内啮合齿轮泵毕业设计说明书.doc

本科毕业设计说明书（题 目： 学生姓名：学 院：管理学院系 别：管理科学系专 业：信息管理与信息系统班 级：信管04-1指导教师： 教授/副教授/讲师二八年六月摘 要由于我国生产力以及经济的不断发展，客观上对内啮合齿轮泵的需求量正在不断的增加。但是我国对于内啮合齿轮泵的研究和探索起步晚，起点低，这就严重制约了我国在内啮合齿轮泵领域的发展速度。相对于国外知名产品，我国自主生产的内啮合齿轮泵无论在容积效率，输出压力和性能稳定性等方面都存在很大的差距。本文主要主要内容是通过Pro/E对内啮合齿轮泵进行了建模过程，然后又利用ANSYS软件对内啮合齿轮泵的主要组成部件进行了有限元分析，并根据分析结果提出了相应的优化建议。关键词 内啮合齿轮泵；三维建模；有限元分析；优化建议；Pro/EAbstractIn recent years, Chinese have began to do the research of high-pressure internal gear pumps. But we lack research of internal gear pumps in parametric design,performance and other aspects of basic analysis. So there is a large gap between the current domestic internal gear pumps witn the products of foreign countries in outputpressure, volumetric efficiency and the stability of the products. And Chinas internal gear pumps have low production and few species. We first drawed the three-dimensional Pro/E of the main structures of the internal gear pump and the assembly drawing. Those draws were saved as the format of IGES,then they were imported into ANSYS. This method of analysis and optimization also has an important significance to design and analyze other parts of pumps, which can make the pump have the best overall performance.Key words internal gear pump；finite element analysis；Pro/E目 录引 言第 一 章 绪论1.1内啮合齿轮泵的概述在液压系统中，经常用到的泵主要是齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。而齿轮泵又由于有重量轻、结构较紧凑、体积小、成本低、对污染不敏感、自吸性能比较好、寿命长、工作可靠等优点，所以在液压系统中得到了广泛的应用，而其中又尤为内啮合齿轮泵的应用范围最为广泛。内啮合齿轮泵是将机械能转化成液压能的一种能量转换装置, 为液压系统提供有压力的油液, 是液压传动系统中常用的动力元件。随着相关科学技术的快速发展，机械传动在很多的场合被液压传动所代替，因为齿轮泵价格比较便宜，结构简单，尤其是它的对油液污染的不敏感性和自吸性能比较好的特点使齿轮泵的应用非常广泛。此外内啮合齿轮泵还有很多优点，它的尺寸小、结构比较紧凑、重量轻。内啮合齿轮泵齿轮同向旋转, 因此齿面的相对滑动速度较小，磨损比较轻微，使用的寿命长，噪声和压力脉动也都比较小。由于流量脉动小，内啮合齿轮泵在电液比例控制系统和室内机械，特别是舰船等要求噪音很低的场合有着广泛的应用。内啮合齿轮泵的转速可以达到较高的值, 使得内啮合齿轮泵的容积效率比较高。由于以上这些优点，内啮合齿轮泵在今后的机械工业中会有更大的需求和广阔的发展应用前景。1.1.1内啮合齿轮泵的工作原理如图1-1所示，内啮合齿轮泵的主体结构由一对内啮合的渐开线齿轮组成, 采用轴向间隙和径向间隙自动补偿的密封装置，提高了齿轮泵的容积效率, 输出压力和输出功率也随之得到大幅度提高。在渐开线内啮合齿轮泵中，小齿轮和内齿圈之间要安装一对活动的月牙块和密封棒，以便把吸油腔与压油腔隔开。当小齿轮按某一方向旋转时，内齿轮也以相同的方向旋转，轮齿脱开啮合的部分，齿间容积逐渐增大形成真空，油液在大气压力作用下，进入吸油腔， 填满各齿间，而轮齿进入啮合的地方，齿间容积逐渐缩小，形成高压腔，油液被挤压出去，从而将主动齿轮输入的机械能转换为油液的液压能。