齒輪油泵安全裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真（太原）

齒輪油泵安全裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真（太原）,齒輪,油泵,安全裝置,設(shè)計(jì),運(yùn)動(dòng),仿真,太原 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 齒輪油泵安全裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 機(jī)械工程系 102011145 解東 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 系 部： 張愛(ài)榮 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 二零一四年 六 月 誠(chéng)信聲明 本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。 本人簽名： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 設(shè)計(jì)題目： 齒輪油泵安全裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 系部： 機(jī)械工程系 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)號(hào)： 102011145 學(xué)生： 解東 指導(dǎo)教師（含職稱）： 張愛(ài)榮（講師） 專業(yè)負(fù)責(zé)人： 田靜 1．設(shè)計(jì)的主要任務(wù)及目標(biāo) 根據(jù)齒輪泵的工作原理，并對(duì)現(xiàn)有齒輪泵的安全裝置進(jìn)行改良設(shè)計(jì)以解決齒輪油泵困油現(xiàn)象，增加油泵的安全性。利用三維軟件對(duì)齒輪油泵的各零件建模，并裝配實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫(huà)。 2.設(shè)計(jì)的基本要求和內(nèi)容 分析課題要求，查閱相關(guān)知識(shí)方面的論文，擬定開(kāi)題報(bào)告；查找設(shè)計(jì)題目相關(guān)的資料；對(duì)設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算；審核分析計(jì)算結(jié)泵；對(duì)修正后的模型進(jìn)行三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真并繪制齒輪油泵裝配圖一張 A1幅面，繪制組成各部件的零件圖 ，編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份（約40頁(yè) 18000字左右） 3.主要參考文獻(xiàn) [1] 《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》 [2] 《機(jī)械制造基礎(chǔ)》 [3] 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 [4] 其他網(wǎng)絡(luò)檢索到的相關(guān)資料 4．進(jìn)度安排 設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 分析課題要求，擬定開(kāi)題報(bào)告 2013.12.1-2013.12.31 2 查找設(shè)計(jì)題目相關(guān)的資料 2014.1.1-2014.3.10 3 對(duì)設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算 2014.3.10-2014.4.10 4 對(duì)齒輪油泵的主要部件進(jìn)行三維建模 2014.4.10-2014.5.1 5 對(duì)齒輪油泵進(jìn)行裝配及運(yùn)動(dòng)仿真 2014.5.1-2014.6.1 齒輪油泵安全裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 摘要：齒輪油泵是應(yīng)用最廣泛的容積式液壓油泵，具有體積小、重量輕、制造容易、 工作可靠、價(jià)格低廉、對(duì)油液不敏感、自吸能力強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。但其困油現(xiàn)象引發(fā)壓力造成振動(dòng)和噪聲的問(wèn)題比較嚴(yán)重，因而不宜用在要求平穩(wěn)的固定設(shè)備上。因此通過(guò)改變卸荷槽的設(shè)計(jì)，來(lái)解決困油現(xiàn)象，對(duì)降低噪聲、減少液壓泵端面泄漏、提高容積效率和工作壓力及延長(zhǎng)使用壽命具有重要的意義。 本文對(duì)外嚙合齒輪泵理論研究及困油原理進(jìn)行詳細(xì)介紹，對(duì)困油容積的變化規(guī)律進(jìn)行理論分析，從而為齒輪泵的理論計(jì)算及設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，并且為齒輪泵卸荷槽的改進(jìn)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。 最后基于實(shí)體建模軟件Pro/E對(duì)齒輪泵進(jìn)行三維實(shí)體建模。 此項(xiàng)改進(jìn)措施對(duì)降低液壓泵的維護(hù)、維修費(fèi)用，提高產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)行精度以及使用壽命具有重要意義。 關(guān)鍵詞：齒輪泵；困油容積；卸荷槽； Abstract: The gear pump is a volume type hydraulic oil pump to apply in the most widespread situation. It has many merits such as the size slightly, the weight light, the manufacture easy, the work reliable, the price inexpensive, to the fat liquor insensitive, self-absorption ability strong, maintenance convenience and so on. But the vibration and noise problems, that caused by the trapped oil raises pulsation pressure, are more severe, so the gear pump should not be used in the equipment fixed on smooth requirements. It is important to solve trapped oil phenomenon, reduce the noise and the leakage of hydraulic pump end, improve the working pressure and volume efficiency and prolong service life, by changing the design of unloading groove. This paper aims to improve and design the unloading groove, so that the outer meshing gear pump is running in a higher working pressure it will make less noise and more stable work. The improvement measure is great significance to reduce the maintenance of the hydraulic pump and maintenance costs, improve product quality and system operation accuracy, and prolong service