液力自动变速箱内置齿轮泵卸荷槽优化设计

液力自动变速箱内置齿轮泵卸荷槽优化设计安淑女;李璐【摘要】针对液力自动变速箱内置外啮合液压齿轮泵存在的困油现象进行分析.根据其为中心轮浮动式齿轮泵的特点,理论分析困油现象形成原因和困油过程,基于分析对齿轮泵卸荷槽的基本参数进行设计,并对齿轮泵卸荷槽的开设进行分析,设计齿轮泵偏置卸荷槽的最佳偏移位置.利用Solidworks建立齿轮泵三维模型,基于CFD 进一步对比分析了无卸荷槽、对称开设卸荷槽、偏置开设卸荷等三种情况下的齿轮泵三维流场,分析结果表明偏置开设卸荷槽的齿轮泵能明显改善困油区的困油压力,有利于提高齿轮泵的容积效率.研究结果为此类齿轮泵困油现象解决提供参考依据.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)006【总页数】4页(P126-129)【关键词】液力自动变速箱;齿轮泵;卸荷槽;困油现象;压力场;容积效率【作者】安淑女;李璐【作者单位】江苏建筑职业技术学院机电工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】TH16;TH331;U463.22变速箱作为汽车传动系统重要一环，是改变发动机输出扭矩以适应车辆行驶要求的重要结构。

液力自动变速箱以其高效、操作方便等特点在车辆上应用广泛，在很大程度上提高车辆的经济性、动力性等，而且减轻驾驶员的驾驶疲劳程度，提高行车安全性[1]。

液压泵作为液力自动变速箱的组成单元，位于变矩器和减速器之间，为变速箱自动换挡系统和润滑冷却系统提供油液。

齿轮泵困油问题是一直困扰齿轮泵的发展，国内外学者通过采用较大的正变位系数[2]、大模数、小齿顶高系数[3]等手段来减小困油的现象，但这些方法在减轻困油现象的同时又会增加齿轮泵的脉动、增大径向力或者减小单位排量等。

目前解决困油现象较好的方法是对齿轮泵的卸荷槽进行创新设计，即通过对齿轮泵的卸荷槽形状、位置进行合理的设计、调整，保证在有效的改善困油现象的同时使得齿轮泵性能达到最优[4]。

针对齿轮泵普遍存在的困油问题，以某款液力机械变速箱设计为依托，其内置一对外啮合齿轮液压泵，对该齿轮泵的卸荷槽开设进行分析研究，分析计算卸荷槽的基本参数，通过对齿轮泵卸荷面积的计算得出了最佳卸荷槽偏置位置。

采用CFD三维流场仿真分析了无卸荷槽、对称开设卸荷槽、偏置开设卸荷槽等3种布置形式的齿轮泵，对比分析困油区的困油压力和齿轮泵的容积效率。

2.1 齿轮泵结构齿轮泵结构，如图1所示。

该款齿轮泵由主动齿轮和两个被动齿轮即泵体组成，注油泵总成用6个螺栓固定在变矩器壳体内。

齿轮泵为中心轮浮动式齿轮泵，泵盖上开有4个油口，2个进油口，2个出油口。

齿轮泵壳体上主要用于安放3个齿轮，并且在出油口处设置了卸荷槽。

3个齿轮均是渐开线变位齿轮，保证了齿轮有较好的机械性能。

大齿轮为26个齿，小齿轮为13个齿。

2.2 困油过程分析齿轮泵在平稳工作中，一对渐开线齿轮工作时必须连续处于啮合状态，为确保吸、压油腔隔开，这就要求齿轮泵的啮合系数>1。

由于齿轮的端面间隙比较小，因此这两对啮合的轮齿之间的油液与泵的吸、压油腔是不相通的，这样就形成了一个封闭的容积腔，我们称之为“困油区”。

齿轮转动时，困油区容积变化致使液压油液膨胀或受挤压，从而造成这部分液压油压急剧地变化，造成困油现象。

某种直齿齿轮传动的全过程，如图2所示。

图中：O1—主动齿轮；O2—从动齿轮。

图2描述从动齿轮上的啮合齿面从开始啮合到结束的全过程[5]。

3.1 齿轮泵参数齿轮泵工作压力差为1.5MPa，每个子泵的流量为120L/min。

齿轮泵的排量80ml/r。

本泵为低压泵，选择中心轮齿数为26，因为两边小齿轮等大，取传动比i=2/1，所以两边小齿轮齿数各为13，输入流量为150L/min，模数取4，齿轮宽度为19mm。

3.2 卸荷槽设计开设卸荷槽的作用是使两个齿轮啮合时齿底和齿顶之间由于困油形成的高压油释放掉，如果这部分高压油没有得到释放，将造成阻矩增大、油泵发热等一系列问题[6]。