1-小齿轮 2-齿轮环 3-月牙块图1-11.1.2内啮合齿轮泵的主要组成部件及作用1.齿轮轴齿轮轴即小齿轮是内啮合齿轮泵中非常重要的关键零部件，齿轮轴设计的好坏对于内啮合齿轮泵的工作压力、稳定性、噪声以及整体的工作性能都有非常大的影响。内啮合齿轮泵所能达到的最高压力与齿轮轴的刚度以及齿轮轴和齿圈的轮齿强度均有密切的关系。2.壳体壳体是内啮合齿轮泵的一个主要零部件，通过它将齿轮轴、齿圈、密封装置和端盖等将这些零件组合成一个整体，使这些零件相互间有一个正确的位置关系，从而使齿轮泵能够有较好的工作性能以及达到所要求的运动关系。内啮合齿轮泵内部的形状结构相对比较复杂，外部有直径不同的圆柱面和平面，内部有安装齿轮轴的孔，内壁高压区开有弧形沟槽，进油口开有较大的吸油窗口。3.齿轮环齿圈对于渐开线式内啮合齿轮泵而言也是一个重要的关键零部件，它与齿轮轴相配合，由月牙块将它们与其他零部件形成的密封腔分为高压区和低压区。4月牙块小齿轮为主动轮，齿轮环为从动轮，而在小齿轮和齿轮环之间的月牙块则紧紧贴着小齿轮和齿轮环的齿顶，从而在小齿轮和齿轮环之间形成两个密闭的区域，即吸油腔和压油腔并将两腔隔开。此外月牙块还可以减少径向泄露，进行径向补偿。1.1.3内啮合齿轮泵的性能参数1.压力齿轮泵的工作压力指的是泵的输出压力，即齿轮泵出口附近的液压油为了能够克服外界阻力需要建立的压力。因此齿轮泵的工作压力是由外负载的大小决定的。齿轮泵的工作压力随着外界阻力的增大而增大，随着外界阻力的减小而变小。对于齿轮泵的压力来说，一般分为泵的额定压力和最高压力。齿轮泵的额定压力指的是在使用中按照标准条件连续运转所允许的最大工作压力，超过这个值就是过载。最高压力是指齿轮泵短时间内所允许超载使用的极限压力，它受到齿轮泵自身密封性能、壳体和零件强度等因素的限制，若长时间的在最高压力以上工作，泵体就会很快出现故障。2. 齿轮泵的功率和效率齿轮泵一般由电动机或者其他的原动机驱动而转动的，因此齿轮泵输入的量是液压油的流量、压力，如果泵在将机械能转化成液压能的过程中能量没有损失，那么它的理论功率应该等于泵的理论流量和输出压力的乘积。但在真实的工作条件下，泵在能量转换的过程中会产生一些损失的，主要有机械损失和容积损失。机械损失是指因为摩擦而产生的转矩上的损失，容积损失指的是由于内泄漏而造成的液压泵流量上的损失。3. 转速为了能够让齿轮泵正常运转，带动齿轮泵的原动机的转速要同齿轮泵的额定转速相适合。齿轮泵额定转速指的是当输出为额定功率的时候，齿轮泵能够连续正常工作的转速。这个转速要保持基本稳定，过高的话泵的吸油会不足产生气穴，从而产生振动和噪声，过低的话会使齿轮泵的泄漏量增加，这时候容积效率会降低，影响泵的工作性能。综上所述，要对齿轮泵的转速加以限制。4. 排量、流量和容积效率齿轮泵的排量 V 指的是在不考虑泄漏的情况下，轴经过一整转时所能输出的油液的体积。它的大小由齿轮泵工作腔容积的大小决定。齿轮泵的流量分为理论流量和实际流量 q。理论流量指的是在不考虑泄漏的情况下，单位时间内能输出的油液的体积。它的大小由转速和泵本身的结构参数决定。即 =nV 泵的实际流量 q 是液压泵工作时的输出流量，这时的流量需要考虑泵的泄漏。而泵的泄漏损失，通常用容积效率这个参数表示，齿轮泵的容积效率等于实际流量与理论流量的比值。即 =100% 5. 齿轮泵的功率和效率 齿轮泵一般由电动机或者其他的原动机驱动而转动的，因此齿轮泵输入的量是液压油的流量、压力，如果泵在将机械能转化成液压能的过程中能量没有损失，那么它的理论功率应该等于泵的理论流量和输出压力的乘积。但在真实的工作条件下，泵在能量转换的过程中会生一些损失的，主要有机械损失和容积损失。机械损失是指因为摩擦而产生的转矩上的损失。容积损失指的是由于内泄漏而造成的液压泵流量上的损失。1.2内啮合齿轮泵的研究现状 国内生产的内啮合齿轮泵主要有：上海航空发动机制造厂研究生产的 NB 系列直线共轭式内啮合齿轮泵，额定压力的值低压为 6.3MPa，中压 12.5MPa，双级泵能达到 25MPa，排量 10250mL/r，额定转速 1500r/min。它的内外转子之间用月牙块隔开，没有间隙补偿。还有上海机床厂从美国 VICKERS 公司引进生产的 GPA 内啮合齿轮泵，额定压力为 10MPa，转速范围是 5003000r/min，排量为 1.7663mL/r。它的内转子和外转子之间用固定的月牙板分开，没有间隙补偿装置。 第2章 内啮合齿轮泵主要部件的三维建模2.1内计算机辅助设计的发展 传统的设计中，设计者要根据设计任务和要求，参考以前的设计资料和经验，一般会经过设计构思方案、建立模型、计算、分析、绘图在进行反复修改等过程，然后设计出适合要求的方案，画出相关的图样和编制文件。在这个过程中，有很多的分析、判断，有复杂的计算及仔细的画图，有创造性的思维活动等，工作量非常大而且会产生许多繁琐的重复性的劳动，降低了设计效率。