life. Key Words: gear pump;trapped oil;unloading groove; flow field simulation 目 錄 1 緒 論------------------------------------------------------------1 1.1研究背景和意義-------------------------------------------------------2 1.1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀----------------------------------------------------4 1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀------------------------------------------------------4 1.2.2 齒輪泵的發(fā)展趨勢(shì)--------------------------------------------------6 2 齒輪輪油泵理論研究及困油容積分析--------------------------------------7 2.1 理論研究------------------------------------------------------------7 2.1.1工作原理 ----------------------------------------------------------7 2.1.2 瞬時(shí)流量特性分析--------------------------------------------------9 2.2困油的原因及危害----------------------------------------------------13 2.3 齒輪泵困油容積的變化規(guī)律-------------------------------------------14 2. 3. 1困油容積變化規(guī)律分析---------------------------------------------14 3 齒輪泵卸荷槽改進(jìn)方案-------------------------------------------------18 3.1 側(cè)板改進(jìn)方案的設(shè)計(jì)-------------------------------------------------18 3.1 緩解困油現(xiàn)象的常用措施---------------------------------------------19 4 齒輪油泵零件建模設(shè)計(jì)-------------------------------------------------22 4.1.1 齒輪油泵骨架的設(shè)計(jì)-----------------------------------------------23 4.1.2 齒輪油泵主體的設(shè)計(jì)-----------------------------------------------24 4.1.3 齒輪油泵左蓋的設(shè)計(jì)-----------------------------------------------26 4.1.4 創(chuàng)建齒輪泵右側(cè)蓋的設(shè)計(jì)-------------------------------------------28 4.1.5 齒輪軸的設(shè)計(jì)-----------------------------------------------------28 4.1.6 其它零件的創(chuàng)建---------------------------------------------------31 4.2齒輪油泵裝配設(shè)計(jì)----------------------------------------------------32 4.2.1 虛擬裝配設(shè)計(jì)-----------------------------------------------------32 4.2.2 生成爆炸圖-------------------------------------------------------35 5 機(jī)構(gòu)仿真及工作原理動(dòng)畫(huà)-----------------------------------------------36 5.1.1 齒輪油泵機(jī)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)---------------------------------------------36 5.2齒輪油泵工作原理動(dòng)畫(huà)仿真--------------------------------------------38 總結(jié)-------------------------------------------------------------------39 參考文獻(xiàn)---------------------------------------------------------------40 致謝-------------------------------------------------------------------41 V 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 緒 論 齒輪油泵、葉片泵和柱塞泵都是泵送工作介質(zhì)的動(dòng)力泵，是液壓系統(tǒng)中的三種主要的液壓泵，其中齒輪油泵的歷史最悠久，應(yīng)用最廣泛。而且齒輪油泵因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，成本低，自吸性能好，污染敏感性小，使用過(guò)程中可靠性較高，工作壽命長(zhǎng)，容易加工制造，維修方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、汽車、船舶、冶金、建筑、輕工業(yè)等機(jī)械產(chǎn)品中。在液壓系統(tǒng)中，液壓泵作為整個(gè)系統(tǒng)的心臟將系統(tǒng)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能。因此對(duì)高性能液壓泵的設(shè)計(jì)研究，尤其在提高液壓泵的工作效率和壓力方面的研究是液壓技術(shù)研究的重要內(nèi)容。 齒輪油泵屬于容積式泵，它是利用回轉(zhuǎn)部件在泵殼中的回轉(zhuǎn)，造成工作空間的容積變化，從而達(dá)到吸排液體的目的。齒輪油泵的吸油和排油的原理是其內(nèi)部齒輪的嚙合傳動(dòng)帶動(dòng)油液從吸油區(qū)到過(guò)渡區(qū)再到壓油區(qū)，最終將油液擠壓出齒輪油泵，其齒面主要有三種型式:直齒輪，斜齒輪和人字齒輪。其中，外嚙合直齒輪油泵的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，價(jià)格最低，更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前外嚙合齒輪油泵使用臺(tái)件數(shù)約占液壓泵總使用臺(tái)件數(shù)的70%，但是齒輪油泵由于自身結(jié)構(gòu)的原因也存在不足之處，主要有兩齒嚙合區(qū)域的困油現(xiàn)象、徑向力不平衡和泄漏問(wèn)題。齒輪油泵的泄漏包括軸向泄漏(占75~80% ) ,徑向泄漏(占15~20%)和嚙合泄漏(占4~5% )。齒輪油泵困油引發(fā)壓力脈動(dòng)造成振動(dòng)和噪聲的問(wèn)題比較嚴(yán)重，使流量不均勻，在使用中都帶來(lái)很多不便，不宜用在要求平穩(wěn)的固定設(shè)備上，對(duì)齒輪泵工作性能和壽命都是有害的。 齒輪油泵的這三個(gè)主要問(wèn)題，彼此是相互聯(lián)系和影響的。比如徑向力不平衡致使齒輪軸心偏移，導(dǎo)致泄漏量增大;齒輪泵困油現(xiàn)象的減輕會(huì)一定程度上減小徑向不平衡力。