内啮合齿轮泵的制作方法

专利名称：内啮合齿轮泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内啮合齿轮泵。
内啮合齿轮泵在已有技术中为人们熟知。已知的内啮合齿轮泵有壳体、带有8-16个齿与一小齿轮啮合并能在壳体中转动的内齿轮和由传动轴驱动且齿数比内齿轮齿数少一个的小齿轮。吸油腔和压油腔之间的密封是由在轮齿啮合最深处相反的位置上小齿轮齿顶与内齿轮齿之间的滑动和在轮齿啮合最深处小齿轮驱动齿面与内齿轮齿之间的紧密贴合来形成的。小齿轮的齿顶无约束地处于内齿轮的齿间中，小齿轮的理论齿形是使小齿轮的基圆在内齿轮的基圆上滚动而确定的。这种内啮合齿轮泵为人们所熟知已经很长时间，并出现在媒体中，例如在“Lueger Lexikon der Technik”Deutsche Verlagsanstalt，Stattgart，Bd.7，1965，S.218。人们把这种泵称做“Eaton泵”。上面所描述的泵结构简单。内齿轮的齿基本是做成一个圆弧段，换言之，整个齿廓是由单一圆弧形成。但也可以不用圆弧齿廓，而使用另外的曲线(如在本发明中)，如摆线。上面所述的所谓Eaton泵的一个相当大的问题是在内齿轮的每一个齿都不断地与小齿轮的齿啮合。这种现象在小齿轮只比内齿轮少一个齿的结构中必然会出现。这种所有齿总是处在啮合中的特点不仅在加工制造过程中而且，在齿轮的工作过程中也会造成相当大的问题。另一方面，制造精度也必须很高。如果在运转中发生了磨损，泵的吸油腔和压油腔之间的密封效果会下降，尤其是在啮合最深处相反的位置，从而大大降低泵的效率。而且在运转中在小齿轮和内齿轮齿的接触部分有很强的特殊的滑动，因而泵容易磨损。出现这种滑动的一个原因是因为相当于普通齿轮齿面的内齿轮的齿表面相对更加倾斜。还有小齿轮齿直接传递扭矩并与内齿轮齿贴紧的部分，也就是同齿面与齿顶之间相对较为锐利的弧形棱边相接触的部分具有承受很高赫兹应力的特征，这种应力也会造成磨损。这种泵的瞬时供油体积相对于旋转角度的脉冲以及泵的输出脉动都是很高的。
Eaton泵的另一个问题是由内齿轮和小齿轮在径向上形成的独立的供油空间的体积总是在不断变化着，因为这些空间是被多齿啮合所分开的。这就导致工作空间被分成独立的小腔体，这是不希望有的，即使在壳体上横向加工出凹槽使它们互相连通。
最后，Eaton泵的多齿啮合的另一个缺点是由于内齿轮和小齿轮齿面形状的加工误差，在圆周方向上由小齿轮向内齿轮传递扭矩的实际啮合区，即承受赫兹应力的部分常常远离最深啮合位置。这样就使小齿轮和内齿轮齿面间压力点的角度方位发生变化，作用在内齿轮上的力的一个分量会增大两个齿轮的轴距。其结果是在啮合最深处相反位置上轮齿之间的密封效果恶化，这种增大的齿的受力在输出压力加大时变得更大。由于上述原因，Eaton泵尽管结构简单，在实际中只在有限的程度上获得少量应用。
对于齿数差大于1的Eaton泵在啮合最深处相反位置上的齿不参与啮合，其缺点可用这样的结构来克服，在上述位置的区段设置一个半月形或叶轮形的填隙片，使内齿轮齿顶沿其凸面滑动，小齿轮的齿顶沿其凹面滑动。在这种结构中，齿形的选择有更大的自由度，对齿轮啮合性能可做出更有利的选择。但是由于填隙片的成本及其精确定位和成形的原因，这种泵比Eaton泵更加昂贵。
