齿轮泵设计及加工

-大学毕业设计（论文）题目： 齿轮泵的设计及加工 函 授 站： 专 业： 机械设计制造及自动化 学生姓名： 指导教师： 20 年 月 日摘 要1计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE）是实现创新设计的关键手段，它在工程设计中的应用大大提高了设计质量，缩短了设计周期，减少了设计费用。本课题以广泛应用于各种行业中的液压动力元件外啮合齿轮泵为研究对象，在新产品的设计过程中，通过分析国内外现阶段的研究成果，以solidworks 绘图为主要绘图手段，解决以前手工绘图及二维 CAD 绘图难以解决的问题。本文应用三维软件（solidworks）的绘图技术对产品的各零部件进行三维绘图，并对各零部件进行装配，使齿轮泵更直观的展现出来。并通过图形分析和拟出加工工序，制作工序卡。关键词：CAD；solidworks；齿轮泵；工艺2目 录1 绪论 .11.1 课题的来源及意义 .11.2 以常规方法为基础研究的工作 .11.3 采用优化设计理论选择出齿轮泵的最佳参数 .22 外啮合齿轮泵的运动和几何尺寸设计 .32.1 设计依据 .32.1.1 齿轮泵的工作原理及主要结构特点 .32.1.2 设计参数 .32.2 主要零件的几何尺寸设计 .42.2.1 齿轮的几何尺寸设计 .42.2.2 轴的设计 .42.2.3 轴承的选择及润滑 .52.4 齿轮泵的常见问题及解决措施 .62.4.1 困油问题及解决措施 .62.4.2 径向不平衡问题及解决措施 .82.4.3 泄漏油问题及解决措施 .82.4.4 齿轮泵的噪声及降低的措施 .82.5 齿轮泵的噪声及其解决措施 .82.5.1 齿轮泵的噪声 .82.5.2 降低齿轮泵噪声的措施 .93 外啮合齿轮泵的泵体及端盖的设计及排量、流量的计算 .103.1 泵体的设计 .1033.2 前端盖的设计 .103.3 后端盖的设计 .113.4 排量和流量的计算 .124 外啮合齿轮泵的主要零部件加工工艺的设计 .144.1 数控加工工艺简介 .144.1.1 工件的装夹： .154.1.2 加工要求 .154.2 齿轮的加工工艺 .164.2.1 圆柱齿轮加工工艺过程的内容和要求 .164.2.2 齿轮加工工艺过程分析 .164.3 轴的加工工艺 .184.3.1 轴类零件的功用、结构特点及技术要求 .184.3.3 轴的加工 .204.4 泵体的加工工艺 .204.4.1 泵体的加工设备及装夹简介 .204.4.2 外啮合齿轮泵泵体孔的加工工艺规程 .214.5 泵盖的加工工艺 .224.4.1 泵盖简介 .224.4.2 泵盖的工艺性分析 .234.4.3 选择刀具和工艺卡片 .23小 结 .26参考文献 .27致 谢 .28附 录 .2911 绪论1.1 课题的来源及意义齿轮泵作为一种典型的液压元件，被广泛运用于机床工艺、农用机械、工程机械、航空航天和船舶工艺等众多工艺领域。其中外啮合齿轮泵是开发的比较早，结构简单，应用广泛，主要工作部件只有主被动齿轮，较之叶片泵（叶子、转子及其它附件）及各种型式的柱塞泵（斜盘、柱塞、缸体和回程盘等部件） ，在原始设计、制造工艺和加工手段等方面有着无法比拟的优越性。同时齿轮泵的工作部件是轴对称的旋转体，故其高速性能很好（一般高转速可达3000r/min，飞机用齿轮泵的最高转速达到 8000r/min） 。它具有良好的自吸性能齿轮对油液污染的敏感性远远低于叶片及柱塞等部件，在齿轮泵的运行故障中很少是由于液压油污染所致。