба насосной шестерни и головкой зуба бандажа;
бу
З - боковой зазор шестеренного уплотнителя;
бш
З - боковой зазор насосной шестерни;
у
ш
z, z - количество зубьев шестеренного уплотнители и насосной шестерни.
Применение шестеренного уплотнителя с размерами по выражениям (2) позволяет значительно уменьшить зазоры по всему периметру зуба насосных шестерен, что уменьшает утечку перекачиваемой жидкости и повышает объемный КПД регулируемого насоса.
Возможность осуществления предлагаемого изобретения с получением вышеуказанного технического результата поясняются чертежами.
На Фиг.1 изображен регулируемый шестеренный насос в продольном разрезе; на Фиг.2 представлен фрагмент поперечного вида насоса в разрезе A-A на Фиг.1.
В корпусе 1 шестеренного насоса размещены его фланцы 2 и 3, ведущая насосная шестерня 4 и сопряженная с ней ведомая насосная шестерня 5, пара торцевых бандажей 6 и 7, внутренние зубья которых размещены во впадинах насосных шестерен 4 и 5, и входное 8 отверстие и выходное 9 для перекачиваемой жидкости.
гу
бу
ву
гш
бш
вш
гу
бу
ву
Бандаж 6 посажен в адекватное отверстие ползуна 10 по посадке скольжения, а своим хвостовиком зафиксирован в малом его отверстии фиксатором 11 с возможностью зафиксированного вращения в отверстиях ползуна 10. Бандаж 7 посажен в адекватное отверстие корпуса 1 с возможностью вращения и зафиксирован в нем фланцем 2 для исключения осевого перемещения. Расположенная в бандаже 7, насосная шестерня 5 закреплена в отверстии ползуна 10 фиксатором 12 с возможностью вращения вокруг своей оси. На торцах насосных шестерен 4 и 5, расположенных внутри бандажей 6 и 7, закреплены шестеренные бесконтактные уплотнители 13 и 14 с применением крепежа, например гаек 15 и 16. Зубья уплотнителей 13 и 14 размещены во впадинах внутренних зубьев бандажей 6 и 7 с зазорами З, З, З, которые меньше зазоров зубьев насосных шестерен З, З, З (Фиг.2). Минимальная величина зазоров З, З, З обеспечивается известными способами, например пришлифовкой зубьев уплотнителей 13, 14 к соответствующим впадинам зубьев бандажей 6, 7; а также применением селективной сборки. При необходимости использования наименьших зазоров и для достижения повышенной герметичности допустимо применение шестеренных уплотнителей 13 и 14, выполненных в форме известных плавающих колец.
На фланце 3 установлен привод ползуна 10, состоящий из электродвигателя с редуктором 17 и ходового винта 18, при вращении которого ползун 10 совершает осевые перемещения совместно с бандажом 6.
Регулируемый шестеренный насос работает следующим образом.
Ведущая насосная шестерня 4, вращаясь совместно с уплотнителем 13 и бандажом 6, вращает ведомую насосную шестерню 5 совместно с уплотнителем 14 и бандажом 7. При вращении насосных шестерен 4, 5 во входном канале 8 будет создаваться разряжение, а в выходном 9 - давление, что обеспечивает требуемый поток перекачиваемой жидкости.
р
н
р
н
Объем перекачиваемой жидкости плавно изменяется при перемещении ведомой шестерни 5 совместно с уплотнением 14, ползуном 10 путем использования привода, включающего резьбу в ползуне 10, винт 18 и редуктор с двигателем 17. Минимальная величина объема перекачиваемой жидкости достигается при рабочей длине l=l, а максимальное значение - при ее длине, например, l=В-2l, где В - ширина зуба насосной шестерни.
Предлагаемый шестеренный насос отличается меньшими зазорами и утечками жидкости по ним, что повышает его объемный КПД.
Так, например, моделирование зазоров и их площадей с помощью системы автоматизированного проектирования "КОМПАС-3D" для регулируемого шестеренного насоса с эвольвентными зубьями с исходными данными:
г
- наружный диаметр поверхности головок шестерни d=100 мм,
- диаметр делительной окружности d=80 мм,
в
- диаметр окружности впадин d=60 мм,
- количество зубьев z=6 мм,
гш
бш
вш
- зазоры между элементами шестерни и адекватными элементами зубчатого бандажа принимаются по выражению З=З,=З=0,5 мм,
уп
- зазор между наружным диаметром уплотнителя по прототипу и головками внутренних зубьев бандажа принимается З=0,25 мм,
уи
- зазор между наружным диаметром уплотнителя по изобретению и головками внутренними зубьями бандажа З=0,25 мм,
показало следующие результаты.
и
п
Площадь f зазоров по изобретению в 1,89 раза меньше площади f зазоров по прототипу, поэтому предлагаемый регулируемый насос имеет повышенную герметичность.
и
п
Утечки Q по зазорам в насосе по изобретению в 7,28 раз меньше утечек Q по зазорам в насосе по прототипу, поэтому предлагаемый насос имеет повышенный объемный КПД.