基于Solidworks的齿轮泵建模及仿真分析【任务书+开题报告+SolidWorks+CAD+说明书】.rar

北方工业大学 北方工业大学 本科毕业设计（论文）开题报告书本科毕业设计（论文）开题报告书题 目：指导教师：专业班级：学 号：姓 名：日 期：年 月 日 一、选题的目的、意义1、研究目的及意义齿轮泵是液压系统中常用的一种液压元件，自身结构简单，制造方便且价格低廉，具有容易维护、性价比高的特点。齿轮油泵自身结构是在泵体中装有一对回转齿轮，其中一个为主动齿轮，一个为被动齿轮，依靠两齿轮的相互啮合，把泵内的整个工作腔分两个独立的部分，是将液压油箱内的低压油转化为高压油排出泵体外的重要部件，齿轮泵在整个液压泵占比非常高，使用范围广泛。齿轮泵具有以下特点：1.结构紧凑，使用和保养方便。2.具有良好的自吸性，故每次开泵前无须灌入液体。3.齿轮油泵(齿轮泵)的润滑是靠输送的液体而自动达到的，故日常工作时无须别加润滑油。齿轮泵液压传动系统是需要和不断的进行改进的，正向着快响应、小体积、低噪声的方向发展，齿轮泵除积极采取措施保持其在中低压定量系统、润滑系统等的霸主地位外，还向着大排量、变排量、高压化、低噪声方向发展，因此研究一种新型性能良好的齿轮泵具有很强的工程应用价值。2、国内外研究现状2.1 国外研究现状齿轮泵在工程传动系统中使用相当广泛，大量科研人员对齿轮泵进行深入研究。西方国家对齿轮泵进行了许多理论研究，形成了多种产品系列。MAAG 公司研发的精密齿轮泵，为业内市场的领导者，其最大流量可达到 114t/h。日本学者采用双圆弧形式的齿轮泵，经过计算圆弧形齿轮泵对泵体排量的影响。徐正松采用齿轮齿廓替代渐开线式的齿廓来提高齿轮泵的产品性能，同时有效的降低了泵的噪声。2.2 国内研究现状国内学者对液压齿轮泵做了很多的研发工作，对齿轮泵取得了一定的研究成果。陈琪根据齿轮泵的工作条件及应用场合对齿轮泵进行相应的开发，针对其结构建立数学模型，进行多目标的优化设计。马永其分析了齿轮泵的结构特性，明确了一种有关其性能分析理论，为提高齿轮泵的整体性能提供了理论参考。祝海林通过分析调研齿轮泵的故障起因及类型，并深入理论分析，针对问题优化设计，进一步提高了齿轮泵的使用寿命和性能。二、本题的基本内容1、调研现有技术文献及书籍，明确齿轮泵工作原理及驱动结构，分析其结构特点及自身优缺点，确定驱动方案，同时利用 solidworks 软件对齿轮泵结构进行三维建模。2、通过理论计算设计校核关键零部件及结构，确保满足设计要求。3、使用 Adams 软件对建立的三维模型进行运动仿真，用于检查装配模型的运 动方式是否满足于实际设计要求，同时能及时检查在装配体中是否具有干预情况存在。通过仿真分析明确其工作原理，进一步优化结构设计。三、完成期限和主要措施主要措施：1、收集现有齿轮泵的相关文献，理解齿轮泵的工作原理，从而确认所设计的齿轮泵的机械方案。2、根据确认的机械方案，使用 solidworks 软件对齿轮泵进行三维建模。通过机械设计、液压技术等相关理论书籍设计计算方案对结构件进行理论验证。3、学会使用 Adams 软件，将建立的齿轮泵导入到其中，建立相应的运动副和约束关系，仿真得到输入输出的结果，进一步优化结构设计。四、预期达到的目标五、主要参考文献1 俞云飞，液压泵的发展展望.液压气动与密封J，Feb.2002(1)2 马永其，孙永华，高粘度外啮合齿轮泵结构及特性分析J，流体机械，1997，25(12):19223 祝海林，邹呈，输送高粘度液体用齿轮泵的特点与发展方向J，石油机械，2002 30(1):42444 Mario Antonio Morselli.GEARED HYDRAULIC APPARATUSP.US PatentApp.12/531,136,2008.5 Lee G S,Jung S Y,Bae J H,et al.Design of rotor for internalgear pump using cycloid and circular-arc curvesJ.Journal ofMechanical Design,2012,134(1):011005.6徐正松，张建寿.低噪声圆弧齿轮泵-CCB 泵J.机床与液压.1984.6：19-23.7市川常雄,李恒.齿轮泵设计J.国外内燃机车,1964(06):29-36.8 陈 国 林.齿 轮 油 泵 设 计 研 究 J.科 技 经 济 导 刊,2020,v.28;No.732(34):106-107.9张建寿,董信根,谢为贤.低噪声内齿轮泵设计参数最优化技术J.上海交通大学学报,1990(03):73-79.10沙鑫美,潘铭.