目前，雖然液壓界對(duì)此三種主要問(wèn)題的研究有一定的成泵，尤其是困油現(xiàn)象的改進(jìn)方法更是層出不窮，但是困油現(xiàn)象仍然比較嚴(yán)重，尤其在高速、高溫、高壓、高粘度等特殊工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪泵的困油現(xiàn)象尤為顯著，所以應(yīng)受到研究界更多的關(guān)注，以提高齒輪泵特殊工況下的性能，延長(zhǎng)使用壽命，減少事故發(fā)生率，因此對(duì)于齒輪油泵困油現(xiàn)象的研究就具有非常重要的實(shí)際意義 。 1.1 研究背景和意義 當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)齒輪泵的分析和研究主要集中在以下方面:(1)泵的優(yōu)化設(shè)計(jì),其設(shè)計(jì)目的是減小齒輪泵的體積,通過(guò)齒輪參數(shù)如齒數(shù)、模數(shù)壓力角1和變位系數(shù)等參數(shù)的改變,使齒輪泵體積最小;(2)泵的噪聲產(chǎn)生原因以及減小噪聲方法的研究;(3)齒輪泵流量特性分析的研究;(4)減少斜齒齒輪泵流量脈動(dòng)的研究;(5)高壓齒輪泵的研究及泵內(nèi)部液體壓力的分析研究;(6)齒輪泵的變排量或變流量技術(shù)研究;(7)齒面整體涂覆技術(shù)的研究;(8)多聯(lián)集成嚙合齒輪泵的研究及應(yīng)用;(9)影響齒輪泵工作壽命的因素,以及延長(zhǎng)壽命方法的研究;(10)困油特性分析及其卸荷技術(shù)研究;(11)水壓齒輪泵的理論分析及實(shí)踐研究;(12)對(duì)齒輪泵端面間隙的優(yōu)化及其補(bǔ)償方法研究[8]。 齒輪泵作為一種常用的液壓動(dòng)力元件,被廣泛應(yīng)用于各種液壓系統(tǒng)中,其工作時(shí)工作油液的可壓縮性很小。圖1-1所示的三種狀態(tài)呈現(xiàn)了齒輪泵的嚙合過(guò)程,后一對(duì)齒輪進(jìn)入嚙合狀態(tài)后,由圖1-1-1位置轉(zhuǎn)化為圖1-1-2位置的過(guò)程是齒輪泵困油的壓縮階段,在這個(gè)階段里密封容積由大變小,密封油液的壓力受到輪齒擠壓而急劇升高,從而遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)齒輪泵泵的輸出壓力,因此產(chǎn)生沖擊載荷對(duì)齒輪泵造成破壞;在齒輪泵由圖1-1-2位置轉(zhuǎn)化為圖1-1-3位置的過(guò)程中,密封容積由小變大,此為齒輪泵困油的膨脹階段,在這個(gè)階段里由于密封腔中的體積變大,而油液得不到及時(shí)的補(bǔ)充,可能產(chǎn)生氣 穴,形成局部的真空。 圖1-1-1后一對(duì)齒輪進(jìn)入嚙 圖1-1-2閉死容積由大變小 圖1-1-3閉死容積由小變大 圖1-1齒輪油泵嚙合過(guò)程 近30年來(lái)學(xué)術(shù)界對(duì)直齒輪泵的困油現(xiàn)象做了大量研究,例如CB型泵的前、后蓋上都洗有兩個(gè)卸荷槽,其中一個(gè)與泵的排油腔相通,另一個(gè)與泵的吸油腔相通。利用卸荷槽結(jié)構(gòu)來(lái)消除困油現(xiàn)象,卸荷槽的結(jié)構(gòu)不同,對(duì)齒輪泵的影響也相去甚遠(yuǎn)。如果兩卸荷槽之間的距離太大,則起不到減弱或降低困油危害的作用;相反如果該距離太小,則困油區(qū)將高、低壓串通,破壞了液壓泵的工作條件。所以合理的設(shè)計(jì)卸荷槽的尺寸,對(duì)提高齒輪泵工作效率有著重要的作用。液壓齒輪泵中的流體運(yùn)動(dòng)情況相當(dāng)復(fù)雜,嚴(yán)重影響著齒輪泵的能量利用率、噪聲及散熱等性能,因此對(duì)齒輪泵流場(chǎng)的研究應(yīng)引起人們的高度重視。近些年來(lái),計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)仿真技術(shù)得到了快速發(fā)展并應(yīng)用在了眾多領(lǐng)域,例如對(duì)液壓系統(tǒng)及液壓元件內(nèi)部流場(chǎng)的仿真研究已取得有很好的效泵。不僅如此,通過(guò)CFD技術(shù)還可以在搭建物理模型前分析研究其相關(guān)特性;可求解實(shí)驗(yàn)及設(shè)計(jì)中得不到的數(shù)據(jù)并能提供實(shí)驗(yàn)難以測(cè)試到的數(shù)據(jù),以供模型的數(shù)值分析?；贑FD仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì),本文采用理論分析的方法對(duì)齒輪泵的困油容積進(jìn)行分析;在此基礎(chǔ)上對(duì)漸開(kāi)線外嚙合齒輪泵卸荷槽進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),并采用CFD方法對(duì)液Hi齒輪泵內(nèi)部流場(chǎng)的分布情況進(jìn)行仿真試驗(yàn),得到其結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)據(jù),從而判斷卸荷槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。本課題的研究可以為后續(xù)的研究和進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和理論指導(dǎo),具有重要的意義。這對(duì)降低噪聲、減少液壓泵端面泄漏、提高容積效率和工作壓力及延長(zhǎng)使用壽命具有重要的意義。 1.1. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1988年在給出困油容積計(jì)算公式的基礎(chǔ)上,市川常雄在困油腔中安裝壓力傳感器,對(duì)困油區(qū)的壓力進(jìn)行了測(cè)試分析。其通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了很多客觀的數(shù)據(jù),比如困油區(qū)壓力的分布、壓力的最大值和最小值與尺側(cè)間隙和卸荷槽間距的變化關(guān)系。但是,其研究只限定在了實(shí)驗(yàn)方面,并沒(méi)有具體的給出困油數(shù)學(xué)模型和容積計(jì)算得公式。1997年土耳其丘庫(kù)羅瓦大學(xué)的Koc E等設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),測(cè)量了齒輪泵內(nèi)的側(cè)板和齒輪端面間的油膜厚度2000年魯汶比利時(shí)大學(xué)的Dalpiaz等對(duì)齒輪泵側(cè)板和滑動(dòng)軸承之間的潤(rùn)滑建立二維雷諾方程進(jìn)行了研究,流體類型為穩(wěn)態(tài)不可伍縮流體。以上的研究采用的都是傾斜浮動(dòng)側(cè)板,齒輪泵在困油區(qū)的軸向泄露程度受傾斜角的影響,然而定量分析側(cè)板傾斜度與困油現(xiàn)象之間關(guān)系的報(bào)告相對(duì)比較少。2001年美國(guó)伊頓公司(Eaton)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了齒面嚙合區(qū)壓力的變化,結(jié)泵顯示齒輪泵困油過(guò)程中存在氣穴現(xiàn)象,并且創(chuàng)建氣穴模型,結(jié)論是困油壓力降到的最小值是水蒸氣的揮發(fā)壓力,之后困油區(qū)的壓力不會(huì)繼續(xù)降低,分析總結(jié)得出困油的后半段即膨脹時(shí)的困油壓力公式。2006年伊頓公司對(duì)航空專用的外嚙合齒輪油泵進(jìn)行試驗(yàn),仿真和數(shù)學(xué)建模,并且對(duì)5種參數(shù)的齒輪泵進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試和仿真分析,進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。 日本Shimazu Seisakusho公司研發(fā)的一種新型泵,為使泵的吸油腔與壓油腔有 可靠的密封,在端蓋內(nèi)開(kāi)設(shè)特形槽,并嵌入彈性密封條,使得容積效率高。澳大利亞孟納西(MONASH)等大學(xué)對(duì)卸荷槽的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究,結(jié)泵表明合理的卸荷槽開(kāi)設(shè)方式可以使困油現(xiàn)象得到不同程度的改善,其方法使齒輪泵的輸出脈動(dòng)比普通結(jié)構(gòu)降低了 20%,效泵比較明顯;如果卸荷槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)反而會(huì)加劇出口處的壓力脈動(dòng),同時(shí)卸荷槽的存在也一定程度上降低了齒輪泵的容積效率。