对称卸荷槽开设法是一种常用的对齿轮泵困油区域的卸荷方法[7]。

对称卸荷槽开设在齿轮泵的一对侧板或者开设在端盖的靠近齿轮的一侧，在每个侧板的排油侧和吸油侧各开设一个矩形的凹槽，两个凹槽一般都是开设在一对啮合齿轮的节圆切线上。

并且对称双矩形卸荷槽的两个凹槽是关于啮合齿轮的中心线对称的，如图3所示，卸荷槽的间距就是在齿轮泵困油容积最小时刻的两个啮合点在节圆切线的方向上投影的距离。

3.2.1 困油容积困油容积简图，如图4所示。

假设在dt的时间段内，主动齿轮O1转过角度dθ1，从动齿轮转过角度dθ2，则传动比i=Z1/Z2，则：设靠近主动齿轮侧的困油区域为dV1，由图4可知它等齿廓曲线O2n0、O1n0、O2n1、O1n1包围区域转过的面积乘以齿宽厚度。

则有：由几何关系得：式中：B—尺宽，mm；下标1—主动齿轮或者主动轮的一侧；下标2—从动齿轮或者从动轮的一侧；rn1，1—n1点相对于主动齿轮的半径，rn1，2—n1点相对于从动齿轮的半径，其他以此类推[8]。

3.2.2 卸荷槽尺寸当侧隙满足时：式中：cn—公切线方向上的侧隙值，mm；cn，0—有无侧隙的分界值，mm；μ—油液的动力粘度，N·s/m2；ν—节圆圆周速度，m/s；Δp—泵的高低压腔压力差，bar；m—模数。

满足式（4）则为小侧隙，齿轮泵卸荷槽间距为：否则为大侧隙，齿轮泵的卸荷槽间距为：式中：α—分度圆压力角，当齿轮为标准安装时，取20°Pb为基圆节距，Pb=πmcosα。

3.2.3 卸荷槽槽宽最小值卸荷槽的槽宽尺寸通常采用的是经验公式，当齿轮泵按照标准安装时，分度圆压力角为20°时：式中：l—齿轮啮合线长度；ε—重合度；an—齿轮啮合角；A—齿轮中心距。

3.2.4 卸荷槽深h卸荷槽的深度在满足结构强度前提下，应该尽可能的选取大值，一般取：3.3 卸荷槽的开设卸荷槽对困油的影响，取决于卸荷面积/困油面积，数值越大困油压力将越低，但是卸荷面积还影响到齿轮啮合处的间隙泄露量，从而影响到齿轮泵的容积效率[9]。

由于卸荷槽单边间距为3mm，取卸荷槽相对于两个小齿轮中心线偏移量为0.5mm、1mm、2mm下的卸荷面积/困油面积，又因为在同一时刻，齿轮泵的困油面积是相同的，所以只考虑卸荷槽的卸荷面积，如表1所示。

从表1中发现当卸荷槽偏离中心0.5mm时，卸荷面积最大，表明，针对该齿轮泵中心轮浮动这一特殊情况，将卸荷槽相应偏移一定量距离，将更好地解决困油问题。

所以在泵中将卸荷槽开设位置相对于齿轮中心线偏离0.5mm。

4.1 齿轮泵仿真模型的建立使用CAXA电子图版中的参数化绘制来绘制渐开线齿轮模块，它能快速并且准确地绘制渐开线齿轮外形轮廓，采用Solidworks进行实体建模。

齿轮泵三维装配图，如图5所示。

4.2 齿轮泵三维流场模拟为了验证卸荷槽的作用，对1号齿轮泵无卸荷槽、2号对称开设卸荷槽、3号偏置开设卸荷三种情况内部流场进行三维动态仿真，对比3种情况对齿轮泵内部困油区压力的卸荷程度。

选取困油区面积最小时刻9.484e-04s的仿真压力进行对比。

选取转速为1500r/min时，齿宽为50%截面的流场压力图，如图6所示。

由图6可知，未开卸荷槽的泵困油区最高压力为60.5MPa，困油区最低压力（-13.5）MPa；对称开设卸荷槽的泵的困油最高压力为53.6MPa；困油区最低压力（-11.2）MPa；偏置开设卸荷槽后泵困油区最高压力为15.2MPa，困油区最低压力为（-5.27）MPa。

对比可知：开卸荷槽后明显改善困油区困油压力；对称开设卸荷槽齿轮泵（53.6MPa）相对于未开卸荷槽齿轮泵（60.5MPa）作用不明显；偏置开设卸荷槽的泵（15.2MPa）相对于对称开设卸荷槽的泵（53.6MPa）有更好的降压作用。

所以，对于中间浮动的齿轮泵，将卸荷槽相对于齿轮中心线偏移一定量的距离能更好的缓解困油现象，解决困油问题。

由于该款齿轮泵有两个出口，而且出口压力与出口面积均不一样，所以分别取9.484e-04s时刻3个齿轮模型中两个出口节点各10个，通过Fiuent的三维仿真计算该款齿轮泵两个出口的流速，设置每个出口各10个节点的速度，算出齿轮泵的出口的平均速度。