基于虚拟样机的液压齿轮泵设计J.山东工业技术,2016,000(021):6-7.11Zhou Li-ping,周丽萍.某型小流量齿轮泵设计C/中国航空学会.中1、完成齿轮泵的机械方案确认及三维建模，根据设计的模型完成装配体、零件图出图。2、通过理论计算验证所设计的齿轮泵具有一定的应用价值。国航空学会,2014.12丁万荣,张世忠.BCBB 型变量齿轮泵设计要点J.机床与液压,1998,000(004):71-71.13李志华,顾广华.齿轮泵齿轮基本参数的优化设计J.江西农业大学学报,1997,019(003):132-136.14徐学忠,宋天麟.直线共轭齿轮泵的基本参数优化设计J.机械传动,2007(04):69-71.15熊桂超.外啮合齿轮泵多目标优化设计的研究J.现代制造工程,2010,000(006):60-63.16濮良贵.机械设计-5 版M.高等教育出版社,1989.17张奕.液压与气动传动M.电子工业出版社,2011.18梁德本.机械制图手册M.机械工业,1990.六、指导教师意见（包括毕业实习）（包括毕业实习）指导教师签字：指导教师签字：年年 月月 日日七、系审查意见 系主任签章：系主任签章：年年 月月 日日 八、学院审查意见 院长签章：院长签章：年年 月月 日日注：开题报告书内容一至六项须在开题答辩前完成。论文题目：基于论文题目：基于 Solidworks 的齿轮泵建模及仿真分析的齿轮泵建模及仿真分析学学 院：机械与材料工程学院院：机械与材料工程学院专专 业：机械设计制造及其自动化业：机械设计制造及其自动化班班 级：机（专起本）级：机（专起本）22-1姓姓 名：陈思琦名：陈思琦学学 号：号：22954040107指导教师：毛潭指导教师：毛潭2024 年年 4 月月 20 日日I基于 Solidworks 的齿轮泵建模及仿真分析摘 要：工业体系中现有的液压设备通常使用液压泵作为液压系统的动力执行元件，通过电机驱动齿轮泵运转。齿轮泵内部结构由一对相互啮合的齿轮结构，通过其之间的相互啮合和脱离来完成对液压油的吸入和压出功能。但在实际工作过程中，液压泵经常出现漏油的问题，也会在长时间的工作过程中出现困油、噪声、振动等多种结构问题，影响其使用效果及寿命。本文所设计的齿轮泵主体结构由主从动齿轮、驱动轴、泵壳体、密封圈等结构件组成。通过一对相互啮合的齿轮来完成吸、压油腔的空间，从而完成齿轮泵的吸油和压油两个功能。本文通过理论计算验证所设计的齿轮轴是否满足功能需求，以确保所设计的结构的科学性、有效性。使用 solidworks 软件完成对所设计的齿轮泵三维建模，并基于 solidworks内部仿真工具模块对重要结构件相互啮合的齿轮轴进行应力仿真，验证设计的是否合理，以期对结构进行优化改进。对所设计的液压泵具有强度大、耐腐蚀、自身重量轻、使用寿命较长的特点，具有一定的可操作性和市场应用价值。关键词：结构设计；工作原理；理论计算；仿真分析IIGear pump modeling and simulation analysis based on SolidWorksAbstract:The existing hydraulic equipment in the industrial system usually uses the hydraulic pump as the power actuator of the hydraulic system and drives the gear pump through the motor.Gear pump internal structure by a pair of inter-meshing gear structure,through their mutual meshing and separation to complete the hydraulic oil suction and press out function.But in the actual work process,the hydraulic pump often oil leakage,but also in the long-term work process of oil trap,noise,vibration and other structural problems,affecting its use effect and life.The main structure of the gear pump designed in this paper consists of main and driven