円本長(zhǎng)閃技術(shù)科學(xué)大學(xué)機(jī)械系研究室重點(diǎn)研究了高壓、低速齒輪泵在卸荷作用下的流量脈動(dòng),該研究從理論和試驗(yàn)兩方面都證明了泵通過(guò)卸荷槽的卸荷流量是間歇的而不是連續(xù)的,這種間歇性也影響了齒輪泵流量的脈動(dòng)。 1.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 1986年就出現(xiàn)了變量齒輪泵的發(fā)明專利,它是在齒輪輪齒上使用密壓囊結(jié)構(gòu),這種變量方式有效緩解了困油現(xiàn)象并使噪聲得到降低,同時(shí)改善了泵的使用性能,特別是在需要變量且大流量的液壓系統(tǒng)中。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,很難推廣使用。1996年,曾良;研究了卸荷槽形位、尺側(cè)間隙大小和困油關(guān)系,提出了開(kāi)設(shè)阻尼槽式卸荷槽的方法,改善了齒輪泵工作性能,但是因阻尼槽尺寸小,所以容易形成阻塞,而使困油現(xiàn)象加劇。2002年,鄭州機(jī)械研究所甘學(xué)輝對(duì)齒輪泵的困油特性進(jìn)行研究,困油的嚴(yán)重程度和狀態(tài)通過(guò)困油容積變化率得以體現(xiàn),并對(duì)困油容積變化率進(jìn)行計(jì)算,并建立嚙合系數(shù)與流量特性、困油特性的聯(lián)系,分析了困油現(xiàn)象對(duì)流量脈動(dòng)的影響。研究得出困油的壓縮和膨脹過(guò)程對(duì)齒輪泵的性能影響不同,壓縮過(guò)程影響較大,而膨脹過(guò)程對(duì)其影響很小,因此建議優(yōu)先考慮降低壓縮過(guò)程的壓力最大值。2004年,臧克江等將卸荷降壓槽開(kāi)在輪齒非工作齒廓曲面上。由于卸荷降壓槽開(kāi)在非工作齒廓曲面上,并且是徑開(kāi)設(shè),因此不會(huì)破壞齒輪工作齒廓曲面的嚙合狀態(tài),齒輪副傳動(dòng)的平穩(wěn)性保持不變。但是此卸荷降壓槽不能完全消除困油現(xiàn)象,且不易于加工,影響輪齒強(qiáng)度,適合于在小側(cè)隙或無(wú)側(cè)隙齒輪泵中與卸荷槽配合使用。2006年楊元模在在外嚙合齒輪泵的困油的高壓區(qū)增加一卸荷通道,使其與外嚙合齒輪機(jī)油泵的進(jìn)油區(qū)相連,使泵的出油壓力更加穩(wěn)定,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)措施的可行性?2006年周德軍提出雙重卸荷槽的改進(jìn)方法,即在困油區(qū)和壓油區(qū)各開(kāi)設(shè)兩個(gè)平行卸荷槽,卸荷槽距中心線的距離不同,改善傳統(tǒng)卸荷槽導(dǎo)致齒輪泵容積效率下降的問(wèn)題。2009年李玉龍等推導(dǎo)了困油狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的公式,得出困油壓力很大程度上影響了轉(zhuǎn)矩的大小。同時(shí)分析了異齒數(shù)對(duì)困油現(xiàn)象的影響,得出在泵體積一定的情況下,同齒數(shù)齒輪泵和異齒數(shù)齒輪泵的困油周期不同,其中主動(dòng)齒輪采用大齒輪,從動(dòng)齒輪采用小齒輪的組合減小困油現(xiàn)象更明顯,但這種組合一定程度上增加了齒輪泵的流量脈動(dòng)。2011年,范良成設(shè)計(jì)一種齒輪頂隙為零的斜齒齒輪泵,該齒輪泵無(wú)困油區(qū),很好的解決了困油問(wèn)題,但其加工難度大,而且油液中不能有雜質(zhì),不適合大多數(shù)環(huán)境下工作的齒輪泵。齒輪泵的困油現(xiàn)象一直備受關(guān)注,雖然可以通過(guò)釆用大模數(shù)、小齒頂高系數(shù)、較大的正變位系數(shù)等手段減輕困油現(xiàn)象,但同時(shí)這些方法又會(huì)增加脈動(dòng)、增大徑向力或減小單位排量等。因此,當(dāng)前解決困油現(xiàn)象較好的方法是卸荷槽的創(chuàng)新設(shè)計(jì),對(duì)齒輪泵卸荷槽位置、形狀進(jìn)行合理的調(diào)整及設(shè)計(jì),在有效的改善困油現(xiàn)象的同時(shí)使齒輪泵性能最優(yōu)。 1.2. 2齒輪泵的發(fā)展趨勢(shì) 在現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的大環(huán)境下,機(jī)械電子的發(fā)展趨勢(shì)是體積小、反應(yīng)快、低污染、高精度等,液壓系統(tǒng)的發(fā)展也不例外,為了適應(yīng)科技的飛速發(fā)展,齒輪泵發(fā)展趨勢(shì)如下(1)低流量脈動(dòng),在流量脈動(dòng)的作用下,液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行不均勻,且不夠平穩(wěn),影響執(zhí)行精度,而且流量脈動(dòng)會(huì)引起壓力脈動(dòng),導(dǎo)致液壓系統(tǒng)中部件的密封性遭到破壞,還會(huì)使零件產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。因此液壓系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)之一是降低齒輪泵的流量脈動(dòng);(2)大排量,某些對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度要求較高的液壓系統(tǒng)必須使用大排量泵;(3)高壓化,相對(duì)于柱塞泵和葉片泵來(lái)說(shuō),齒輪泵在高壓化方面占有明顯優(yōu)勢(shì),目前齒輪泵最高工作壓力可以達(dá)到P" =31.5MP?,但是對(duì)齒輪泵工作壓力的進(jìn)一步提升,國(guó)內(nèi)外研究尚不成熟,有待突破現(xiàn)況;(4)低噪聲,對(duì)“安靜”液壓泵的研究在國(guó)外開(kāi)始比較早。困油產(chǎn)生的沖擊噪聲和齒輪嚙合時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)械噪聲是齒輪泵工作過(guò)程中的主要噪聲源。齒輪嚙合的機(jī)械噪聲取決于齒輪的齒形、裝配等,而齒輪泵困油現(xiàn)象主要決定于卸荷措施是否合理,所以今后對(duì)齒輪泵的困油現(xiàn)象的研究和試驗(yàn)將會(huì)有較大發(fā)展;(5)變排量,齒輪泵在實(shí)際應(yīng)用中較常見(jiàn)的是定排量泵,但其工程應(yīng)用范圍在一定程度上受到限制,因此國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)對(duì)齒輪泵進(jìn)行了大量的研究,特別是在齒輪泵排量上做了很多的分析研究。對(duì)于改變變量泵的發(fā)明專利有很多,但是能真正轉(zhuǎn)化為成品的卻很少。 本章介紹了齒輪油泵的研究現(xiàn)狀,闡述了齒輪泵的困油機(jī)理,指出了研究齒輪泵困油問(wèn)題的工程應(yīng)用價(jià)值,提出了本課題的研究背景和研究意義,總結(jié)了本課題研究?jī)?nèi)容。 第二章 齒輪油泵理論研究及困油容積分析 2.1理論研究 2.1.1工作原理 齒輪泵的主要零部件有泵體、前泵蓋、后泵蓋、側(cè)板以及參數(shù)相同的一對(duì)齒 輪等。圖2-1為某分體式外嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 1一定位銷:2一密封圈;3一軸承;4一從動(dòng)軸:5一平鍵:6一齒輪: 7一主動(dòng)軸;8—端蓋;9一平面墊_; 10—彈黃墊; 11一六角頭螺釘; 12—齒輪安裝殼體;13—軸承安裝殼體;14 一密封皮碗;15—平鍵。 圖2-1外嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu) 齒輪泵工作時(shí),主動(dòng)齒輪按照?qǐng)D示順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)通過(guò)齒輪的嚙合傳遞扭矩。