2.2.7. Ротационные насосы

Шестеренчатые насосы являются одним из простейших представителей ротационных (вращательных) гидромашин, получили широкое распространение в системах смазки и рулевых усилителях автомобилей семейства МАЗ-500, БелАЗ и МоАЗ.

Принцип работы такого насоса рассмотрим на схеме, показанной на рис. 23. В корпусе 1 размещены ведущая 2 и ведомая 3 шестерни, образующие небольшие зазоры с корпусом и крышкой корпуса насоса.

Жидкость поступает в корпус через всасывающее отверстие и заполняет полость всасывания В, включающую впадину между зубьями шестерен, вращающихся в противоположном направлении. Отсюда жидкость в межзубчатых пространствах переносится в напорную полость Н, из которой вытесняется зубьями шестерен, входящими в зацепление, в напорную линию. Таким образом, зубья шестерен действуют как поршни.

Производительность шестеренчатого насоса (м³/с), состоящего их двух одинаковых шестерен

,

где число зубьев; площадь поперечного сечения зуба, м; скорость вращения шестерен, об/мин; ширина шестерни, м.

Производительность (м³/с) может быть представлена и в другом, более удобном для практических расчетов виде:

или

где диаметр выступов шестерни, м; диаметр впадин шестерни, м; - диаметр делительной окружности, м; модуль шестерни; число зубьев шестерни.

Шестеренные насосы, как и другие типы ротационных насосов, способны к самовсасыванию, т.е. они могут выкачивать воздух из всасывающей линии, а затем перекачивать жидкость.

Основное преимущество шестеренных насосов – высокая надежность и износостойкость. Практически износ рабочих деталей шестеренного насоса наблюдается только по торцевым поверхностям, в то время как рабочие детали других насосов изнашиваются как по торцам, так и радиальном направлении. Высокая износостойкость обусловила возможность увеличения максимального давления шестеренного насоса. В настоящее время таких насосов достигло 21 МПа, что превосходит величины других типов на-

сосов. Долгое время применение шестеренных насосов сдерживалось из-за сравнительно малой скорости вращения (до 2500 об/мин). Ряд зарубежных фирм освоил выпуск таких насосов на скорость вращения до 4000 об/мин. Это позволяет использовать их как в автомобилях с дизельными, так и карбюраторными двигателями.

Назначение автомобильного шестерённого масляного насо­са – подавать масло под давлением к основным трущимся поверхностям и к приборам его очистки и охлаждения. На автомобильных двигателях получи­ли распространение одно- и двухсек­ционные шестеренные масляные насосы,

т. е. насосы, имеющие одну или две пары шестерён (рис. 24). Они отличаются простотой устройства, небольшим чис­лом деталей, надежной работой и рав­номерностью подачи масла.

Шестеренные масляные насосы уста­навливают в поддоне или снаружи блока цилиндров. Насосы, смонтированные снаружи на блоке цилиндров, можно осматривать, ремонтировать или заменять, не снимая поддона. Перед установкой на двигатели в эти насосы наливают масло для обеспечения их нормальной работы.

В корпусе 6 верхней секции насоса находятся ведущее колесо 7, укрепленное на валу 5 при помощи шпонки и стопорного кольца, ведомое колесо 4, свободно вращающееся на оси. В корпусе нижней секции также расположены два зубчатых колеса: ве­дущее 10. закрепленное шпонкой на ва­лу, и ведомое 11, свободно вращающее­ся на оси, запрессованной в корпус.

Крышка 8 масляного насоса является одновременно разъединительной пла­стиной, при установке которой с обеих ее сторон образуются две отдельные секции насоса. Прокладки 3 создают плотное соединение секций с крышкой. Штифт 9 служит для правильной уста­новки крышки и корпуса. В крышке насоса расположен редукционный кла­пан 14 верхней секции насоса. Когда да­вление в нагнетательной полости превы­сит 320 кПа, открывается редукционный клапан, отрегулированный на это давле­ние, и масло перетекает во всасываю­щую полость. В корпусе нижней секции (рис. 47, а) установлен ре­дукционный клапан 12. отрегулированный на давление 120 кПа.