gear,drive shaft,pump shell,seal ring and other structural components.Through a pair of meshing gears to complete the suction,pressure oil cavity space,so as to complete the pump oil suction and pressure oil two functions.In this paper,the theoretical calculation to verify the design of the gear shaft to meet the functional requirements to ensure the design of the structure of the scientific and effective.Using solidworks software to complete the three-dimensional modeling of the designed gear pump,and based on the solidworks internal simulation tool module,the stress simulation of the gear shaft with important structural parts meshing with each other is carried out to verify whether the design is reasonable or not,in order to optimize the structure.The design of the hydraulic pump with high strength,corrosion resistance,its own light weight,long service life of the characteristics of a certain Operability and market application value.Keywords:structural design;working principle;theoretical calculation;simulation analysisI目录1 绪论.11.1 课题研究背景与意义.11.1.1 课题背景.21.1.2 课题意义.31.2 国内外研究现状.31.2.1 国内研究现状.31.2.2 国外研究现状.41.3 论文研究目标与研究内容.41.3.1 研究目标.41.3.2 研究内容.42 齿轮泵的结构设计分析.62.1 齿轮泵的分类.62.2 内啮合齿轮泵工作原理.62.3 外啮合齿轮泵工作原理.72.4 两种齿轮泵的对比.72.5 外啮合齿轮泵结构设计.72.5.1 总体设计.82.5.2 困油槽设计.82.6 本章小结.93 机械系统设计计算.103.1 齿轮设计计算.103.2 轴的设计计算.123.2.1 齿轮啮合力.123.2.2 液压力.133.2.3 轴的设计及校核.133.3 卸荷槽的设计.153.3.1 产生困油现象的原因及害处.153.3.2 齿轮泵去除困油的实际工程方法.17II3.4 轴承选型.183.5 键的选择与校核.193.6 本章总结.194 齿轮泵三维结构设计.204.1 三维软件介绍.204.2 齿轮泵三维实体设计.204.2.1 定位盖的设计.214.2.2 密封套三维实体设计.224.2.3 齿轮 B 的三维设计.224.2.4 前盖三维设计.234.2.5 主阀体三维设计.234.2.6 锁紧螺钉三维设计.244.3 齿轮泵的装配.244.4 本章小结.255 齿轮泵的仿真分析.265.1 有限元理论.265.2 仿真流程步骤.265.3 仿真结果分析.275.4 本章总结.286 结论.29致 谢.30参考文献.31附 录.32北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）11 绪论1.1 课题研究背景与意义随着各国经济的不断快速发展，新型设备和机型也层次不穷，液压泵的应用范围也越来越广，但是每个客户的具体需求可能不同，液压油泵作为主要的关键液压执行动力元件，液压泵相关研发生产企业的产品自身质量决定着其发展方向，好的质量才能带来经济效益，好的产品得到客户的认可，才能确保双方互利共赢。