從動(dòng)齒輪在嚙合力的作用下跟隨主動(dòng)齒輪一起逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),齒輪的輪齒在兩齒輪中心線中點(diǎn)附近的嚙合區(qū)域右側(cè)相繼進(jìn)入嚙合又從左側(cè)退出嚙合。左側(cè)的吸油腔隨著齒輪的旋轉(zhuǎn),局部壓力低于外界大氣壓,所以在大氣壓的作用下,油液從油箱進(jìn)入吸油腔,這就是外嚙合齒輪泵的吸油過(guò)程。同時(shí),油液通過(guò)齒輪的各個(gè)齒槽與側(cè)板、泵體形成的各密閉空間由連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪帶入過(guò)渡區(qū),然后從過(guò)渡區(qū)進(jìn)入右側(cè)的排油腔。排油腔中,齒輪在中心線中點(diǎn)附近的嚙合區(qū)域逐個(gè)進(jìn)入嚙合,過(guò)渡區(qū)兩齒之間的油液隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)進(jìn)入壓油腔,使壓油腔內(nèi)液體壓力迅速上升,從而將油液擠出排液口,這就是外嚙合齒輪泵的排油過(guò)程。在主動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)下,兩個(gè)嚙合齒輪連續(xù)旋轉(zhuǎn),則油液連續(xù)不斷的從吸油口吸進(jìn),從壓油口壓出,實(shí)現(xiàn)了連續(xù)吸排油,排出的油液作為系統(tǒng)的動(dòng)力源作用于液壓系統(tǒng)中。根據(jù)齒輪泵工作原理,兩個(gè)齒輪的所有齒槽的容積求和即為主動(dòng)軸每旋轉(zhuǎn)一周齒輪泵排出來(lái)的油液的體積。對(duì)于變位系數(shù)等于零的齒輪,即標(biāo)準(zhǔn)齒輪,齒槽的體積等于齒輪輪齒的體積,所以,外嚙合齒輪泵的一個(gè)齒輪的各個(gè)齒槽齒形的體積和等于齒輪泵的幾何排量。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)安裝的外嚙合齒輪泵的幾何排量Vb{ml / r),理論上等于直徑為(Z + 2)m//7和(z-2)m的圓圍成的環(huán)形面積乘以齒輪厚度b 即 (2-1 ), 式中 則齒輪泵的理論輸出流量和理論平均流量為 式中 分析式(2-1)可得:幾何排量是衡量齒輪泵工作性能的指標(biāo),其大小決定于 齒輪的齒數(shù)、模數(shù)和齒厚,對(duì)于變位齒輪,幾何排量的計(jì)算公式修正為: (2-4) 式中,k 修正系數(shù),通常取k=l.06~1.15,Z小時(shí)k取大值,Z大時(shí)k取小值。 2.1.2瞬時(shí)流量特性分析 液壓泵單位時(shí)間內(nèi)排出的工作介質(zhì)的體積,即。某一瞬時(shí)當(dāng)t-0時(shí)齒輪泵的流量叫做液壓泵的瞬態(tài)流量。理想狀態(tài)下瞬態(tài)流量為常量,而實(shí)際工況下液壓泵的瞬態(tài)流量存在脈動(dòng)。流量脈動(dòng)與壓力脈動(dòng)是同時(shí)存在的,液壓系統(tǒng)中的壓力脈動(dòng)會(huì)引起系統(tǒng)執(zhí)行元件運(yùn)行不平穩(wěn),存在壓力沖擊,工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪聲及振動(dòng),從而破壞液壓系統(tǒng)的元部件。 外嚙合齒輪泵工作示意圖如圖2-2所示,主動(dòng)齒輪角速度為1,從動(dòng)輪角速度為2當(dāng)主動(dòng)齒輪在dt時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)角度d1時(shí),從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)過(guò)角度d2,因?yàn)辇X輪泵相互嚙合的兩個(gè)齒輪泵的節(jié)圓上線速度相等,所以有 則有 同理,由于從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的排油腔體積的變化量dV2為 所以,此時(shí)從排油腔排出的油液體積為 則此時(shí),瞬時(shí)流量為 由圖2-3可得,f為嚙合點(diǎn)C到節(jié)點(diǎn)P的瞬時(shí)位移(f= CP ),e為嚙合點(diǎn)C到 O1O2的距離(e = CM ),嚙合點(diǎn)C在O1O2上的投影點(diǎn)為M,k為節(jié)點(diǎn)P到M的距 離(k = MP )。 由圖2-3可得: 齒頂圓半徑ra1和ra2與節(jié)圓半徑r’1和r’2有如下關(guān)系: 將以上各式代入式(1-9),并整理簡(jiǎn)化得: 當(dāng)嚙合點(diǎn)的瞬時(shí)位移為f時(shí),設(shè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)的角度分別為1和2主動(dòng)齒輪的基圓半徑為rb1從動(dòng)齒輪的基圓半徑為rb2那么由數(shù)學(xué)關(guān)系分析推導(dǎo)可得: 將(2-11)式代入(2-10)式,有 當(dāng)主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪參數(shù)相同 時(shí),齒輪轉(zhuǎn)動(dòng).角速度可有1=2=此時(shí)式(2-12) 可寫成 由式(2-13)可以看出,在一對(duì)齒輪嚙合過(guò)程中,當(dāng)= 0時(shí),f = rb =0,qv(t)取得最大值 如泵齒輪的 = l,壓力角等于20°,則基圓齒距等于嚙合線長(zhǎng),即L=Pb 其中;Pb=πmcosα,齒輪進(jìn)入嚙合狀態(tài)和脫離嚙合狀態(tài)的時(shí)刻f =rb Ψ =±Pb/2 ,此時(shí)最大,qv(t)最小, 從以上分析可以得出:齒輪泵的瞬時(shí)流量不是一成不變的,它是存在脈動(dòng)的,并且隨一定周期變化。根據(jù)以上推論,瞬時(shí)流量的示意圖如圖2-4所示。 圖2-4瞬時(shí)流量曲線圖 液壓泵的流量特性通常用脈動(dòng)頻率δq和脈動(dòng)系數(shù)fq體現(xiàn),頻率越高表明其脈動(dòng)越快,越均勻;脈動(dòng)系數(shù)越高表明其脈動(dòng)越明顯,在設(shè)計(jì)制造中應(yīng)盡量減小脈動(dòng)系數(shù)同時(shí)增大脈動(dòng)的頻率。流量脈動(dòng)系數(shù)δq的計(jì)算公式為: 將式(2-2)代入式(2-14),得 根據(jù)式(2-15)推導(dǎo)出:降低脈動(dòng)系數(shù)可以采用增大壓力角和增加齒數(shù)的辦法。表2-1為α= 20°時(shí)幾種常見(jiàn)的齒數(shù)的齒輪泵脈動(dòng)系數(shù),可以得出:未經(jīng)過(guò)改進(jìn)的齒輪泵其流量脈動(dòng)系數(shù)都比較大,生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析改進(jìn) 表2-1常見(jiàn)齒數(shù)的外嚙合齒輪泵流量脈動(dòng)系數(shù) 在單位時(shí)間內(nèi)循環(huán)的次數(shù)稱為頻率,則齒輪泵的流量脈動(dòng)頻率fq就是單位時(shí)間其脈動(dòng)變化的齒數(shù)。當(dāng)齒輪嚙合時(shí),每對(duì)齒嚙合一次,流量就會(huì)變化一次,所以齒輪泵的脈動(dòng)頻率為 式中,fq——流量脈動(dòng)頻率(Hz) n——齒輪泵轉(zhuǎn)速(r/min)。 2.2困油的原因及危害 嚙合系數(shù)是指同時(shí)參與嚙合的齒輪對(duì)數(shù)的平均值,一對(duì)齒輪連續(xù)傳動(dòng)的條件是嚙合系數(shù)ε≥1,一般的機(jī)械制造業(yè),嚙合系數(shù)ε取1.4,汽車 拖拉機(jī)中ε取1.1~1.2,金屬切削機(jī)床中ε取1.3。齒輪傳動(dòng)中也是如此,嚙合系數(shù)必須大于1,才能確保吸油腔和壓油腔不會(huì)串通,齒輪能夠平穩(wěn)的嚙合傳動(dòng),以及連續(xù)的輸出工作介質(zhì),確保輸出的均勻性。 