หลักการทำงานและการประยุกต์ใช้ปั๊มเฟืองภายใน

หลักการขบฟัน: ปั๊มเกียร์แบบภายในทำงานอย่างไร

ปั๊มเกียร์แบบภายในประกอบด้วยเกียร์ขับ (เกียร์ฟันภายนอก ตั้งอยู่ด้านใน) และเกียร์ถูกขับ (เกียร์ฟันภายใน ตั้งอยู่ด้านนอก) เกียร์ทั้งสองหมุนไปในทิศทางเดียวกัน โดยปลายฟันของทั้งคู่สัมผัสกันที่จุดหนึ่ง เพื่อแยกด้านดูดออกจากด้านจ่าย

มีโครงสร้างปั๊มเกียร์แบบภายในหลักสองแบบ แบบแรกคือแบบรูปเสี้ยว (crescent-type) ซึ่งใช้แผ่นแบ่งรูปเสี้ยววางระหว่างปลายฟันของเกียร์ทั้งสองเพื่อป้องกันการรั่วไหลระหว่างปลายฟันของเกียร์ขับและเกียร์ถูกขับ ส่วนแบบที่สองคือแบบไม่มีเสี้ยว (crescentless type) ซึ่งอาศัยการสัมผัสโดยตรงระหว่างส่วนปลายฟันของเกียร์ทั้งสองที่จุดเดียวเพื่อแยกส่วนดูดและส่วนจ่าย โดยในทางปฏิบัติจะเว้นช่องว่างเล็กน้อยไว้เพื่อป้องกันไม่ให้เกียร์ล็อกกัน .

การออกแบบแบบไม่มีเสี้ยวจันทร์ให้ข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพที่สำคัญ: เนื่องจากปริมาตรระหว่างฟันของเกียร์ขับและเกียร์ถูกขับมีขนาดใหญ่กว่า ปั๊มจึงสามารถบรรลุการกระจายน้ำมันเชิงทฤษฎีที่มากขึ้นเมื่อความกว้างของฟัน เส้นผ่านศูนย์กลางปลายฟันของเกียร์ขับ และเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของเกียร์ถูกขับเท่ากับปั๊มแบบมีเสี้ยวจันทร์ หรืออีกทางหนึ่ง ถ้าต้องการการกระจายน้ำมันเท่ากัน เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของเกียร์ถูกขับสามารถทำให้เล็กลงได้ ซึ่งจะลดทอร์กแรงเสียดทานที่เกิดจากการเฉือนน้ำมันที่มีความหนืดบริเวณส่วนที่สัมผัสกันของเกียร์ และเพิ่มประสิทธิภาพเชิงกล — นี่คือเหตุผลหลักที่ทำให้ปั๊มประเภทนี้ถูกใช้งานอย่างแพร่หลายในระบบเกียร์อัตโนมัติของรถยนต์ รวมถึงระบบ CVT .

การคำนวณการกระจายน้ำมันสำหรับผู้เริ่มต้น

มีวิธีพื้นฐานสองวิธีในการคำนวณปริมาตรการจ่ายของปั๊มเฟืองภายใน วิธีเชิงเรขาคณิตจะคำนวณปริมาตรของช่องว่างที่ล้อมรอบด้วยฟันของเฟืองขับและเฟืองถูกขับ ส่วนวิธีโมเมนต์บิดเชิงทฤษฎีจะคำนวณโมเมนต์บิดเชิงทฤษฎีของปั๊มก่อน แล้วจึงหาปริมาตรการจ่ายจากหลักการที่พลังงานไฮดรอลิกที่ส่งให้น้ำมันเท่ากับกำลังที่ใช้หมุนเพลาปั๊ม (โดยไม่พิจารณาการสูญเสียพลังงาน) .

สำหรับผู้เริ่มต้น การคำนวณอัตราการไหลเชิงปฏิบัติคือ

Q = Vd × N

โดยที่ Q คืออัตราการไหลเชิงปริมาตร Vd คือปริมาตรการจ่ายต่อหนึ่งรอบ และ N คือความเร็วรอบ .

วิธีการคำนวณปริมาตรที่เป็นทฤษฎีเคยมีความยากลำบากในการประยุกต์ใช้อย่างแม่นยำมาโดยตลอด เนื่องจากต้องทำการอินทิเกรตปริมาตรระหว่างฟันเฟืองที่แต่ละมุมการหมุนที่เปลี่ยนแปลงไปเพียงเล็กน้อย ซึ่งจำเป็นต้องมีแบบวาดเฟืองสำหรับทุกตำแหน่งของการหมุน เครื่องมือ CAD ได้ทำให้วิธีนี้ใช้งานได้จริงมากขึ้น แต่การคำนวณค่าแรงบิดเชิงทฤษฎีอย่างแม่นยำยังคงมีคุณค่าสูง เพราะช่วยหลีกเลี่ยงความซับซ้อนของการอินทิเกรตปริมาตรแบบทีละช่วงเวลาสั้น ๆ .