液压泵是使用液压系统设备运行稳定的关键影响因素，其产品性能的好坏直接决定着所使用设备的整体运行稳定性及性能，因此其产品质量的好坏既是挑战也是研发企业的机遇。根据其结构类型，一般可将其分成三大类，即齿轮泵、柱塞泵和叶片泵。其中，以齿轮水泵最多，应用范围最大。在行业中常用的是齿轮泵，它具有结构简单、工作可靠、寿命长等特点；易于维护，价格低廉。但是，它也有很多不足之处，例如容易出现困油现象，容易出现液压油泄漏，工作时噪音很大；目前，齿轮泵正朝着高压、高温、大流量的趋势发展；降低噪声、改善其工作性能，一直是世界各国科研机构研究的热点。目前国际上最常用的是外齿圈式齿轮泵，它是利用轴套的轴向间隙进行自动补偿，并通过平槽的方法降低了齿轮的径向不平衡力。然而目前这类齿轮泵齿数普遍偏低，致使其流动特性波动大，故许多学者试图对其进行深入研究，以提高其性能。现阶段国内外研究学者主要针对以下几个方面对液压泵进行相应的研究：（1）齿轮泵内齿轮结构参数优化以及壳体结构参数优化；（2）降低齿轮泵噪声；(3)如何提高齿轮泵使用寿命，研究其影响因素；（4）齿轮泵所产生的液压力理论基础研究；齿轮泵的自身结构及液压驱动系统会向着快响应、小体积、低噪声等方向发展。(1)大排量：对于要求快速响应的系统来说，大排量是必须考虑的因素。但现有普通齿轮泵自身排量受到很多结构因素、环境因素的影响和限制。(2)低流量脉动：流量脉冲引起整个系统的振动并带来噪声，是一大需要限制的问题。为了有效的降低液压泵流量脉冲，设计上采用复合多齿轮泵是一种趋势。(3)可变化排量：由于齿轮泵的排量无法调节制约了其使用范围。对此人们做了许多研究，国内外已经出现了许多关于可变化排量的齿轮泵的专利，但是能够将其产业化的却是北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）2寥寥无几。(4)高压力：提高液压泵工作压力是一个重要课题。目前，我国齿轮泵的高压力研究已经有了很大的发展，但受制于其自身的结构特点，较难提升其工作压力，因此需要开发新的齿轮泵。(5)低噪声：选型时对齿轮泵的噪声要求也越来越高。齿轮泵的噪声主要分为两方面，一方面是齿轮啮合带来的噪声，另一方面是困油所带来的液压噪声。齿轮的加工、安装精度直接决定着卸荷是否彻底，是否能够有效降低噪声，其加工精度也影响着运行的平稳度。1.1.1 课题背景我国是世界上单位产值耗能最高的国家之一，其能源利用效率远远低于发达国家，因此节能是我国能源发展战略和相关政策的绝对核心。在各个重工业生产当中，液压泵作为执行元件，其属于关键的动力元件，是整个液压系统的稳定性以及性能起着极其关键的作用，因此在实际的工业应用之中，开发一种新型的节能型、微型化、轻质的产品是整个液压泵企业的研发重点，也是整个液压泵行业发展的绝对趋势。液压泵从液压油箱吸入液压油，通过自身容腔体积的变化实现液压油的吸入和排除。液压油作为传导介质，在使用过程中会存在一定的挥发和泄露，对周边的环境造成一定的污染，也会给现场带来一定的安全隐患。因此开发一种新型的介质或者混合介质也是液压泵将来发展科研的一个方向。1.1.2 课题意义（1）提高设计效率：采用三维设计软件进行齿轮泵建模，可以大幅提高设计效率，减少手工计算和绘图的时间。通过对齿轮泵的三维建模，可以更直观地观察和分析其结构性能，为后续的优化设计提供基础依据。通过对多种设计方案的比较和分析，可以选出最佳方案，提高齿轮泵的性能。（2）降低研发成本：由于三维软件设计的齿轮泵，在建模和仿真分析后，可以减少实物样机制作和试验的次数，降低研发成本。（3）提高产品竞争力：通过对齿轮泵进行优化设计，可以提高产品的性能和质量，增强市场竞争力。还可以利用软件进行设计和管理，可以提高企业的技术水平和创新能力，为企业的可持续发展奠定基础3。综上所述，基于三维软件设计的齿轮泵建模及仿真分析具有重要的研究背景和意义。通过本课题的研究，可以为液压系统的设计和优化提供有力支持，推动液压技术的发展。北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）31.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状国内学者对液压齿轮泵做了很多的研发工作，对齿轮泵取得了一定的研究成果。陈琪根据齿轮泵的工作条件及应用场合对齿轮泵进行相应的开发，针对其结构建立数学模型，进行多目标的优化设计。马永其分析了齿轮泵的结构特性，明确了一种有关其性能分析理论，为提高齿轮泵的整体性能提供了理论参考。祝海林通过分析调研齿轮泵的故障起因及类型，并深入理论分析，针对问题优化设计，进一步提高了齿轮泵的使用寿命和性能。