高压、高速、高温化使得齿轮泵固有困油问题愈发严重,传统卸荷槽结构已难以满足高性能燃油泵设计要求。为此本文提出一种基于运动法的新型卸荷槽结构设计方法,通过构建困油模型并从整泵全局角度分析齿轮参数对困油各项性能的影响规律,以确定齿轮参数并为卸荷槽设计提供约束条件;其次基于齿轮运动规律和卸荷槽设计原则进行了某型燃油齿轮泵卸荷槽的设计,并进行了多个工况下新型卸荷槽和传统卸荷槽困油特性仿真对比;最后试制了样机并通过试验验证了卸荷槽设计的有效性。研究结果表明所设计的卸荷槽与传统矩形卸荷槽相比,同工况下最大困油压力降低63.4 MPa,流量脉动率减小33.5%,空化区域更小,工作性能更优,能够显著缓解困油带来的不利影响。采用该结构卸荷槽的齿轮泵具有高的容积效率和长时抗汽蚀能力。

首先简单说明外啮合齿轮泵困油现象的产生,其次着重对齿轮泵困油研究中的困油模型的完善以及卸荷槽的创新设计两个方面展开分析,从最初的单因素困油模型到多因素动态耦合困油模型,列举分析了其中数学模型的推导过程,从简单的圆形、矩形卸荷槽的设计选择到具有创新性的梯形卸荷槽的设计优化,列举分析了其中的流体仿真结果。最后,指出对于齿轮泵困油现象的后续研究方向。

为解决外啮合齿轮泵侧隙的现有选用方法误差较大的问题,在分析齿侧间隙组合卸荷槽对缓解困油压力的影响及对侧隙要求的基础上,通过困油容积及其变化率和困油区内卸荷槽口和侧隙处的两种主要泄漏量计算,根据困油的体积弹性模量,建立了困油分析的简易模型,并由困油压力最大峰值的仿真计算,给出了侧隙的精确计算方法,最后就工况参数的影响结果与现有文献的试验结果进行对比分析.结果表明所建立的困油模型和侧隙计算方法是可靠的,在侧隙计算中可以忽略困油中含气的影响,出口压力对侧隙计算的影响不大,但是转速的影响较大.在最小卸荷槽间距配小侧隙和最大卸荷槽间距配大侧隙的两种卸荷组合中,应优先采用最小卸荷槽间距配小侧隙的卸荷组合.侧隙的精确计算为外啮合齿轮泵的设计提供了一种新的方法,具有一定的工程应用价值.

在简要概括外啮合齿轮泵困油现象的基础上,综述了困油及困油模型的国内外研究情况,并对相关研究做了评述后认为,现有的静态困油模型存在考虑因素过于简单,基础量计算比较粗糙等缺陷.鉴于此,在综合考虑含气、油液离心力、侧板倾斜、卸荷槽以及齿轮副振动等因素的基础上,结合齿轮泵的动力学特性,重点描述了动态困油模型.最后,就动态模型存在的不足之处进行了分析,并指出后续研究的方向.

为了解工况参数和设计参数对困油压力的定量影响,根据直齿无侧隙齿轮传动的几何关系及与卸荷槽的位置关系,由困油容积及其变化率、困油区内外的交换流量和动态侧隙的计算,建立了有困油压力方程和齿轮副动力学方程相耦合的动态困油模型,由此仿真出一个困油周期内的困油压力。与已有资料对比的结果表明：动态模型下的仿真结果要大于静态模型下的仿真结果,两困油区内的困油压力存在p2〉p1;相关参数对困油的影响是矛盾的,存在优化问题。表明所建模型正确可靠,能够用于困油压力预测、振动分析与评估以及泵整体设计的最优化。

为探讨外啮合齿轮泵的齿轮副振动对两困油区内困油压力仿真结果的影响,由困油的体积弹性模量定义建立出有关困油压力的仿真模型,并就有、无振动的两种情况,通过两困油区内来自困油的各种泄漏量的量值比较,分别对2个困油区内困油压力值的大小进行了理论分析,且佐以仿真运算和试验验证。结果表明,第2困油区内的压力峰值大于第1困油区内的压力峰值,振动下的峰值差距较无振动时为小;出口压力越高,峰值差距越大;振动下的仿真结果较无振动时精度更高,例第6组的仿真误差由16.7%改善到7.8%;在困油压力的仿真中,有必要考虑齿轮副的振动因素等,动态困油模型可为泵后续的进一步设计提供理论支持。