因而，本发明的一个目的是提出一种可以避免现有技术的缺点的内啮合齿轮泵。
具体一点说，本发明的一个目的是提出一种内啮合齿轮泵，它的处于传动啮合中的小齿轮和内齿轮的齿表面之间较少滑动，彼此接触贴合的面积较大，因而减小了赫兹应力。
本发明的另一个目的是提出一种内啮合齿轮泵，它在小齿轮和内齿轮相应的两齿间的供油腔较大。
本发明的再一个目的是提出一种内啮合齿轮泵，它至少可显著地消除上述供油腔体积连续变化的弊病，它的齿轮装置同Eaton型相比更不容易变形。而且本发明的又一目的是提出一种内啮合齿轮泵，它具有获得改善的运转平稳性并减少油膜破裂的危险。
最后，本发明的还一个目的是提出一种内啮合齿轮泵，它具有非啮合区，从而使驱动啮合与位于驱动啮合相反位置的密封啮合不再有关联。
为实现这些目的，本发明采用一种可改进啮合状态和前述存在于Eaton泵的现象的结构，在这种结构中内齿轮被分成两部分，即位于啮合最深处的传动部分和唯一目的在于在啮合最深处相反位置起密封作用的齿顶部分。本发明的第一个特点是基于这样的事实，两个带有弧形齿廓、齿数为需要齿数一半的Eaton内齿轮在圆周方向上错开半个节距重迭在一起，只有两个齿轮的彼此重迭的齿的那些部分才是可用部分。在这种情况下，原始Eaton齿轮的每个齿廓弧线与两个新形成的带外凸弧形齿面的三角形齿齿廓相重合。齿的曲面构成相邻两齿互相背对的两个齿面。这样只有原始Eaton齿轮相对较陡斜的齿根部分在齿轮啮合中是有用的以保证有利的啮合状态。但是这样形成的齿形在啮合最深处相反位置上不能起到恒定的密封作用。为了密封，将节距等于原始完整Eaton齿轮节距的一半的第三个Eaton齿轮迭加上。这个Eaton齿轮的齿的弧线中心与“三角形”齿的中心相重合并切去三角形的尖端。切除量必须使齿顶面在圆周方向上有足够的宽度，以保证在啮合最深处相反位置的两个相邻内齿轮齿的前端与小齿轮的脱开不早于内齿轮齿与小齿轮的啮合。
在本发明的这种结构中，Eaton齿轮齿顶的作用也是可以利用的，它对于在啮合最深处相反位置的密封是很有利的，而无论其是平的还是弧形的。由于齿轮尖端被切去理论重迭系数相当于小于1。但在内齿轮齿数不少于8时，这对对本发明的齿轮并无不利影响。
本发明的齿轮另一个重要特征是内齿轮的基圆处于内齿轮理论齿形的齿根区内，相应的小齿轮的基圆则处于其理论齿形的齿顶区。但对于基圆的这种要求不一定完全满足，大致满足即可。至少内齿轮的基圆须处于内齿轮中心圆之外内齿轮齿高的下部1/3处。齿数较多时，内齿轮基圆也大致处在内齿轮齿根圆之外。这一点在齿数大于10时尤其准确。类似的，小齿轮的基圆也必须向内或向外按相应的数值调整。内齿轮齿数较少时例如8个齿，小齿轮的基圆需要向内调整。
由于基圆大致等于内齿轮的齿根圆或小齿轮的齿顶圆，可以保证在啮合最深处的齿与该处相反位置的齿之间不再有联系。因而，消除了两对齿之间供油腔体积变化的问题。也解决了不希望有的中间齿啮合问题。
本发明的独到的特点在于内啮合齿轮泵的内齿轮齿形大致为梯形，带有外凸曲面的齿面和齿顶，内齿轮的基圆与其理论齿根圆相重合，而小齿轮的基圆大致与其理论齿顶圆重合。
在本文中提到理论齿根圆，理论齿顶圆及其他“理论”参数时，术语“理论”的含义是，不必考虑实际的参数，只按照在理论状态下的未修缘的完全无侧隙无故障齿轮参数考虑。