张乐、裴林清按已知的圆形和设计需要弧齿锥齿轮水泵的参数，选用阶梯型双圆弧齿型，并对其齿廓进行了研究。介绍了一种新型的弧齿锥传动机构的结构设计与加工技术，并对其进行了计算机仿真。用包络线用直线方法得到了弧齿圆齿轮泵齿型。渐开线齿轮泵、圆弧齿轮泵、渐开线圆的数值模拟弧型组合齿轮泵与改进后的弧齿式齿轮泵对其位移的影响。双弧传动的压力角，介绍了一种新型的离心泵设计方法，对泵的效率的效果。孙显生将 3000t 油船使用的 CGL200 型油油罐的齿轮齿廓，改造成双弧齿廓。用于输送石油的大位移泵。张有忱，李景忠等人在弧齿泵中的应用通过对单圆弧齿轮泵的研究，得到了小齿轮的齿形凹圆弧中心位置，大齿轮齿形的凸圆弧齿轮泵轴心的位置对其平滑度的影响。谭鹏在他们的的指导下，进行了研究圆弧齿形的水泵问题。徐正松建议使用日本希姆克罗德（Shimacloid）为了改善泵的性能，降低泵的噪音，采用齿形替代常规的渐开线型面。张国贤建议了一种带有常规渐开线齿廓的外齿圈的外齿弧齿轮泵。改进了齿轮泵的体积利用率的方案：杨元模等人对油底壳（尤其是进油道）的外形对带内齿圈的弧型摆线齿轮泵进行了结构改造和加工，其体积系数得到显著提高。目前，国内发动机已经得到广泛的认可和应用。在弧齿泵领域，我国的主要是引进了国外的技术，在弧齿轮泵的生产，制造，在这一点上，我们处于劣势，而且和国际上的差距也很大。在我国，使用最广泛的是希姆克罗德齿轮。这样的研究主体重点是对已有研究成果的完善和完善。并且国产的钢材大多用于制造外壳和齿轮，与国外相比。但并不限于钢材，因此可以降低齿轮泵的重量，降低生产费用。而国产齿轮泵比差使用较少的内齿圈，是因为内齿圈的泵结所致。北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）41.2.2 国外研究现状近几年来，人们在许多领域开展了对齿轮泵的研究。齿轮泵在工程传动系统中使用相当广泛，大量科研人员对齿轮泵进行深入研究。西方国家对齿轮泵进行了许多理论研究，形成了多种产品系列。MAAG 公司研发的精密齿轮泵，为业内市场的领导者，其最大流量可达到 114t/h。日本学者采用双圆弧形式的齿轮泵，经过计算圆弧形齿轮泵对泵体排量的影响。徐正松采用齿轮齿廓替代渐开线式的齿廓来提高齿轮泵的产品性能，同时有效的降低了泵的噪声。日本人提出了一种由两个圆弧形齿廓组成的齿面型，即：齿尖齿根为圆弧形的两种。意大利塞蒂玛公司生产的双圆弧形螺杆泵，是一种早期采用双圆弧形结构的水泵。以椭圆形显示对齿轮泵转子的齿廓进行了曲线及圆弧的设计。1.3 论文研究目标与研究内容1.3.1 研究目标从降低齿轮传动过程中出现的波动和减小噪音两个方面出发，对齿轮泵的工作机理进行了深入的研究，并尽量使其具有较高的性价比和可靠性。1.3.2 研究内容（1）了解齿轮泵的结构和工作原理，及其使用工况及其使用注意事项。（2）根据齿轮实际工况及用途确认其齿数，根据预定的齿轮泵排量来计算齿轮模数。同时对齿轮轴进行理论计算校对使其满足需求，并对标准件密封圈、轴承等部件进行计算及选型。（3）利用 solidworks 三维设计软件对所设计的齿轮泵进行三维建模，使用里边的仿真模块对关键结构件齿轮轴进行应力仿真分析，基于仿真结果对结构进一步优化，以确保所设计结构的合理性。（4）按照设计要求完成工程图的绘制和论文的编制。北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）52 齿轮泵的结构设计分析2.1 齿轮泵的分类按其结构分：齿轮泵、叶片泵、柱塞泵和螺杆泵；按其压力分：低压泵、中压泵、中高压泵、高压泵和超高压泵；按其输出流量能否调节分：定量泵和变量泵；按齿轮泵按齿轮啮合形式分：外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵；按工作压力分：低压齿轮泵、中高压齿轮泵、高压齿轮泵；按齿轮采用的齿形分：直齿齿轮泵、螺旋齿齿轮泵、人字齿齿轮泵、摆线齿齿轮泵；按泵工作齿轮对数分：一对齿齿轮泵、多对齿齿轮泵；按泵的结构形式分：单级齿轮泵、多级齿轮泵、双联齿轮泵；2.2 内啮合齿轮泵工作原理内啮合齿轮泵的工作原理主要基于齿轮内啮合的过程。其核心部件包括内外两个齿轮，其中一个主动齿轮带动另一个齿轮同向转动。在工作过程中，齿轮在进口处相互分离形成负压，从而吸入液体；而在出口处，齿轮不断嵌入啮合，将液体挤压输出。具体来说，当主动小齿轮带动内齿轮旋转时，内、外转子的轮齿与两侧板一起形成几个密闭工作容积。随着轮齿的逐渐退出啮合，密闭工作容积增大，形成局部真空，从而吸油；而填满各齿间的油液被带到压油腔，随着轮齿逐渐进入啮合，密闭工作容积减小，油液被挤压排出。