因此,外嚙合齒輪泵工作時(shí),至少需要有一對(duì)嚙合點(diǎn),也就是前一對(duì)輪齒尚未脫離嚙合之前,后一對(duì)輪齒必須開(kāi)始進(jìn)入嚙合。即此時(shí),齒輪泵有兩對(duì)輪齒同時(shí)嚙合,這就形成了一個(gè)封閉的容腔,工作介質(zhì)被困在其中。封閉的區(qū)域容積隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)逐漸減小。當(dāng)兩個(gè)嚙合點(diǎn)關(guān)于節(jié)點(diǎn)對(duì)稱時(shí),封閉容腔的容積達(dá)到最小值。此過(guò)程中,封閉容腔內(nèi)的工作介質(zhì)與外界隔離,無(wú)法排出。而工作介質(zhì)的可壓縮性很小,一定量的工作介質(zhì)體積被壓縮時(shí),其內(nèi)部受擠壓,導(dǎo)致封閉空間內(nèi)部壓力急劇升高,其壓力最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)齒輪泵的輸出壓力。工作介質(zhì)則通過(guò)齒輪端面間隙強(qiáng)行擠壓出來(lái),這個(gè)過(guò)程給軸和軸承造成了很大的沖擊載荷,引起振動(dòng)和噪聲,降低齒輪泵工作壽命,并且工作介質(zhì)溫度升高,功率損失加劇。 隨著齒輪的繼續(xù)旋轉(zhuǎn),封閉空間的容積開(kāi)始增大,而密封在里面的工作介質(zhì)又不能得到補(bǔ)償,于是形成局部負(fù)壓,產(chǎn)生氣泡,形成氣穴現(xiàn)象。如果氣穴產(chǎn)生過(guò)程發(fā)生在金屬零件內(nèi)壁附近,長(zhǎng)期的液壓撞擊就會(huì)造成金屬零件內(nèi)表面出現(xiàn)坑癥的腐燭破壞,就是所謂的氣燭。氣燭會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲,降低泵的性能,破壞過(guò)流部件。 這種因封閉容積大小發(fā)生變化,導(dǎo)致壓力沖擊和氣蝕的現(xiàn)象稱為困油現(xiàn)象。齒輪泵發(fā)生困油時(shí),其軸承和輪齒都收到交變的負(fù)荷,且變化率很大,導(dǎo)致齒輪泵使用壽命降低,產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲,增大泵工作的不平穩(wěn)性。油溫的升高會(huì)使油的變質(zhì)加快,造成經(jīng)濟(jì)損失。因此,困油現(xiàn)象對(duì)齒輪泵影響很大,消除困油現(xiàn)象對(duì)齒輪泵的性能的提升有著不可估量的重要意義。 2.3齒輪泵困油容積的變化規(guī)律 2. 3. 1困油容積變化規(guī)律分析 基本假設(shè): (1)進(jìn)口壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,出口壓力為調(diào)定壓力,且恒穩(wěn)定; (2)工作油液為連續(xù)性牛頓流體,忽略重力齒輪泵困油的影響; (3)無(wú)特殊說(shuō)明時(shí),腳標(biāo)為1代表主動(dòng)輪參數(shù),腳標(biāo)為2代表從動(dòng)輪參數(shù); (4)本文研究?jī)升X輪具有相同參數(shù)。 如圖2-8所示,K為齒輪此時(shí)的嚙合點(diǎn),P為節(jié)點(diǎn),設(shè),,, 主動(dòng)齒輪在K點(diǎn)附近轉(zhuǎn)過(guò)微轉(zhuǎn)角時(shí),吸油腔和壓油腔的端面面積變化量dV相等。為此微轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的排量為 有 式中,r1、r2——嚙合點(diǎn)至圓心的距離。 圖2-8困油容積瞬間變化 則 將,帶入上式可得 由圖2-9可以看出,困油時(shí)K2K3為雙齒嚙合區(qū),設(shè)嚙合點(diǎn)A對(duì)P的轉(zhuǎn)角為,與該點(diǎn)距離一個(gè)基節(jié)處的嚙合點(diǎn)B對(duì)P的轉(zhuǎn)角為,此時(shí)處于雙齒嚙合區(qū)K2K3中的輪齒,其掃描容積隨齒輪轉(zhuǎn)角的變化率: 圖2-9困油容積變化 后一對(duì)輪齒旋轉(zhuǎn)過(guò)程所掃描的容積變化率為: 可得,困油容積的變化率為: 所以 分析得出:困油容積的方程為二次函數(shù),此分析的前提是尺側(cè)間隙不為零。 參看圖2-10。 圖2-10 設(shè)，困油容積變化量為 由上式可知,dv與f1是線性關(guān)系,當(dāng)f1=Pb/2時(shí),dV=0 （2-35） 若f用齒輪重合系數(shù)來(lái)表示: 代入式(2-35)得 則 （2-36） 由式(2-36)可知,困油容積的變化值與齒輪泵重合系數(shù)有關(guān),齒輪泵困油容積在重合系數(shù)等于1時(shí)最小。 本章主要介紹了齒輪泵的工作原理和流量特性、徑向力分析和容積效率,以及齒輪泵困油現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,并對(duì)困油容積進(jìn)行分析。為齒輪泵的改進(jìn)和流場(chǎng)仿真提供理論依據(jù),并且作為理論基礎(chǔ),與后文的流場(chǎng)分析結(jié)泵進(jìn)行比對(duì),驗(yàn)證改進(jìn)措施的正確性。 第三章 齒輪泵卸荷槽改進(jìn)方案 3.1改進(jìn)前遇到的實(shí)際問(wèn)題 在齒輪泵設(shè)計(jì)工作中,不僅要保證其吸油腔和壓油腔有很好的密封性,還要保證齒輪泵能夠平穩(wěn)的傳動(dòng),以及液壓油的輸出要有較高的均勻性。根據(jù)以上設(shè)計(jì)理念,其嚙合系數(shù)必須保證不小于1。在前一對(duì)嚙合齒輪完全分離之前必須保證后一對(duì)齒輪已進(jìn)入嚙合,即出現(xiàn)兩對(duì)齒輪在某段時(shí)間內(nèi)都處于嚙合狀態(tài)。同時(shí)存留在輪齒間的工作介質(zhì)被困在一個(gè)完整的密封腔中,當(dāng)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)到兩個(gè)嚙合點(diǎn) 相對(duì)于節(jié)點(diǎn)成對(duì)稱分布時(shí),密封腔里的容積達(dá)到最小值,這時(shí)腔里的壓力會(huì)迅速升高且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于泵的輸出壓力。該封閉腔的工作介質(zhì)由于強(qiáng)大壓力被迫從齒輪間的縫隙擠壓出去,這樣不僅會(huì)在很大程度上對(duì)其它零部件造成重大的沖擊和損壞,而且還會(huì)引發(fā)工作介質(zhì)溫度的急劇上升,從而使零件產(chǎn)生振動(dòng),大大影響齒輪嚙合的準(zhǔn)確性,縮短齒輪的使用壽命。隨著齒輪的繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),密封腔里的容積逐漸變大,會(huì)形成真空,有氣泡產(chǎn)生,從而產(chǎn)生振動(dòng)、氣蝕等系列現(xiàn)象。這種現(xiàn)象交替重復(fù)的變化,雖然齒間困油時(shí)間很短但交替頻率很高,會(huì)不斷地加載到原載荷上產(chǎn)生周期性的沖擊。如果不積極采取有效措施來(lái)消除齒輪間的困油現(xiàn)象,那么困油現(xiàn)象會(huì)直接引起容積中的工作介質(zhì)壓力迅速升高,急劇增加了齒輪軸、軸承的負(fù)荷,產(chǎn)生氣蝕、振動(dòng)及噪音等系列危害。如何采用有效措施更大程度的緩解齒輪泵困油現(xiàn)象,對(duì)提高齒輪泵的工作性能和延長(zhǎng)使用壽命具有重要意義,有待優(yōu)化改善。 3.1.1緩解困油現(xiàn)象的常用措施 困油現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于工作介質(zhì)在輪齒間形成密封腔,當(dāng)密封容積達(dá)到最小值時(shí)密封腔的壓力會(huì)比泵的輸出壓力高出很多,迫使介質(zhì)從齒輪間隙擠壓出來(lái),對(duì)齒輪造成表面破壞且降低了齒輪泵的容積效率。