但是我们也知道齿轮泵具有流量脉动率较大、噪声高、效率相对较低以及个别零件受力情况恶劣等特点。现在大多的设计图都还是二维的 CAD 绘制，甚至还有手工绘制图纸，这导致设计的时间增加，而利用三维设计，更直观的体现了产品的形状，并且有利于加工工艺的编写。外啮合齿轮泵是一种开发早，结构简单，应用十分广泛的液压元件。早期的齿轮泵效率低，压力低，随着研究的深入，齿轮泵的一些新技术和结构形式的发展，外啮合齿轮泵也朝着高压、高转速、低噪音的方向发展。齿轮泵的发展现状在提高齿轮泵工作性能、优化零部件结构、延长使用寿命方面，国内外的专家学者及企业中的设计人员做了大量的研究工作，对于减小影响齿轮泵性能的几个特点，在实际应用中，起到了一定的效果。归纳起来，这些工作主要分一下几个方面：1.2 以常规方法为基础研究的工作以齿轮泵的各零件结构改进为开展研究的出发点，针对关键部件做结构上的调整，从部分着手到整体性能的提高。这是传统常规机械设计的思路，这方面的研究可大体概括为以下几点：1.对非对称齿形的研究和应用。非对称齿形齿轮具有双模数、双压力角渐开线非对称齿形，其齿顶圆和分度圆较一般对称齿轮大，且齿顶圆弧齿厚较短，从而增大了齿轮与壳体间的工作腔容积，提高了泵的排量及功率，相同外形尺寸情况下，此两项指标增大约 20%。这种齿轮的齿轮两侧重合度不等，以重合度较小一侧作为工作侧，可减小困油现象、降低噪声、改善齿轮受力及延长齿轮泵的寿命。另外其轮齿两侧压力角不等，以压力角大的一侧承载，改善了齿轮受力状况。但非对称齿轮齿形需用不同的刀具加工，而且由于工作侧和非工作侧之间工精度也不同，加工起来不方便，工艺性差。2.齿轮的设计也可结合 CAD 三维造型技术通过参数化设计能力，找出适合于实际工作的理想齿形参数。2卸荷槽的结构形式与参数的合理与否对困油引起的液压冲击振动影响很大，设计要求卸荷槽在高转速下能泄油通畅，不会因困油产生高压和气穴的现象。合肥工业大学与原机械部通用研究所联合研制的齿轮泵卸荷槽面积计算程序对合理设计齿轮泵卸荷槽提供很好的参考。另外，武汉冶金科技大学研究的一种同时适用于无齿侧间隙和有齿侧间隙的通用阻尼槽式卸荷槽，结构新颖，很好地解决了因卸荷槽的存在容积效率随齿侧间隙增大而降低的问题。改善体内流场边界条件，使流道壁面尽量圆滑，采用高阻尼材料或采取附加阻尼等办法会对泵的降低噪声有所帮助。也有些厂家通过改进泵体材料。采用经挤压工艺形成的拉伸形材，可使泵体在强度、刚度都有一定改善。3.高压齿轮泵中的滑动轴承往往是决定泵的寿命的重要环节。浙江大学通过对齿轮泵的轴挠曲变形对其轴承承载能力的研究，提出了一个近似公式计算挠曲变形轴的滑动轴承的方法，为轴承设计提供了有价值的借鉴。较新的齿轮档次一般采用钢背塑料复合滑动轴承，其自润滑功能好，摩擦系数低。在此基础上适当加大轴径尺寸，改善润滑槽结构，可有效延长轴承寿命。通过合理设计摩擦副的油膜厚度使其形成功压平衡，也可提高轴承的寿命。4.从密封方面考虑，采用在齿轮泵的轴端部和轴径处真空密封的方法，从二次压力密封腔经泄漏孔引到吸油腔，有效根治了轴向泄漏，降低了轴径处旋转摩擦力，减少了泵体和两端盖间轴端和轴径处的轴向推力。5.通过对外啮合齿轮泵轴套两端受力的精确计算，给出一套切实可行的补偿计算机辅助设计方法，以提高泵的机械效率、容积率和机械平稳性。1.3 采用优化设计理论选择出齿轮泵的最佳参数优化设计是 60 年代开始发展起来的一门新的学科。这种设计方法是数学划和现代电子计算机技术相结合的产物。