2.3 外啮合齿轮泵工作原理外啮合齿轮泵结构主要由主从动齿轮、泵体、壳体等结构组成。齿轮泵壳体、啮合的齿轮之间形成的密闭空间，当相互啮合的齿轮之间的密闭区域逐渐增大，从而产生一个真空区域。当啮合区域由大变小时其区域内的液压油被挤压出去。相互啮合的齿轮线用来隔开吸入区域和挤出区域，液压油的挤出压力取决于齿轮泵出口处所受到的阻力。2.4 两种齿轮泵的对比内啮合齿轮泵的特点是特别适用于输送粘度大的介质，其流量与排出压力基本上无关，流量和压力有脉动。这种泵的结构较往复泵简单，制造容易，维修方便，运转可靠，且流量较往复泵均匀。此外，内啮合齿轮泵在闭式系统中常用作主泵的补油泵，因其结构紧凑、尺寸小、重量轻，且相对滑动速度小、磨损轻微，使用寿命更长。其流量脉动和噪声都比北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）6外啮合齿轮泵小，且可使用较高的转速获得更高的容积效率。外啮合齿轮泵自身结构简易且自身重量较轻、结构尺寸小、价格低廉，同时其性能稳定性很高，对液压油污染度要求不高，自身损坏时也容易维护。但其自身结构造就了其会产生不平衡径向力的，从而造成磨损情况进而引发泄漏，最终造成液压泵噪声、不可调排量等现象发生。2.5 外啮合齿轮泵结构设计2.5.1 总体设计本文所设计的齿轮泵整体结构模型如图2.1所示，主体结构由主从动齿轮轴结构、外部泵壳体、轴套和密封圈等结构件组成，在齿轮泵的内部有一对相互啮合的齿轮。当齿轮轴端受电机带动旋转按照某一方向旋转时，与其相互啮合的齿轮与之慢慢脱离。而在一侧的二者相互密封的区域逐渐增大，局部形成真空区域，油箱内的液压液在外部大气压的作用下经齿轮泵的吸油口进入到吸油腔。随着齿轮泵自身齿轮轴的不断转动，相互啮合之间的轮齿之间的液压油从右侧带到了左侧，随着相互啮合区域慢慢减小，啮合区域的液压油从压油口挤压，该区域被称为压油腔。当齿轮泵受到驱动不断地旋转时，齿轮泵不断的重复吸、压油动作，实现其向液压系统输送油液的整个过程。图 2.1 齿轮泵结构图北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）71-定位盖 A 2-定位盖 B 3-隔套 4-齿轮 B 5-前盖 6-主阀体 7-后盖 8-锁紧螺钉 9-齿轮 A2.5.2 困油槽设计齿轮泵会存在困油现象，会导致液压油发热，使液压泵承受额外负载，引起液压泵振动和噪声。需要在盖板处设计泄油槽来解决齿轮泵的困油现象。本文设计采用对称式的矩形泄油槽，所设计的结构形式如图 2-2 所示。图 2.2 卸油槽示意图两个泄油槽位于两齿轮啮合点，泄油槽之间的距离保证齿轮泵困油的容积 V 在最小位置处始终与压油腔相互连接。当困油 V 处在最小位置时，困油容积不与压油腔、吸油腔相通，过了最小位置处又与吸油腔相通，因此对于二者之间距离要求较为严格，它设计是否合理直接关系着齿轮泵的传递效率。2.6 本章小结本章基于前期调研有关齿轮泵的相关技术文档，了解现有的齿轮泵结构设计方案，分析并了解齿轮泵各设计方案的优缺点，明确设计方向。根据预先设定的理论参数对齿轮泵整体结构方案进行整体设计，齿轮泵自设基于电机驱动，两个齿轮轴相互啮合来完成液压油由低压到高压的转变，最终完成齿轮泵的作业，本章并对齿轮泵的工作原理进行详细的作业描述，同时重点描述了齿轮泵卸荷槽的结构设计，以此设计解决比较重要的困油问题，使得所设计的齿轮泵更具合理性和有效性。北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）83 机械系统设计计算基于上章完成的齿轮泵结构模型，根据电机驱动和相互啮合的一对齿轮轴来完成液压油的低压到高压的转变，在设计过程中需要对关键零部件进行理论校对已验证机械结构设计的合理性，并对关键零部件齿轮轴、轴承、卸荷槽等关键件进行计算校对已验证所设计的合理性和科学性。3.1 齿轮设计计算液压泵压力较高，因此啮合的齿轮材料强度也相应较高，根据手册选择齿轮泵齿轮材料为 40Cr，本文设计的两齿轮结构参数一致。确定齿轮泵的排量，即：3323210210BVzmzm Bm（3-1）式中：V-齿轮泵的排量，单位 ml/r；z-齿轮的齿数；B-齿宽，单位 mm；m-齿轮模数，单位 mm；齿轮泵齿间的容积要比轮齿间的体积大一些，综合考虑这个实际因素，用 6.66 替代较为符合实际情况。可得：33106.66VmBzm（3-2）式中：B-齿宽（单位：）V-排量（ml/r）z-齿轮齿数m-模数（单位：）根据预先设定的额定工作压力 P=Mpa齿轮泵齿轮齿数选择原则：低压泵齿轮多应用于机床其自身流量比较均匀，通常齿数为 1320。