根据本发明的齿轮结构相对较简单。在确定了内齿轮的直径和所需齿数后，根据“齿数差＝1”的要求即可加工齿。理论齿廓可借助相应的圆形板或弧形板加工，当然如同Eaton齿轮一样，必须考虑到相应的齿间应足够宽。然后通过绘图或解析的方法利用加工出来的内齿轮理论齿廓来设计小齿轮的理论齿廓。齿间必须稍微加深一些，因而齿顶可以可靠地容纳于齿间中，齿间的底部无须精确加工。
内齿轮齿形的确定是有利的，其方法为在通过齿高一半的圆的圆周方向上使齿的尺寸与齿间的尺寸基本相同。这就使得内齿轮理论齿顶宽度大致等于齿间理论宽度的2/3。这样确定的尺寸结果是相对于泵的直径来讲增大了输出量，而且使齿面变得陡峭。
内齿轮齿顶宽度(未做修缘)比较有利的范围是内齿轮理论齿高的0.65-0.70倍，其理论齿根圆上齿间宽度为1.05-1.1倍理论齿高。已经证实内齿轮齿顶曲率半径取为内齿轮理论齿高的大约2-2.4倍比较合适，更佳范围为2.2-2.3。内齿轮齿面的曲率半径取为内齿轮理论齿高的大约3.3-3.7倍是很有利的，3.4-3.6倍则更好。在这里齿面的曲率半径与原始Eaton齿轮的曲率半径意义相同，本发明的齿轮就是将原始齿轮偏移半个节距迭装在一起而形成的。
如果内齿轮齿顶凸起形状是采取中心位于齿根圆外通过齿中心的内齿轮半径线上的圆弧形，且内齿轮齿面形状采用中心位于齿根圆之外圆弧形，则齿轮泵的结构就很简单了。也可以不用圆弧形曲面，而使用前面提到过的不具有恒定曲率半径的其他曲面。但是圆弧曲面因其半径是确定值，因而更容易确定其理论形状。
根据本发明的基本原则，两个相邻齿的相互背离的两个齿面处于同一圆弧面上，这一点很有利。但这一点不是必须的。例如，也可以用半径相同而圆心处于内齿轮中心与相邻两齿的齿间中心连线上不同位置的两个圆弧曲面。
如果将齿面与齿顶之间的棱边修成与齿面弧面和齿顶弧面平滑过渡的半径大约相当于内齿轮理论齿高的1/3的圆弧形，齿轮结构就更加简化了。圆弧半径取内齿轮理论齿高的0.3-0.33倍证明是合适的。如果这个半径取得太小，为避免齿根的切口效应必须将齿根相应地加深。如果这个半径取得过大，在内齿轮齿顶与小齿轮互相紧密接触的啮合最深处相反方向的区域就会太小，因而就会有吸油腔和压油腔之间的平衡呈脉动状态的危险。如果将小齿轮设计为内齿轮的滚动体，修缘位置应在底部。
实际上，根据前面叙述可知，本发明的内啮合齿轮泵的齿数选择受限于泵的最大输出量及对应的齿的最大可能尺寸。通常情况下内齿轮的齿数不超过15个。13个齿比较合适。比较恰当的内齿轮齿数范围是10-12。11个齿的内齿轮被认为是对于给定直径尺寸的泵能达到最大输出量的齿数。
本发明独具的新颖特点在后面的权利要求书中作出规定。发明本身，它的结构和工作原理以及它的其他目的和优点在后面结合附图对优选实施例的描述中可以得以充分理解。


图1是Eaton泵的内齿轮正视简图，本发明的泵即从Eaton泵衍生而来。
图2是本发明的内啮合齿轮泵内齿轮的齿形示意图。
图3是根据本发明的泵的齿轮部分的正视图；图4是根据本发明的泵的内齿轮和小齿轮啮合最深部分的放大视图；以及图5是沿图3中5-5线的本发明的内啮合齿轮泵的剖面图。
图5所示的内啮合齿轮泵包括带有左端盖18和右端盖19的壳体。环形的壳体中间部分20连接在两端盖之间。这三个壳体零件在它们之间形成了一段短的圆柱形中空空间。