我们知道对于一种工程设计问题可能有许多解决方案，如何确定最优方案，实现设计参数的最优化是优化设计要解决的问题。优化设计的原理的不同分为数学规划法和推测法。数学规划法以严格的数学规划理论为基础，保证结果收敛到问题的最优解。其算法平稳、成熟，但迭代次数多、收敛时间长，对于大型复杂的设计问题有一定的缺陷。但现在计算机硬件的发展十分惊人，以前许多计算速度和容量约束的问题现在已受到越来越少的限制。准则法是以一些基本概念出发，建立一些准则的可行方案，即为最优或金丝最优方案。与前一方法相比缺乏严格数学理论依据，有时还需要凭直觉做近视处理，结果比较粗糙。但这种方法能较快的出优化结果，往往用于较复杂的工程设计问题，然而其应用面较窄。目前一般只能作工程结构的最小体积或最轻重量的优化设计。根据占有的文献资料，国内外在齿轮优化设计方面有一些研究先例，传动装置的齿轮优化有些可借鉴的资料，例如关于齿面接触强度最佳齿廓的设计；最佳油膜或其它条件下齿轮几何参数的最优化设计；传动参数的最优化及满足强度要求等约束条件下单位功率或体积最小的变速器的优化；齿轮副及其传动系统的动态性能的最优化等。对于齿轮泵中的齿轮做专业上要求的优化设计很少，只有一些文章简单地提出以等排量下体积最小为目标函数的优化思路。波兰的 W.kollek 在这方面有过论述，他通过穷举的方法求的最优变向量，提出可借鉴的思路和模型。32 外啮合齿轮泵的运动和几何尺寸设计2.1 设计依据2.1.1 齿轮泵的工作原理及主要结构特点外啮合齿轮泵如图（2.1）所示。结构上主要由泵体、一对啮合齿轮、传动轴、前盖和后盖组成。工作腔是由齿槽、泵体、前后盖密闭而成。有 Z 个齿，就有 2Z 个工作腔。配油机构是由齿顶和泵体内表面、齿轮端面和前后盖两齿轮啮合而自然形成的。一般情况下，外啮合齿轮泵的两个齿轮具有相同的参数。两齿轮齿廓与泵体和前后盖板形成若干密封容积，密封线（啮合线）把吸油腔隔开。当齿轮按照图示方向旋转时，啮合点下侧的轮齿逐渐退出啮合，密封体积增大，形成局部真空，液体在大气压力的作用下进入密封容积，形成吸油腔。啮合点上侧的轮齿逐渐进入啮合，容积减小，压力升高，液体被挤压出去形成排油腔。这就是齿轮泵的吸、排油过程。齿轮不停的旋转，齿轮泵就可以连续不断的吸油和排油图（2.1）2.1.2 设计参数目前齿轮泵的流量范围为 =2.5Lmin-750 L min,最高工作压力 = pH31.5MPa,齿轮工作压力为 P=12MPa20MPa, =0.80.95,总效率V=0.750.92。 n=1450r/min4为了使齿轮流量均匀性最好，即流量脉动系数最小，并且流量脉动频率最高，齿数可选为偶齿数，可选主、从动齿轮均为 Z=14。确定齿轮的模数 m 和齿宽 B2.2 主要零件的几何尺寸设计2.2.1 齿轮的几何尺寸设计考虑到综合因素的作用，可选 m=3（标准数） ，则 d=mz=14齿宽 b= =0.5742=24（硬齿面时可取 =0.57）d确定齿轮的其他参数齿轮少时会产生根切现象,对于标准齿轮(齿顶高系数 =1),在压力角 =ha时 ,不产生根切的最小齿数 =17.若产生根切,将会使 1,其结果是(1)破20。 Zmin 坏了传动的连续性,产生撞击和噪声.(2)在出现不连续转动的瞬时,还会使高压区的油液流回到低压区去,使泵的容积效率下降.(3)削弱了齿根的强度,为了避免根切,对齿轮进行修正.