ในทางปฏิบัติ ปริมาตรการจ่ายของปั๊มเฟืองมีความสัมพันธ์โดยตรงกับกำลังสองของโมดูลเฟือง ภายใต้สมมุติฐานที่ว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของวงกลมเก็บระยะห่าง (pitch circle diameter) คงที่ โมดูลที่ใหญ่ขึ้นจะให้ปริมาตรการจ่ายของปั๊มที่มากขึ้น .

ขีดจำกัดความดันดูด

ประสิทธิภาพการดูดมีผลโดยตรงต่อความสามารถของปั๊มในการทำงานอย่างเชื่อถือได้โดยไม่เกิดปรากฏการณ์การกัดกร่อนจากฟองอากาศ (cavitation) สำหรับปั๊มเฟืองแบบภายใน (internal gear pumps) มีข้อจำกัดดังต่อไปนี้

ขีดจำกัดทั่วไปของปั๊มเฟือง: ความสูงในการดูดจริงไม่ควรเกิน 0.5 เมตร

ข้อจำกัดเฉพาะสำหรับซีรีส์เอ็นบีแอล: ความสูงในการดูดตัวเองต้องไม่เกิน 500 มม. ซึ่งเทียบเท่ากับสุญญากาศที่ทางเข้าไม่เกิน 0.03 เมกะพาสคาล (0.3 บาร์) หากใช้วิธีจ่ายน้ำมันแบบบังคับ แรงดันจ่ายต้องไม่เกิน 0.5 เมกะพาสคาล มิฉะนั้นจะต้องใช้ซีลยางทนแรงดัน .

อ้างอิงจากซีรีส์พีจีเอชของเร็กซ์โรธ: แรงดันดูดต่ำสุด (ขณะไม่มีโหลด) คือ 0.8 บาร์ และแรงดันดูดสูงสุด (ขณะไม่มีโหลด) คือ 2 บาร์ .

การเกินขีดจำกัดเหล่านี้อาจทำให้เกิดปรากฏการณ์การกัดกร่อนจากฟองอากาศ (cavitation) ซึ่งส่งผลให้เกิดการปล่อยก๊าซ การระเหยของน้ำมัน เสียงดัง และการสึกหรออย่างรวดเร็วของผิวภายใน .

การวินิจฉัยข้อบกพร่องทั่วไป

ดูดไม่เพียงพอ หรือไม่สามารถดูดได้เลย

สาเหตุทั่วไป ได้แก่ โรเตอร์ด้านในไม่หมุน (ตรวจสอบเกียร์หนอน ล้อเกียร์หนอน หรือเกียร์ระบบขับเคลื่อน รวมทั้งสกรูยึดหรือหมุดตำแหน่งโรเตอร์ด้านในว่าหลวมหรือไม่); ทิศทางการหมุนไม่สอดคล้องกับเครื่องขับเคลื่อนหลัก ทำให้พอร์ตเข้าและออกสลับกัน; ท่อจ่ายอุดตัน; ตะแกรงกรองที่พอร์ตเข้าอุดตัน; โรเตอร์ด้านในและด้านนอกสึกหรอมากเกินไปจนไม่สามารถสร้างช่องปิดสนิทได้; ปลายท่อเข้าแตะพื้นถังน้ำมัน; อากาศรั่วเข้าที่บริเวณทางดูดของปั๊ม; หรือระดับน้ำมันต่ำเกินไป .

ความผันผวนของแรงดันสูง

มักเกิดจาก: ความคลาดเคลื่อนของศูนย์กลางเกินค่าที่กำหนด หรือระยะห่างระหว่างโรเตอร์ด้านนอกกับตัวเรือนปั๊มมากเกินไป (ความคลาดเคลื่อนของศูนย์กลางควรอยู่ภายใน ±0.02 มม.; ระยะห่างระหว่างโรเตอร์ด้านนอกกับตัวเรือนปั๊มควรอยู่ระหว่าง 0.04–0.06 มม.); ความแม่นยำของรูปร่างฟันโรเตอร์ด้านในและด้านนอกต่ำ (พบบ่อยในโรเตอร์ที่ผลิตด้วยกรรมวิธีโลหะผง); การเบี้ยวแบบรัศมีและแบบหน้าตัดมากเกินไป; ระยะห่างด้านข้างของฟันมากเกินไป (ควรอยู่ภายใน 0.07 มม.); หรือมีอากาศผสมเข้าไปในปั๊ม .

แรงดันไม่เพิ่ม

ตรวจสอบสิ่งต่อไปนี้: การรั่วของอากาศเข้าที่ทางดูดของปั๊ม; ความเร็วรอบของโรเตอร์ด้านในต่ำเกินไป (ตรวจสอบการเชื่อมต่อระบบถ่ายทอดกำลังจากเพลาหลักไปยังโรเตอร์ด้านในว่าหลวมหรือลื่นไถลหรือไม่); การอุดตันบางส่วนของพอร์ตดูด; หรือการขบกันไม่ดีของเกียร์เวิร์ม/ล้อฟันเวิร์ม หรือเกียร์ซึ่งทำให้ความเร็วรอบของโรเตอร์ด้านในผันแปร .