内齿轮10装在壳体中间，其外圆表面与壳体零件20的内圆表面滑动配合。右端盖19有中心开孔，轴22穿过开孔其上装有小齿轮12。如图中所示的轴22通过楔块23与小齿轮12连接。从图3和图5中可以看到，在内齿轮的上部区域小齿轮与内齿轮彼此完全啮合，而在下部区域小齿轮和内齿轮的齿顶之间直接滑动。
在右端盖19上有出油口16，在端盖19的局部设有进油口15，它位于图5平面的前方。由出油口或排放口16通过管子24形成了连接通路。壳体零件18，19，20通过在圆周方向均匀分布的螺纹销钉25彼此连接在一起。
小齿轮有转轴MR，内齿轮有转轴MH，如图5所示。本发明只涉及泵的齿轮结构，因而泵的其他零件图中未示出。
相应于本发明的齿轮结构是由Eaton齿轮衍生而来，如图1所示的Eaton泵的内齿轮1。每个齿的形状大致为一段圆弧。齿底基本与内齿轮1的齿根圆重合。因图示的齿轮有11个齿，作为本发明结构的理论上的内齿轮1有55个齿2。如果将齿2打断，齿廓就如图中虚线所示，也就实现了相应于本发明的相同齿形的半个节距偏移。
但是这只是在内齿轮齿数为非偶数时的情形。如果相应于本发明的内齿轮设计成具有偶数齿数，本发明的齿轮则必须要由具有偶数齿数的Eaton内齿轮衍生出来。
本发明的齿轮由具有预先确定齿数的Eaton内齿轮1派生出来，该内齿轮在图中有从左上方至右下方的剖面线。这个内齿轮的中心用3标出。节距t仅以角度的方式标出。内齿轮1的齿还要受限于具有相同齿廓偏移半个节距的齿轮5，齿轮5在图2中有从右上方至左下方的剖面线。因而齿具有了两边相等外凸曲面齿面的三角形形状，如图中6所示。这个齿形的剖面线为从左上方至右下方和从右上方至左下方。对于具有这样剖面线的齿廓，下一步要做的是迭加上节距等于齿轮1和5的节距t的一半的第三个内齿轮7。在图2中内齿轮7有从上向下的剖面线。内齿轮7的最大齿高要小于内齿轮1和5的齿高，这样将三个内齿轮迭放在一起后，就形成了这样的齿廓，共剖面线为从左上方至右下方，从右上方至左下方，垂直方向上由上至下。这样就得到了相应于本发明的内齿轮的形状，也就是如图3中所示内齿轮10的形状，其齿形11即是由图2所示依前述方法所形成的。为设计与内齿轮相配合的小齿轮，使内齿轮10的齿根圆FH在小齿轮12的齿顶圆上滚动。这样得到的齿廓与小齿轮12的理论齿廓完全对应。
由图3中可看到，只是在齿的啮合区内小齿轮12才对内齿轮有驱动作用。在相反的位置上，内齿轮或小齿轮最高的三个齿的齿顶之间互相滑动。在图3中的左边和右边的中间区域小齿轮的齿与内齿轮的齿完全脱离开。因此，对于特殊的滑动、表面压力等这些齿轮传动方面的问题以及另一方面对于啮合最深处的密封问题，这种齿面设计是最佳的。同时，设计者在确定齿顶形状时不再受特定齿面设计的限制，而是这样来选择齿顶曲面，以达到在啮合最深处相反位置上齿顶之间的实际上无压力滑动为目的。由小齿轮和内齿轮相应的齿间形成的槽型供油腔14实际在这个区域不再发生体积变化，所以油液被从供油腔14挤出的现象实际上也不会再发生。
在吸油口15和压油口16的区域内，齿之间的供油腔实际是变化着的，但这些腔体作为一个整体相对于旋转角度实际是不变的，因为它们并没有被齿的啮合分隔开。
可以注意到在本发明的结构中，进油口和出油口长度较长。每一个开口长约为整个圆周的三分之一。