计算机辅助设计（CAD）这项技术随着 20 世纪 70 年代以来计算机科学的大力发展而使 CAD 在工程设计中得到了越来越广泛的运用。计算机辅助设计通过利用计算机的软件系统和硬件系统来帮助设计者对工程或产品进行设计、改正最后再显示输出的一种设计手段。它是一门综合了多个学科的实用性技术。在这个过程中，人们能够进行具有创造性的思维活动，完成构思设计方案、拟定工作原理等，并将设计的方法和思想经过分析、综合后转换成计算机可以运行的数学模型或是解释这些模型的程序。在计算机运行这些程序的过程中，人们可以对运行的结果进行评价，控制设计的过程；计算机可以充分发挥它的存储信息以及运算分析的强大功能来实现信息的计算、管理、绘图、数据查找、模拟优化和数值分析的作用。采用计算机辅助设计的技术对于产品的设计和生产方面有如下几个优点：提高设计人员的工作效率；大大缩短新产品的研发和制造周期，有利于对产品进行技术的改进和产品的更新换代；降低生产的成本；提高相关产品的质量；提高公司产品在市场上的竞争力和改善企业的整体技术水平。CAD 有着广泛的使用价值以及应用前景最主要的原因是它能够减少设计人员的工作强度，大大改善设计者的工作环境，提高设计的速度。国际 CAD 设计范围从 20 世纪 90 年代开始就逐渐向三维技术发展，近年来的 CAD 的开发方向是基于特征的三维参数化设计软件。三维设计软件的出现和发展使得产品的设计和开发工作发生了巨大的进步。2.2 Pro/E建模技术Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，它是现今主学术界的主流CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。 Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色，实体或线框造型，完整工程图的产生及不同视图展示（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。 Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽壳（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其他相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下（没有任何附加模块）具有大部分的设计能力，组装能力（运动分析、人机工程分析）和工程制图能力（不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS标准），并且支持符合工业标准的绘图仪（HP，HPGL）和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。Pro/Engineer功能如下：1特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）。2参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）。3通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。4支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro/PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等）。5贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动）。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro/ENGINEER的基本功能。2.3主要部件的三维建模过程在内啮合齿轮泵的设计中，利用 Pro/E 软件建立内啮合齿轮泵的各零部件的实体模型，并虚拟装配成整机。其中壳体，齿轮轴，齿轮环，配油盘，支撑盘等是内啮合齿轮泵的关键零部件，它们的强度和刚度是影响齿轮泵性能的重要因素。主要结构件和装配体的三维模型如下所示：1.小齿轮 图2-1 小齿轮齿轮轴即小齿轮是内啮合齿轮泵中非常重要的关键零部件，齿轮轴设计的好坏对于内啮合齿轮泵的工作压力、稳定性、噪声以及整体的工作性能都有非常大的影响。上图是小齿轮的三维图，首先利用旋转特征的内部草绘功能建立一个矩形的齿轮胚体的截面，然后绕坐标轴旋转成为最大半径为齿顶圆半径的齿轮胚体；第二步是在胚体上建立齿根圆，基圆，分度圆，再利用曲线功能画出渐开线，最后形成齿槽截面，然后利用裁剪功能把齿槽裁减掉形成齿槽，此后，再利用阵列功能最终在齿轮胚体上形成13个齿；第三步是利用拉伸特征建立轴部分。然后再利用拉伸裁剪画出键槽部分