เสียงดังเกินไป

สาเหตุที่เป็นไปได้ ได้แก่ ระดับน้ำมันต่ำจนทำให้อากาศเข้าไปพร้อมน้ำมัน หรือการอุดตันบางส่วนของตะแกรงกรองจนทำให้แรงดูดไม่เพียงพอ; การสึกหรอของชิ้นส่วนอย่างรุนแรง; หรือการเปลี่ยนตำแหน่งจุดขบกันของระบบถ่ายทอดกำลังของปั๊ม .

การรั่วไหลของน้ำมันภายนอก

ตรวจสอบสิ่งต่อไปนี้: สกรูยึดตัวปั๊มหรือข้อต่อหลวม; ซีลเสียหาย; การปิดผนึกบริเวณฟลานจ์ทางออกไม่ดี; หรือตัวปั๊มหรือฝาครอบบิดเบี้ยวหรือเสียหาย .

หมายเหตุสำหรับการเลือกใช้รุ่น NBL

ซีรีส์ NBL เป็นปั๊มเกียร์ภายในแบบฟันตรงคู่กัน (conjugate internal gear pump) ออกแบบมาเพื่อให้มีสมรรถนะในการดูดตัวเองได้เชื่อถือได้ ประเด็นสำคัญที่ควรพิจารณาเมื่อเลือกใช้งานสำหรับผู้เริ่มต้น:

การกระจายน้ำมันและความเร็ว: ปรับขนาดการกระจายน้ำมันของปั๊มให้สอดคล้องกับความต้องการการไหลของระบบที่ความเร็วในการทำงานที่ตั้งใจไว้ ปั๊มเกียร์แบบภายในโดยทั่วไปให้การไหลที่เรียบเนียนและแรงสั่นสะเทือนต่ำ จึงเหมาะสำหรับงานที่ต้องการผลลัพธ์ที่เสถียร

การจัดวางช่องดูด: ซีรีส์ NBL ต้องการความสามารถในการดูดขึ้นเองได้สูงสุด 500 มม. (สุญญากาศที่ทางเข้าไม่เกิน 0.03 เมกะพาสคาล) หากใช้ระบบจ่ายน้ำมันแบบบังคับ แรงดันต้องไม่เกิน 0.5 เมกะพาสคาล เว้นแต่จะเปลี่ยนซีลกันน้ำมันแบบทนแรงดันสูง .

การติดตั้งและเพลา: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าชนิดของหน้าแปลน (มาตรฐาน SAE หรือ ISO) และข้อกำหนดของเพลา (แบบมีสันหรือแบบฟันเลื่อน) สอดคล้องกับระบบที่ใช้งาน หน้าแปลนมาตรฐาน SAE และ ISO มีให้เลือกใช้กับปั๊มเกียร์แบบภายในซีรีส์ QT และรุ่นที่ใกล้เคียงกัน .

ความเหมาะสมต่อการใช้งาน: ปั๊มเกียร์แบบภายในมีข้อได้เปรียบในด้านประสิทธิภาพที่ความเร็วสูง เสียงรบกวนต่ำ และแรงสั่นสะเทือนของการไหลน้อย แต่มีรูปทรงฟันที่ซับซ้อนกว่า และต้นทุนการผลิตสูงกว่าปั๊มเกียร์แบบภายนอก นิยมใช้ในงานที่ต้องการการดำเนินงานอย่างเรียบเนียนและเงียบ

ประเด็นสำคัญสำหรับผู้เริ่มต้น

ปั๊มเกียร์แบบภายในส่งผ่านของไหลอย่างเรียบเนียนและมีการเปลี่ยนแปลงความดันต่ำ โดยการปิดผนึกด้านดูดและด้านจ่ายที่จุดสัมผัสระหว่างปลายฟันของเกียร์ขับเคลื่อนและเกียร์ถูกขับ ปริมาตรการส่งผ่านควรคำนวณจากหลักการทอร์กเชิงทฤษฎีเพื่อความแม่นยำสูงสุด ส่วนอัตราการไหลจริงคำนวณได้จากสมการ Q = Vd × N ข้อจำกัดด้านการดูดมีความเข้มงวดมาก — โดยทั่วไปแล้วสามารถดูดด้วยตนเองได้สูงสุด 0.5 เมตร และความดันสุญญากาศที่ทางเข้าไม่เกิน 0.03 เมกะพาสคาล สำหรับปั๊มซีรีส์ NBL ปัญหาส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นจริงในสนามมักเกิดจากอากาศรั่วเข้าไปในระบบ ทิศทางการหมุนผิด ตะแกรงกรองที่ทางเข้าสกปรก หรือการสึกหรอของช่องว่างโรเตอร์มากเกินไป ในการเลือกปั๊มซีรีส์ QT หรือซีรีส์ NBL จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าปริมาตรการส่งผ่าน ค่าแรงดันสูงสุดที่รองรับ ช่วงความเร็วรอบ การจัดวางขั้วต่อทางด้านดูด และรูปแบบการยึดติดสอดคล้องกับข้อกำหนดของระบบที่ใช้งาน