并用同样的方法统计剩下两个齿轮泵的出口流速，如表2、表3所示。

从表中可以看出，3个泵轮的出口流速整体上3号＞2号＞1号。

根据流量公式[10]：式中：Q—流场仿真流量，L/min；u—流场仿真平均流速，m/s；A—出口面积，m2。

所选模型出口1面积为125mm2，出口2面积为715 mm2，代入式（9）中，可知1、2、3号泵的流量为92.343 L/min、98.50 L/min、107.79 L/min。

泵的理论流量为120 L/min，容积效率为76.95%、82.08%、89.83%。

可见偏置开设卸荷槽的齿轮泵在容积效率上也有提高。

对比分析可知，对于中间浮动的齿轮泵，将卸荷槽相对于齿轮中心线偏移一定量的距离能更好的缓解困油现象，解决困油问题。

对比3个齿轮泵可知，偏置开设卸荷槽的齿轮泵在结构能更有效的减少齿轮泵的泄露，也有利于提高齿轮泵的容积效率。

针对液力机械变速箱中心轮浮动式液压齿轮泵，结合困油相关理论，提出采用偏置式卸荷槽的方法来解决该齿轮泵存在的困油问题，利用三维建模软件Solidworks建立齿轮泵内流场三维模型，利用CFD软件FLUENT进行齿轮泵三维内流场仿真，通过仿真结果可以清晰的看出齿轮泵在运行的过程中困油区域的压力变化及最小困油容积时刻、困油始末的压力场、速度场的变化。

并通过仿真计算的结果，对比无卸荷槽齿轮泵、对称卸荷槽齿轮泵、偏置卸荷槽齿轮泵的困油压力及3种齿轮泵的容积效率。

对比分析可知，偏置卸荷槽式齿轮泵不仅仅可以减小困油区域的压力，而且提高了齿轮泵的容积效率，为同类齿轮泵优化设计解决困油现象提供理论依据和参考。

【相关文献】［1］WassermanM，Mor-YossefY，YavnehI.Arobust implicit multigrid method for RANS equations with two-equation turbulence models［J］.Journal ofComputational Physics，2010，229（16）：5820-5842.［2］范良成.一种很好解决困油问题的新型齿轮泵［J］.液压气动与密封，2011，31（11）：59-61.（Fan Liang-cheng.A new kind of gear pump to solve trapped oil problem［J］.HydraulicsPneumatics&Seals，2011，31（11）：59-61.）［3］李玉龙，刘煜.外啮合齿轮泵卸荷面积的精确仿真分析［J］.农业工程学报，2009，25（3）：42-45.（Li Yu-long，Liu Kun.Precise simulation analysis of relief area of external spur-gearpump［J］.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering，2009，25（3）：42-45.）［4］杨元模，刘朝晖.外啮合齿轮泵抽空现象探究及解决方法［J］.液压与气动，2006，30（12）：81-83.（YangYuan-mo，LiuChao-hui.Probeandsolutiontoemptypumpinginouter-engagedgearpump［J］.ChineseHydraulics&Pneumatics，2006，30（12）：81-83.）［5］于治福，马晓三，商德勇.分体式外啮合齿轮泵转动卡滞及其控制方法研究［J］.机械设计与制造，2011（3）：100-101.（YuZhi-fu，MaXiao-san，ShangDe-yong.The research on decreasing the rotaryclampingstagnationofthesplittypeexternalgearpump［J］.MachineryDesign&Manufacture，2011（3）：100-101.）［6］李玉龙.基于低速困油模型的外啮合齿轮泵高速困油特性分析［J］.农业工程学报，2012，28（9）：35-39.（Li Yu-long.Characteristics analysis of high-speed trapped-oil in external gear pump based on low-speed trapped-oil model［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2012，28（9）：35-39.）［7］王存堂，杨明泽，朱宏.摆线齿轮泵低速特性的仿真与实验研究［J］.机械设计与制造，2013（11）：132-135.（WangCun-tang，YangMing-ze，ZhuHong.Studyofsimulationandexperiment of cycloid gear pump running at low speed ［J］.Machinery Design& Manufacture，2013（11）：132-135.）［8］赵鑫鑫，杨耀东.液力机械自动变速箱Maplesim仿真研究［J］.机械设计与制造，2013（8）：57-60.（Zhao Xin-xin，Yang Yao-dong.Automatic transmission simulation study based on Maplesim［J］.Machinery Design&Manufacture，2013（8）：57-60.）［9］孔繁余，何玉洋，郑德.外啮合齿轮泵流量特性影响因素分析［J］.排灌机械工程学报，2014，32（2）：108-112.（KongFan-yu，HeYu-yang，ZhengDe.Analysisofinfluencefactorsonflow rate characteristics in gear pump［J］.Journalof Drainage and Irrigation MachineryEngine，2014，32（2）：108-112.）［10］魏列江，王鑫，张静.外啮合齿轮泵内部流场的仿真与分析［J］.机床与液压，2013，41（23）：134-137.（Wei Lie-jiang，Wang Xin，Zhang Jing.Simulation and analysis for the flowfieldinsideexternalgearpump［J］.MachineTool&Hydraulics，2013，41（23）：134-137.）。