高压泵要求较大的齿根强度。减小齿顶圆直径来减小轴承的受力，通常需要增加齿轮模数减少齿轮的齿数，一般选用齿数为 614。齿宽选择原则：齿宽与流量成正比，因此增大齿宽时液压泵的总效率则较高，对于高2北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）9压齿轮泵，齿轮的齿宽不易过大，太大会对轴承和齿轮轴加载过大的载荷。通常高压齿轮泵 B=(36)m，低压齿轮泵 B=(610)m.基于以上原则，选择轮齿齿数 z=14,Bm，代入公式（3-2）可得：3361 104.9486.66 14 5.4m （3-3）将求得的模数 m 圆整，即 m=5mm,同时取压力角20。变位系数：minminmin117 1431717ahzzxz （3-4）可得齿宽：5 5.427Bmm （3-5）计算齿轮泵排量效率：236.66 14 527 1099.9%63 （3-6）根据计算结果误差小于 5%证明设计合格。按照齿根弯曲疲劳强度设计校核齿轮时，因从动齿轮受到较大的力，故只需校核从动轮即可。根据齿根弯曲疲劳强度计算公式：232FaSaFFdKTY Yz m （3-7）分别确认公式各参数：5 1470Dmzmm（3-8）60 10001287/minvnrD（3-9）1287/min1063/13.560/minttrPpqml rKWs（3-10）9549100PTNmn（3-11）齿宽系数：北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）100.386dBd（3-12）查 设 计 手 册 可 得 以 下 参 数 值：1.36AVKK K K K，3.2FaY，1.49SaY，220FMpa将以上各参数值代入到公式（3-7）可得：137FFMpa经理论计算可知齿轮强度满足设计需求。3.2 轴的设计计算齿轮泵在工作时，由液压力和齿轮啮合力共同作用于轴和轴承上。下面将分别分析液压力和齿轮啮合力。3.2.1 齿轮啮合力齿轮泵内相互啮合的两个齿轮，在二者相互啮合的点会产生相互作用的径向力TF。作用在主动轮上的啮合力与其受到的液压力方向刚好相反，二者相互作用可以抵消一部分液压力。相反从动轮上的啮合力与作用在其上的液压力方向一致，从而增大了径向力。齿轮泵在实际工作过程中，两齿轮在实际啮合的位置在节点区域附近变动，二者受到的啮合力也在不断发生变化。在设计过程中，齿轮轴颈受到的径向力可按以下两个公式分别进行计算：0.75eFpbD1 （3-13）20.85eFpbD （3-14）齿轮泵受到径向力很大时，会严重影响齿轮泵的使用寿命和工作性能，减小齿轮泵受到的径向力可以有效提高齿轮轴及轴承的承载能力，该方向也是齿轮泵科研的重要方向。根据轴承寿命与负载之间的关系，可知轴承受到的负载若减小百分之三十，其使用寿命可以增大三倍。设计中通常使用以下三种方法来减小受到的径向力：（1）合理设计齿宽 b 和齿顶圆直径 D。（2）尽可能缩小压油口处的直径，使其作用于一到两个齿，压力油作用于齿轮上的面积一旦减小，其所受的径向力也随之减小。（3）压力平衡槽可大大减小轴承受到的径向力。但该种方法易导致液压油泄露，一般北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）11情况下不经常使用该方法。3.2.2 液压力齿轮泵相互啮合的齿轮在其圆周方向液压油会产生径向力 F。根据齿轮齿顶圆分布情况来决定产生液压力的大小和方向，齿轮泵吸油区域的压力为dp，同时压油区域压力为gp，为方便计算，近似计算公式（3-15）为：0.65eFpbD （3-15）3.2.3 轴的设计及校核根据从动齿轮受到的径向力可得：20.8517.9eFpbDKN （3-16）可估算轴上最小处直径为：3min27CPdmmn （3-17）综合考虑设计轴的结构尺寸如下图 3-1 所示：图 3.1 轴尺寸图计算轴受力简图，根据轴上受到的载荷，将其分解为水平分力和垂直分力，载荷分布如图 3-2 所示：BACrF1NF2NFrTT北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）12图 3.2 轴载荷分布图轴根据力矩平衡可得：2rNFABFBC （3-18）可得：28.9rNFABFKNBC （3-19）根据力平衡可得：129NrNFFFKN （3-20）即可算出 A 点受到的弯曲：680ArMFABNm （3-21）根据受力分析计算可得弯矩和扭矩图。