目前国内外广泛采用“增一齿修正法”来修正.1) 理论中心距: = m( + )=42Ao2122) 齿轮节圆直径: = =m(Z+1)=45D13) 齿轮齿顶圆的直径:= =mz+2 m=48e12ha*4)齿根圆直径= =d-2.5m=34.5df1f22.2.2 轴的设计轴 的 结 构 和 形 状 取 决 于 下 面 几 个 因 素 ： （ 1） 轴 的 毛 坯 种 类 ； （ 2） 轴上 作 用 力 的 大 小 及 其 分 布 情 况 ； （ 3） 轴 上 零 件 的 位 置 、 配 合 性 质 以 及 连 接固 定 的 方 法 ； （ 4） 轴 承 的 类 型 、 尺 寸 和 位 置 ； （ 5） 轴 的 加 工 方 法 、 装 配方 法 及 其 他 特 殊 要 求 。 可 见 影 响 轴 的 结 构 与 尺 寸 的 因 素 很 多 ， 设 计 轴 时 要 全面 综 合 地 考 虑 各 种 因 素 。5对 轴 的 结 构 进 行 设 计 主 要 是 确 定 轴 的 结 构 形 状 和 尺 寸 。 一 般 在 进 行 结 构设 计 时 的 已 知 条 件 有 ： 机 器 的 装 配 简 图 ， 轴 的 转 速 ， 传 递 的 功 率 ， 轴 上 零 件的 主 要 参 数 和 尺 寸 等 。轴直径的计算公式：dC =16(为标准直径系列)，考虑到齿轮宽3/npb=24，也即是键槽的长度 L=24，同时轴上需安装轴承，故可取短轴长度为 64，长轴长度为 112。轴上开有键槽，键槽两边开有卡簧槽。键的设计 由齿轮宽 b=24,可知键的长度为 24，再由轴径查键的深度和宽度，可知为55。pm。齿轮泵的设计过程如 4 轴承的设计由轴径 d=16 可查轴承的数据为内圈直径 d=16,外圈直径 D=20，宽度为 12轴承的选择及润滑2.2.3 轴承的选择及润滑1.采用滚针轴承，滑动轴承还是滚动轴承 滚针轴承的优点是:工作时一摩擦系数小，起动摩擦力矩小，机械效率高 :既适用低转速也适合高转速;能在较大的温度范围内工作 ;抗杂质和污染能力强;但由于滚针轴承在工作时噪声大且轴承尺寸较大，结构布置不便等缺点，不宜选用滚针轴承。滚动轴承的优点：1） 滚动轴承的摩擦系数比滑动轴承小,传动效率高。一般滑动轴承的摩擦系数为 0.08-0.12,而滚动轴承的摩擦系数仅为 0.001-0.005;2） 滚动轴承已实现标准化、系列化、通用化,适于大批量生产和供应，使用和维修十分方便；3） 滚动轴承用轴承钢制造,并经过热处理,因此,滚动轴承不仅具有较高的机械性能和较长的使用寿命,而且可以节省制造滑动轴承所用的价格较为昂贵的有色金属;4） 滚动轴承内部间隙很小,各零件的加工精度较高,因此,运转精度较高。同时,可以通过预加负荷的方法使轴承的刚性增加。这对于精密机械是非常重要的;5） 某些滚动轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷,因此,可以简化轴承支座的结构;6） 由于滚动轴承传动效率高,发热量少,因此,可以减少润滑油的消耗,润滑维护较为省事;7） 滚动轴承可以方便地应用于空间任何方位的铀上。故本设计中选用滚动轴承。2.轴承的润滑6轴承的润滑方式有高压润滑和低压润滑两种。一.高压润滑方式有：1）利用泄漏高压油进行润滑用于滚动轴承中；2）向轴承连续供给高压油；3）由压油腔向轴承脉冲供油；4）利用困油容积缩小时向轴承脉冲供油；5）将高压油直接引入轴承孔内承载处进行润滑。由于高压油温度较高，粘度较低，使轴承的承载能力降低，并损耗一部分高压油，而使容积效率下降，故一般不宜采用高压润滑。二.低压润滑方式有：1