為了解決此類現(xiàn)象,設(shè)法在困油腔容積變化的過(guò)程中使之與吸油腔或排油腔相通,就可以有效的消除困油現(xiàn)象的發(fā)生,以此為原理,衍生出很多種方法,對(duì)各種方法歸納總結(jié)得以下幾種類型的措施 (1)對(duì)稱卸荷槽法：首先卸荷槽的作用是把兩個(gè)齒輪嚙合時(shí)齒頂和齒底之間形成的高壓油釋放掉,如果此高壓油沒(méi)有釋放會(huì)產(chǎn)生阻矩增大,油泵發(fā)熱等現(xiàn)象。卸荷槽法是一種常用的對(duì)困油區(qū)的卸荷方法,也是我國(guó)的泵類設(shè)計(jì)中被一致推薦的一種方法。卸槽開(kāi)在齒輪泵的一對(duì)側(cè)板或端蓋的靠近齒輪的一側(cè),在每個(gè)側(cè)板的吸油側(cè)和排油側(cè)各開(kāi)一個(gè)矩形的凹槽,兩個(gè)凹槽一般都開(kāi)在一對(duì)齒輪嚙合時(shí)的節(jié)圓切線上。對(duì)稱雙矩形卸荷槽的兩個(gè)m槽關(guān)于嚙合齒輪的中心線對(duì)稱,如圖(3-1)所示,卸荷槽的間距就是在困油容積最小時(shí)的兩個(gè)嚙合點(diǎn)在節(jié)圓切線方向上投影的距離。 圖3-1對(duì)稱卸荷糟 1對(duì)稱雙矩形卸荷槽的間距: 式中 對(duì)于α = 20°,標(biāo)準(zhǔn)安裝時(shí),a = 2.78×m。 2.卸荷槽寬的最小值: 計(jì)算得:一對(duì)齒輪的參數(shù)α = 20°,ε = 1.45標(biāo)準(zhǔn)安裝時(shí), 。 3.卸荷槽的深度 卸荷槽深度A在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下盡可能的選取大值,一般取在雙矩形對(duì)稱卸荷槽的卸荷作用下,齒輪困油容積剛開(kāi)始變小時(shí),困油容積逐漸變小,腔內(nèi)壓強(qiáng)快速增大,此時(shí)困油區(qū)與壓油腔相通,壓力得到釋放,減小困油壓縮;當(dāng)經(jīng)過(guò)困油最小值后,困油容積逐漸變大,出現(xiàn)真空,此時(shí)困油區(qū)與吸油腔相通,壓力得到補(bǔ)充,減小困油膨脹時(shí)產(chǎn)生的氣穴等問(wèn)題。 對(duì)稱卸荷槽的不足之處:在困油容積最小的前一時(shí)刻,困油區(qū)只與壓油腔相連,而后一時(shí)刻困油區(qū)只與吸油腔相連,因此困油區(qū)壓力變化過(guò)快,導(dǎo)致齒輪泵產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。而且,如果兩個(gè)槽間距太小,會(huì)造成吸油腔和壓油腔連通,使輸出壓力降低,泄漏量增加,減小容積效率。而且不易于制造,加工效率低。 (2)齒輪泵浮動(dòng)側(cè)板上開(kāi)設(shè)緩沖槽 齒輪和油液在以較高速度旋轉(zhuǎn)時(shí),產(chǎn)生對(duì)側(cè)板的沖擊壓力,而且壓油區(qū)和吸油區(qū)的壓力不等,導(dǎo)致側(cè)板受到翻轉(zhuǎn)力矩,使其工作狀態(tài)發(fā)生改變。齒輪泵的工作特點(diǎn)決定了其流量脈動(dòng)性,同理側(cè)板也受到脈動(dòng)的沖擊力。緩沖槽開(kāi)在浮動(dòng)側(cè)板上,設(shè)計(jì)靈活,可以改善齒輪泵內(nèi)的側(cè)板的以上問(wèn)題,提高泵的性能。日本的不二越公司在在緩沖槽方面做的改進(jìn)措施,內(nèi)嚙合齒輪泵的側(cè)板開(kāi)設(shè)的卸荷槽,在一定程度上改善了齒輪泵內(nèi)部流場(chǎng)壓力不均而導(dǎo)致的各種問(wèn)題,在一定程度上,提高齒輪泵性能,也可為今后外嚙合齒輪泵側(cè)板上卸荷槽的設(shè)計(jì)提供有利參考。 圖3-2浮動(dòng)側(cè)板上的緩沖糟 第四章 齒輪油泵零件建模設(shè)計(jì) 齒輪油泵包含20多個(gè)零部件，其設(shè)計(jì)巧妙運(yùn)用Pro/E基于單一數(shù)據(jù)庫(kù)這一特點(diǎn)并綜合運(yùn)用多種建模方法和設(shè)計(jì)方法[4]，齒輪油泵的最后設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1所示，組件分解圖如圖2所示。 圖1 齒輪油泵三維圖 圖2 齒輪油泵爆炸圖 4.1.1 齒輪油泵框架的設(shè)計(jì) 齒輪油泵整體的設(shè)計(jì)主要是一系列基準(zhǔn)曲線的繪制，其隨后的建模設(shè)計(jì)建立在框架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，齒輪油泵的骨架設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示。 圖3 齒輪油泵框架設(shè)計(jì)結(jié)果 （1） 新建零件文檔； 1） 單擊“新建”按鈕打開(kāi)“新建”對(duì)話框。在“類型”選項(xiàng)組中選取“零件”選項(xiàng)，在“子類型”中選取“實(shí)體”選項(xiàng)，在“名稱”文本框中輸入零件名稱“Gear_pump”； 2） 取消“使用缺省模板”復(fù)選項(xiàng)，單擊“確定”按鈕。系統(tǒng)打開(kāi)“新文件選項(xiàng)”對(duì)話框，選取其中的“mmns_part_solid”選項(xiàng)，再單擊“確定”按鈕進(jìn)入三維實(shí)體建模環(huán)境[5]。 （2） 草繪基準(zhǔn)曲線； 圖4 齒輪油泵框架草繪 1） 單擊“草繪工具”按鈕打開(kāi)“草繪”對(duì)話框； 2） 選取基準(zhǔn)平面FRONT作為草繪平面，其它設(shè)置接受系統(tǒng)默認(rèn)選項(xiàng)，單擊“草繪”，進(jìn)入草繪界面； 3） 在草圖內(nèi)繪制曲線如圖4所示。 （3） 創(chuàng)建基準(zhǔn)平面； 1） 單擊“基準(zhǔn)平面工具”按鈕打開(kāi)“基準(zhǔn)平面”對(duì)話框； 2） 選取FRONT基準(zhǔn)平面作為參照，設(shè)置平移距離35； 3） 單擊“確定”，完成DTM1基準(zhǔn)平面。 （4） 草繪曲線。 1） 單擊“草繪”打開(kāi)“草繪”對(duì)話框； 2） 選取DTM1作為草繪平面，其它設(shè)置接受系統(tǒng)默認(rèn)選項(xiàng)，單擊“草繪”； 3） 繪制如圖5所示曲線。 圖5 齒輪油泵框架草繪二 保存設(shè)計(jì)結(jié)果，作為框架設(shè)計(jì)，關(guān)閉窗口。 4.1.2 齒輪油泵主體的設(shè)計(jì) （1） 新建零件文檔； 單擊“新建”按鈕打開(kāi)新建對(duì)話框。在“類型”中選“零件”，在“子類型”中選“實(shí)體”，在“名稱”文本框中輸入零件名稱“Gear_part_m”。 （2） 創(chuàng)建外部繼承特征； 1） 單擊“插入”主菜單中選取“共享數(shù)據(jù)”/“合并/繼承”選項(xiàng)，系統(tǒng)打開(kāi)設(shè)計(jì)圖標(biāo)版[6]； 2） 單擊“打開(kāi)”按鈕，使用瀏覽的方式打開(kāi)上一小節(jié)設(shè)計(jì)的齒輪油泵框架文件“Gear_pump”.同時(shí)系統(tǒng)打開(kāi)“外部合并”對(duì)話框，在該對(duì)話框的“約束類型”下選取“缺省”選項(xiàng)，在系統(tǒng)默認(rèn)位置裝配齒輪油泵骨架文件； 3） 單擊“外部合并”中的“確定”，單擊“設(shè)計(jì)板”上的“確定”。 （3） 創(chuàng)建拉伸實(shí)體特征； 1） 單擊“拉伸”打開(kāi)設(shè)計(jì)板，在設(shè)計(jì)板中單擊“放置”打開(kāi)參照面板，單擊其中“定義”打開(kāi)“草繪”對(duì)話框，選擇FRONT為草繪平面，接受其它默認(rèn)設(shè)置單擊“草繪”進(jìn)入草繪模式； 2） 在草繪平面內(nèi)使用“抓取邊”工具繪制拉伸剖面圖，然后單擊“確定”退出草繪，調(diào)整方向輸入拉伸深度“25.2”，最后創(chuàng)建的拉伸實(shí)體如圖。再次單擊“拉伸”按鈕，選取上一零件端面作為草繪平面，進(jìn)入草繪模式； 3） 繪制如圖所示草繪剖面圖，調(diào)節(jié)拉伸方向，輸入拉伸深度“25.2”，最后創(chuàng)建的實(shí)體特征如圖所示； 4） 再次單擊“拉伸”，選取上一零件右側(cè)面為草繪平面，進(jìn)入草繪模式； 5） 繪制如圖所示草繪剖面圖，調(diào)節(jié)拉伸方向，輸入深度“9.5”，最后創(chuàng)建的拉伸實(shí)體如圖6所示。 