这样就能适应高转速。对于很高的转速，比如每分钟六千转或更高时，卵形的进油口和出油口可以进一步向啮合最深处延伸。
相应于本发明的内齿轮和小齿轮的设计如图4所示。内齿轮有11个齿。小齿轮有10个齿。首先，确定内齿轮10的理论齿根圆FH直径，例如选定为66mm。内齿轮的齿根圆也是它的基圆。小齿轮12的齿顶圆KR也是它的基圆。内齿轮的理论齿高H等于6mm。然后根据角度画出内齿轮的节距t及其中心MH，再画出一条将节距角二等分的直线h。在内齿轮10的齿顶圆KH上由h线向两边画出理论齿顶宽所需的尺寸B，例如取B等于约4mm也就是由H线向两边各延出2mm。这样就得到了齿面圆弧与齿顶圆KH的交点。然后做一个圆心在FH之外h线的限定线(limiting ray)上的圆弧，圆弧尺寸的确定应使内齿轮齿根圆上的理论齿间宽约等于1.05-1.1H。所以图中所示圆弧半径ro选定为20.66mm。接着画一段圆心在FH之外h线上通过h线与KH交点的圆弧。这段圆弧半径的选取应使齿顶相对于齿高具有较小的凸度。这个半径rm选为13.8mm，即2.3H。
最后，将半径为rm的齿顶圆弧与半径为ro的齿面圆弧所形成的接边修缘。为此，在图示例子中取半径rk等于1.9mm，这段圆弧以相切方式与齿面圆弧和齿顶圆弧平滑连接，如图4所示。在图4左上方可看到，小齿轮的齿顶ZKR的形状是由内齿轮10的齿顶所形成的，不能充满由FH形成底部的内齿轮齿间。这样就出现了死区，图4中FH和齿顶曲面之间的填充剖面线的楔形区Z可以这样消除，对于啮合最深处的内齿轮齿间在小齿轮12的齿顶曲面与内齿轮10的齿间底部只留有很小的侧隙，例如0.04-0.05H。在啮合最深处，由于本发明结构的原因，小齿轮12齿顶曲面的中心处与内齿轮10的齿间底部直接接触，因此在这个中心处应从内齿轮上去除少量材料，如图4左上方所示，因而内齿轮的齿底被这样形成的线HL所限定。
由于小齿轮外形设计上的原因，小齿轮12的齿间底部在啮合最深处即图4中的F处与内齿轮的齿顶紧密贴合，小齿轮的齿底应再去除少量材料以使内齿轮的齿顶在啮合最深处可有大约0.02-0.03H的间隙。这样就完成了内齿轮和小齿轮的设计。
相应于本发明的内啮合齿轮泵可用于不同目的。它们尤其适合用作重型车辆活塞发动机的润滑油泵，这时小齿轮直接装在曲轴上内齿轮装在固定在发动机外壳上的箱体里。出乎一般人们预料的是，相应于本发明的齿轮泵对轴距的偏移量很不敏感因而即便尺寸是较小的泵也可用于汽缸内燃机曲轴的大偏移量。
本发明的内啮合齿轮泵的应用并不局限于上述的目的。也可用于其他目的，用作液压泵。
可以理解前面提出的每一个要素，两个，或更多的在一起，都可以在与前面提出的不同的其他形式的结构中得以有效应用。
尽管本发明是以一个内啮合齿轮泵的形式来说明和提出的，并不意在限定于所说明的细节，因为各种各样的修改和结构变化都是可能的而不以任何方式偏离本发明的精神。
无需进一步分析，前面所述内容已充分展示了本发明的要点，其他人仅用现有知识，不忽略根据现有技术的即可理解的构成本发明的基本的或特殊的性能的那些要点，即能容易地将本发明用于各种目的。
后附权利要求书将明确提出发明及需要由专利保护的范围。
权利要求