可知截面 3-3，4-4，6-6 为存在危险可能的截面，现利用第三强度公式校核各截面强度。对于截面 3-3：经设计手册查得轴选用材料为 40Cr，其许用应力为 90MPa，此处直径为 40，计算截面 3-3 处的抗弯截面系数为：3636.3 1032DWm （3-22）受到的弯矩为：2342NMFACNm （3-23）扭矩为：100TNm则轴的弯扭合成强度可得为：2250MTMPaW （3-24）经过理论计算可知截面 3-3 是安全的，符合设计要求。对于截面 4-4：此处直径为 35，计算截面 4-4 处的抗弯截面系数为：北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）133634.2 1032DWm （3-25）受到的弯矩为：289NMFACN m （3-26）扭矩为：100TNm则轴的弯扭合成强度可得为：2228MTMPaW （3-27）经过理论计算可知截面 4-4 是安全的，符合设计要求。对于截面 6-6：此处直径为 30，其只受扭矩，计算截面 6-6 处的抗弯截面系数为：3635.3 1032DWm （3-28）切应力为：18.9452TMPaMPaW （3-29）经过理论计算可知截面 6-6 是安全的，符合设计要求。3.3 卸荷槽的设计3.3.1 产生困油现象的原因及害处齿轮泵在实际工作过程中，相互啮合的齿轮数量是大于 1 的，只要这样齿轮泵才能实际完成相应液压油增压的过程。即重合度系数等于 1 时，齿轮泵在工作过程中不会出现困油现象和间断的吸压油的现象，其实可以正常的工作。但受限于实际加工制造误差，实际两齿轮啮合系数小于 1，同时受限于实际工况的不稳定，会造成齿轮泵输油不正常不能正常的去工作。齿轮泵体内部总有两对相互啮合的轮齿，有部分液压油被困在两对啮合的轮齿之间所形成的密闭小腔室内。密闭腔室内的容积随着齿轮转动而发生变化，先变小后又变大。当齿轮转动时密闭腔室内的液压油因腔室面积变小而受到很高的挤压力，从轮齿之间的缝隙北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）14所挤出，导致液压油升温。当腔室面积突然增大时，会造成其局部真空使得液压油内的气体分离，造成气穴现象。以上实际工作情况都会给齿轮泵带来振动和噪音，影响齿轮泵的实际使用。困油现象使得轴弯曲，造成轮齿顶部与壳体发生摩擦，加速轴承磨损，降低其使用寿命。当封闭的腔室容积变小时其与左侧的卸荷槽连同，封闭的腔室容积变大时其与右侧的卸荷槽连同，通常在壳体上开卸荷槽用以解决齿轮泵困油现象。齿轮泵内的齿侧间隙不同导致封闭的油液体积也不同。下面按照齿侧无间隙与齿侧有间隙两种情况分析，如图 3-4所示。图 3.3 齿轮泵困油现象当轮齿在 B 点处啮合时如图(3-4a)所示，前一对轮齿在点 A2处还没脱离开，二者之间行程一个密闭的困油空间，即：,此处是啮合轮齿之间困油最大的位置。随着主动轮转动，其中体积逐渐降低，体积逐渐增大，整个困油面积也随之降低，在两个啮合点基于节点 P 对称时，此时的困油体积最小。当齿轮继续转动时，其中体积继续降低，体积逐渐增大，直到在 E 点位置处脱离啮合，增加到最大困油位置。北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）153.3.2 齿轮泵去除困油的实际工程方法齿轮泵自身会产生困油的现象，该种现象是不可避免的实际情况，显示的工程中必须采用一定的措施将其解决，避免带来设备影响及危害。一般在设计上改变来解决困油的问题，常用的方法为在齿轮泵上泵盖体上设计卸荷槽体，也有在轴套、泵体、侧板等结构上设计卸荷槽体。在设计卸荷槽时的设计原则为在确保高低压液压腔体不连通的条件下，通过部分结构优化设计完成齿轮泵之间困油区与压油区的连通。现有的卸荷槽结构形式主要分为以下三种：（1）相对齿轮中心连线对称布置的双卸荷槽。其主要分为两种结构形式分别为对称布置的矩形结构卸荷槽体和对称布置的圆形卸荷槽体。（2）单卸荷槽。主要分为单压油腔体卸荷槽和吸油腔体卸荷槽。（3）对于齿轮中心线不对称布置的双卸荷槽。主要分为在低压侧不对称布置的双卸荷槽和高压侧不对称布置的双卸荷槽。3.3.3 卸荷尺寸设计计算(1)卸荷槽二者之间的间距本文设计采用对称式矩形卸荷槽，两卸荷槽之间的距离 a，表达即公式（3-30）所示：（3-30）式中：-刀具齿形角；-齿轮之间实际中心距离；齿轮之间无侧隙啮合方程式，即：（3-31）由此可以计算得到节圆直径公式，即：（3-32）经过计算可得 A=71mm，将其带入可得：北方工业大学