Г ероторные насосы (двухроторные) состоят (рис. 25) из корпуса 1, в котором по скользящей посадке установлены наружная шестерня 2 и закрепленная на валу 3 внутренняя шестерня 4. Оси вращения этих шестерен смещены на расстояние (эксцентриситет). Число зубьев внутренней шестерни на один меньше, чем у наружной. Специальные профили зубьев шестерен позволяют обеспечить их непрерывный контакт по линиям перпендикулярным вертикальной оси и разделить пространство между шестернями на две полости Н и В, которые сообщаются с камерами 6 и 7 в корпусе через отверстия во впадинах наружной шестерни. При вращении шестерен по направлению вращения часовой стрелки в полости В создается вакуум и жидкость поступает в нее из патрубка 8 и камеры 7. Одновременно в полости Н давление возрастает и жидкость через отверстия вытесняется в камеру 6 и нагнетательный патрубок 5.

Героторные насосы развивают давление до 14 Мпа.

Подача героторного насоса (м³/с) при ведущей внутренней шестерни определяется из выражения

,

где ширина шестерен, м; диаметр выступов внутренней шестерни, м; - скорость вращения внутренней шестерни, об/мин.

Пластинчатые насосы получили широкое распространение в системах гидроусилителей рулевого управления автомобилей. Они применяются на автомобилях семейства ЗИЛ, Урал, КрАЗ, КамАЗ, ГАЗ-66, автобусах ЛиАЗ, ПАЗ.

П ластинчатые (шиберные) гидромашины одинарного действия (рис. 26) строятся на основе кулисного механизма. В пазах ротора 3, закрепленного на ведущем валу, совершают возвратно-поступательное движение шиберы 1, опирающиеся на поверхность статора 2. Ось ротора эксцентрична на величину относительно оси внутренней поверхности статора. Поэтому рабочий объем, ограниченный двумя соседними шиберами и поверхностями ротора и статора, при вращении вала изменяется. При вращении ротора по часовой стрелке величина рабочего объема, расположенного справа от вертикальной оси насоса уменьшается и жидкость вытесняется в напорное окно 4. Рабочий объем, находящийся слева от вертикальной оси, увеличивается и происходит всасывание жидкости через окно 5. При этом шиберы прижимаются и поверхности статора либо за счет давления жидкости, подводимой под его основание, либо путем действия специальных пружин, выталкивающих шиберы из пазов, либо другим способом.

Напорное 4 и всасывающее 5 окно в статоре размещены так, что пространство между ними всегда разделено одним или двумя шиберами, что предотвращает возможность соединения всасывающей и напорной линий.

Среднюю величину подачи пластинчатого насоса одинарного действия с учетом утечек жидкости через уплотнения (м³/с), определяют из выражения

,

где ширина ротора, м; эксцентриситет, м; внутренний диаметр статора, м; – число пластин шиберов, - толщина пластин, м; - скорость вращения ротора, об/мин.

В качестве автомобильных насосов гидроусилителей руля используют только пластинчатые насосы двойного действия (рис. 27). Такие насосы имеют установленный на валу 2 ротор 3, в газах которого совершают

возвратно-поступательное движение пластины 5. Пластины скользят по специальной профилированной поверхности статора 1. В статоре выполнены два всасывающих 4, 7 и два нагнетательных 6, 8 окна. При вращении ротора по направлению часовой стрелки пластина, находящаяся в крайнем нижнем положении, сначала захватывает (всасывает) жидкость из окна 7 и нагнетает ее в окно 8. Таким образом. В насосе двойного действия за один оборот ротора совершаются два такта всасывания и два такта нагнетания. Давление, развиваемое пластинчатым насосом двойного действия, достигает 14 МПа, а расчетная подача (м³/с)

где ширина ротора, м; и магистральный и минимальный радиусы профиля статора, м; и - толщина (м) и число пластин; - угол наклона пластин относительно радиальной плоскости, проходящей через точку пересечения профилированной поверхности статора с осью пластины.

К преимуществам пластинчатого насоса двойного действия относятся разгруженность от радиальных усилий, высокий объемный коэффициент полезного действия, обеспечивающий приемлемую работу при малой скорости вращения ротора и малые габариты, и масса при достаточно большей передаче.

В системе гидроуси­лителя автомобиля ЗИЛ-130 давление масла создается насосом пластинчатого типа двухстороннего действия (рис. 28), который устанавливают на двигателе с левой стороны с приводом через клиноременную передачу от шки­ва на переднем конце коленчатого вала. Шкив 8 насоса закреплен на наружном конце вала 4, вращающегося на иголь­чатом 3 и шариковом 6 подшипниках.