1.一种内啮合齿轮泵，其特征在于，包括一个带有内部空腔和吸油侧及压油侧的壳体；一个装在所述壳体中且齿数在8至16之间的内齿轮；一个从动小齿轮，其齿数比内齿轮齿数少一个，并与内齿轮相啮合从而形成一啮合最深区域和与之处于相反位置的一区域，在相反区域里小齿轮齿顶在内齿轮齿顶上滑动而在啮合最深区域里小齿轮的驱动齿面与内齿轮的齿紧密贴合从而形成了吸油侧和压油侧间的密封，齿形的确定应使小齿轮的齿顶能自由处于内齿轮的齿间中，小齿轮的齿形是通过使小齿轮在内齿轮上滚动而确定的，内齿轮的齿形大致为梯形，齿面及齿顶为外凸形曲面。
2.根据权利要求1所述的内啮合齿轮泵，其特征在于，内齿轮的基圆与其理论齿根圆大体重合，小齿轮的基圆与其理论齿顶圆大体重合。
3.根据权利要求1所述的内啮合齿轮泵，其特征在于，内齿轮的齿和齿间在内齿轮齿高一半处的圆上，沿圆周方向按彼此等距方式分布。
4.根据权利要求1所述的内啮合齿轮泵，其特征在于，内齿轮有设定的理论齿高，内齿轮的未修缘齿顶宽等于0.65-0.70倍理论齿高，未修缘的理论齿根圆上的齿间宽等于1.05-1.10倍理论齿高。
5.根据权利要求1所述的内啮合齿轮泵，其特征在于，内齿轮有设定的理论齿高，内齿轮齿顶弧面半径大约为2-2.4倍内齿轮的理论齿高。
6.根据权利要求5所述的内啮合齿轮泵，其特征在于，内齿轮的齿顶弧面半径等于2.2-2.3倍内齿轮理论齿高。
7.根据权利要求1所述的内啮合齿轮泵，其特征在于，内齿轮有设定的理论齿高，内齿轮齿面的曲面半径大约等于内齿轮理论齿高的3.3-3.7倍。
8.根据权利要求7所述的内啮合齿轮泵，其特征在于，内齿轮齿面的曲面半径等于内齿轮理论齿高的3.4-3.6倍。
9.根据权利要求1所述的内啮合齿轮泵，其特征在于，内齿轮有设定的齿根圆，内齿轮的齿顶外凸曲面是中心位于穿过齿中心线的半径线上且在齿根圆之外的一段圆弧，内齿轮齿面是中心位于齿根圆之外的一段圆弧。
10.根据权利要求1所述的内啮合齿轮泵，其特征在于，内齿轮相邻两齿互相背离的两个齿面处于同一圆弧上。
11.根据权利要求1所述的内啮合齿轮泵，其特征在于，内齿轮有设定的理论齿高，内齿轮有在齿面和齿顶之间形成的棱边，棱边应修整成与齿面弧面和齿顶弧面圆滑过渡连接的圆弧形，这个圆弧半径大约相当于内齿轮理论齿高的三分之一。
12.根据权利要求1所述的内啮合齿轮泵，其特征在于，小齿轮有带底部的齿间，底部在工作中不发生接触。
13.根据权利要求1所述的内啮合齿轮泵，其特征在于，内齿轮齿数在9和15之间。
14.根据权利要求13所述的内啮合齿轮泵，其特征在于，内齿轮齿数在11和13之间。
15.根据权利要求1所述的内啮合齿轮泵，其特征在于，还设有驱动小齿轮的传动轴。
全文摘要
一种内啮合齿轮泵,带有具内部空腔和吸油侧及压油侧的壳体,一内齿轮装在壳体中,一从动小齿轮与内齿轮啮合并形成啮合最深区域和与之处于相反位置的区域。在相反区域里小齿轮齿顶在内齿轮的齿顶滑动而在啮合最深区域小齿轮的驱动齿面与内齿轮的齿紧密贴合从而形成了吸油侧和压油侧之间密封。小齿轮的齿顶能自由处在内齿轮的齿间中,小齿轮的齿形是使小齿轮在内齿轮上滚动而确定的。内齿轮的齿形为梯形,齿面及齿顶为外凸形曲面。
文档编号F04C2/00GK1208818SQ9711678
公开日1999年2月24日 申请日期1997年8月19日 优先权日1997年8月19日
发明者赫尔曼·哈勒 申请人:特劳克森特里克专利应用有限公司