圖6 齒輪油泵主體拉伸結(jié)果 圖7 齒輪油泵主體創(chuàng)建孔結(jié)果 （4） 創(chuàng)建孔特征； 1） 單擊“孔”打開(kāi)孔設(shè)計(jì)板。單擊拉伸體端面為主參照。單擊“放置”打開(kāi)參照面板，選取“同軸”放置類型，然后激活“次參照”，選取拉伸體軸線； 2） 完成后的“放置”，設(shè)置“形狀”列表，最后完成的孔特征如圖所示； 3） 再次用孔特征創(chuàng)建孔，如圖7所示。 （5） 創(chuàng)建螺紋修飾特征，如圖8； （6） 創(chuàng)建倒圓角特征，如圖9； （7） 補(bǔ)上一個(gè)拉伸切削特征，最后完成的零件圖，如圖10。 圖8 齒輪油泵主體螺紋修飾結(jié)果 圖9 齒輪油泵主體倒圓角結(jié)果 圖10 齒輪油泵主體設(shè)計(jì)結(jié)果 圖11左蓋設(shè)計(jì)結(jié)果 4.1.3 齒輪油泵左蓋的設(shè)計(jì) 齒輪油泵左蓋的設(shè)計(jì)同樣以齒輪油泵骨架作為母體零件，綜合運(yùn)用拉伸、孔和鏡像復(fù)制等建模方法。齒輪油泵的最后設(shè)計(jì)結(jié)果，如圖11所示。 （1） 新建零件文件，輸入零件名稱“Gear_pump_leftcover”； （2） 創(chuàng)建外部繼承特征，如圖12； （3） 創(chuàng)建拉伸實(shí)體特征，如圖13； 圖12 左蓋外部繼承 圖13 左蓋實(shí)體拉伸結(jié)果 （4） 創(chuàng)建拉伸切削特征，如圖14； （5） 創(chuàng)建階梯孔，如圖15； 圖14 左蓋拉伸切削結(jié)果 圖15 左蓋階梯孔結(jié)果 （6） 創(chuàng)建倒圓角特征，如圖16。 圖16 左蓋倒圓角結(jié)果 圖17 右蓋設(shè)計(jì)結(jié)果 4.1.4 創(chuàng)建齒輪泵右側(cè)蓋的設(shè)計(jì) 齒輪泵右蓋的設(shè)計(jì)和齒輪油泵左蓋的設(shè)計(jì)相似，都是以齒輪油泵的骨架作為母本二進(jìn)行設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)步驟參照左蓋設(shè)計(jì)，齒輪油泵右蓋的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖17所示。 4.1.5 齒輪軸的設(shè)計(jì) 齒輪軸的設(shè)計(jì)以全參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪通用件作為母體，對(duì)齒輪通用件參數(shù)進(jìn)行修改并添加必要的特征。齒輪軸的最終設(shè)計(jì)結(jié)果，如圖18所示。 圖18 齒輪軸設(shè)計(jì)結(jié)果 圖19 “PROE標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)2.1”對(duì)話框 為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，這里的全參數(shù)化齒輪采用臺(tái)灣大學(xué)林清安教授開(kāi)發(fā)的“PROE標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)2.1”. （1） 打開(kāi)“PROE標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)2.1”，如圖19所示； （2） 從“零件類型”中選擇“齒輪”，零件規(guī)格選擇“20T”，如圖20所示； 圖20“正齒輪”對(duì)話框 修改右邊列表中“可修改”項(xiàng)目，修改齒輪的模數(shù)M=3,齒數(shù)Z=9,齒寬B=25.2.單擊“打開(kāi)文件”按鈕，輸入零件名稱“gear_shaft_1”,打開(kāi)的齒輪零件如圖21。 圖21 參數(shù)齒輪調(diào)用 （3） 創(chuàng)建實(shí)體拉伸特征 選取上一實(shí)體端面為草繪平面，繪制草圖，拉伸深度為“10”，拉伸結(jié)果如圖23； 圖22 齒輪軸拉伸草繪 圖23 齒輪軸拉伸結(jié)果 （4） 創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)實(shí)體特征，旋轉(zhuǎn)結(jié)果如圖25； 圖24 齒輪軸旋轉(zhuǎn)草繪 圖25 齒輪軸旋轉(zhuǎn)結(jié)果 （5） 創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)切削特征，以切出槽，切槽結(jié)果如圖27； 圖26 齒輪軸切槽草繪 圖27 齒輪軸切槽結(jié)果 （6） 重復(fù)旋轉(zhuǎn)切削，切出另一端的槽； （7） 創(chuàng)建鍵槽，結(jié)果如圖29； 圖28 齒輪軸鍵槽草繪 圖29 齒輪軸鍵槽結(jié)果 （8） 創(chuàng)建倒角特征，結(jié)果如圖30； 圖30 齒輪軸倒角結(jié)果 圖31 齒輪軸設(shè)計(jì)結(jié)果 （9） 創(chuàng)建螺紋修飾特征 選擇“插入”、“修飾”、“螺紋” ； 選取作圖平面為參照面，右圖面為螺紋起始面，輸入深度為10，直徑為12.6。 （10） 隱藏基準(zhǔn)，完成齒輪軸的創(chuàng)建，如圖31。 4.1.6 其它零件的創(chuàng)建 至此齒輪油泵的主要零件以創(chuàng)建完成，下面還有很多裝配用的小零件，其建模過(guò)程不再詳細(xì)介紹。只列出其最終結(jié)果，如圖32。 包括：螺釘、外部齒輪、平鍵、圓墊片、螺母、壓蓋、圓柱銷。 a）螺釘 b）外部齒輪 c）平鍵 d）圓墊片 e）螺母 f）壓蓋 g）圓柱銷 圖32 其它零件 至此齒輪油泵所有零件三維建模都以完成，下一步就是裝配。 4.2齒輪油泵裝配設(shè)計(jì) 4.2.1 虛擬裝配設(shè)計(jì) 齒輪油泵的裝配綜合運(yùn)用到無(wú)連接接口約束和連接接口約束。在進(jìn)行齒輪油泵的裝配前，設(shè)計(jì)者首先要對(duì)齒輪油泵進(jìn)行整體的分析，要弄清楚那些元件具有運(yùn)動(dòng)自由度，那些元件完全約束。對(duì)于具有運(yùn)動(dòng)自由度的元件就要根據(jù)具體要求選擇合適的連接接口，反之使用無(wú)連接接口的約束進(jìn)行裝配即可。 （1） 創(chuàng)建組件文檔，輸入組件名稱“Gear_pump_model”； （2） 在默認(rèn)位置裝配齒輪油泵主體； 單擊“添加元件”按鈕，打開(kāi)下設(shè)計(jì)板，選擇缺省，以在默認(rèn)位置裝配泵的主體。 （3） 向組件中裝配銷； 使用“插入”“對(duì)齊”“對(duì)齊”三種約束裝配銷釘，使其高出端面“8”。 （4） 重復(fù)裝配銷釘； 選中前面裝配好的銷釘零件，然后在“編輯”中選取“重復(fù)”打開(kāi)“重復(fù)元件”對(duì)話框。 按住“ctrl”鍵，選中“插入”和“對(duì)齊”兩種約束方式。單擊添加，共裝配4根銷釘。 （5） 向組件中裝配齒輪油泵左蓋； 使用“匹配”“插入”“插入”三種約束。 （6） 向組件中裝配齒輪軸一； 1） 單擊右工具箱中的“向組件中添加元件”按鈕，打開(kāi)齒輪油泵文件Gear_shaft_1； 2） 在系統(tǒng)打開(kāi)的設(shè)計(jì)板上的“用戶定義”中選取“銷釘”連接類型； 3） 完成“放置”列表，裝配結(jié)果如圖33。 圖33 裝配齒輪軸一 （7） 向組件中裝配齒輪軸二； 1） 單擊右工具箱中“向組件中添加元件”按鈕，打開(kāi)齒輪油泵零件文件Geat_shaft_2； 2） 在系統(tǒng)打開(kāi)的裝配設(shè)計(jì)板上的“用戶定義”下拉菜單中選取“銷釘”連接類型； 3） 在設(shè)計(jì)板上單擊“移動(dòng)”按鈕，打開(kāi)“移動(dòng)”列表。在該列表的“運(yùn)動(dòng)類型”選項(xiàng)中選取“旋轉(zhuǎn)”選項(xiàng)，然后選中“運(yùn)動(dòng)參照”副選項(xiàng)； 4） 根據(jù)系統(tǒng)提示選shaft_1的軸線作為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參照，然后在工作區(qū)中旋轉(zhuǎn)齒輪軸二，使兩齒輪正確嚙合，最后的嚙合結(jié)果如圖34。 圖34 裝配齒輪軸二 （8） 向組件中裝配齒輪油泵右