На валу насоса на шлицах посажен ротор 1, в пазы которого свободно вставлены пластины 27. К корпусу насоса 7 шпильками и болтами вместе с распре­делительным диском 26 и крышкой при­креплен статор 2.

При вращении ротора 1 пластины 27, перемещаясь в его пазах постоянно, плотно прижимаются к криволинейной поверхности статора под действием цен­тробежных сил и. давления масла. Мас­ло из корпуса 7 попадает в простран­ство между лопастями и вытесняется ими в полость нагнетания. За один обо­рот ротора дважды происходит всасывание и нагнетание масла. Из полости нагне­тания через отверстия распределитель­ного диска 26, калиброванное отверстие 25 и канал в крышке 24 масло поступает в нагнетательный шланг гидроусилите­ля.

Н а верхней части корпуса 7 насоса укреплен бачок 16 для масла, закрытый крышкой 12, в которой установлен са­пун 13, поддерживающий внутри бачка атмосферное давление. Внутренняя по­лость бачка уплотнена резиновой про­кладкой 15 и резиновым кольцом 9 с шайбой 11. Масло, заливаемое в ба­чок, проходит через сетчатый фильтр 14. На линии для слива масла стоит сет­чатый фильтр 17 и перепускной клапан 18, который срабатывает в случае засоре­ния фильтра.

В крышке 26 насоса установлен перепускной клапан 23, имеющий отверстия для соединения с полостью нагнетания насоса. При повышении частоты враще­ния коленчатого вала двигателя раз­ность давлений на торцах перепускного клапана возрастает, так как с увеличе­нием подачи масла в систему гидроуси­лителя повышается разность давлений в полости нагнетания насоса и линии нагнетания системы гидроусилителя. При чрезмерном увеличении подачи масла в систему гидроусилителя пере­пускной клапан перемещается вправо, сжимает пружину 21 и сообщает по­лость нагнетания с бачком 16.

Для уменьшения уровня шума при ра­боте насоса и снижения износа его дета­лей при большой частоте вращения ко­ленчатого вала двигателя масло, пере­пускаемое клапаном 23, принудительно направляется обратно в полость корпу­са насоса и в канал всасывания. Для этой цели служит коллектор 19, внут­ренний канал которого соединен с по­лостью бачка 16 сравнительно неболь­шим отверстием.

Внутри перепускного клапана есть седло 22 с установленным в нем предох­ранительным клапаном 20, который от­крывается при достижении давления масла 650 – 700 кПа и перепускает его из нагнетательного канала в бачок.

Роликовые насосы. Основным изготовителем роликовых насосов является американская фирма Eaton [5, 8].

Р абочий процесс в роликовом насосе двойного действия (рис. 29) такой же, как и в пластинчатом. Функции пластин выполняют ролики 5, размещенные в пазах ротора 3. Специальная кривая внутренней (рабочей) поверхности статора 1 обеспечивает бесшумность работы насоса.

При вращении ротора ролики 5 под действием центробежных сил и давления прижимаются к рабочей поверхности статора. Всасывающие 4,7 и нагнетательные 6,8 полости с помощью каналов в статоре объединяются, соответственно, во всасывающий и напорный трубопроводы.

В насосе одностороннего действия подшипники ротора находятся под постоянной нагрузкой от рабочего давления.

В роликовом насосе двойного действия подшипники вала не подвержены нагрузке от давления.

Рабочее давление, развиваемое роликовым насосом, достигает значения 14 Мпа.

Подача насоса (м³/с)

,

где – максимальный радиус рабочей поверхности статора, м; - радиус ротора, м; - ширина насоса, м; - скорость вращения ротора, об/мин.

Колпачковые насосы. Широкое рапространение насосы колпачкового типа получили на американских автомобилях. Эти насосы, по существу являющиеся разновидностью пластинчатых насосов, производятся фирмой TRW (США) и применяются как на грузовых, так и на легковых автомобилях [8]. Колпачковый насос отличается высокой износостойкостью и КПД, вследствие возможности снижения относительной скорости скольжения в контакте колпачков с поверхностью статора и увеличения их контакта. Недостаток насоса – наличие пружин, работающих в весьма тяжелых условиях циклического нагружения при повышенной температуре.