（机械工程专业论文）高压非对称齿轮泵设计开发.pdfVIP

摘要 摘要 高压齿轮泵作为典型的液压动力元件，广泛应用于工程机械液压系统。随着 工程机械液压系统向高压化方向发展，工作压力逐步提高至2 0 2 5 m p a ，这就要求 进一步提高齿轮泵额定工作压力至2 5 m p a 。本文在对国内外同类产品进行详细分 析和研究的基础上，结合产品设计制造经验，采用计算机辅助设计( c a d ) 和计 算机辅助工程( c a e ) 开发了高压非对称齿轮泵。 本文首先详细介绍了高压齿轮泵的基本组成和结构原理，提出了一种非对称 高压齿轮泵结构，可有效降低从动齿轮受力，从而提高了齿轮泵寿命，并对高压 非对称齿轮泵各部分结构、基本尺寸和各组成零件进行了详细的设计和计算。 其次采用c o s m o s w 6 r k s 有限元分析软件对高压非对称齿轮泵后盖体零件进 行了线性静应力、稳定性以及优化等分析。优化后不但减轻了后盖体零件重量， 而且提高了后盖体的安全系数。 再次对高压非对称齿轮泵关键零件：齿轮、前盖和后盖体零件的加工工艺进 行详细研究和设计，为设计开发的顺利完成以及后续降低齿轮泵制造成本，提高 经济效益打下了良好的基础。 最后按照液压齿轮泵国家标准规定的试验方法和技术参数要求，对高压非对 称齿轮泵试制样机进行了全面的性能测试，验证了设计方案的可行性和齿轮泵各 项技术性能指标。 关键词：高压齿轮泵；非对称结构；有限元分析；制造工艺；性能测试 x a b s t r a c t a b s t r a c t a sat y p i c a lh y d r a u l i cp o w e rc o m p o n e n t ，h i g h p r e s s u r eg e a rp u m pi sw i d e l yu s e d i nt h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yh y d r a u l i cs y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r yh y d r a u l i cs y s t e m i nt h ed i r e c t i o no fh i g h - p r e s s u r e ，w o r k i n gp r e s s u r e g r a d u a l l yi n c r e a s e dt o2 0 - 2 5 m p a ，w h i c hf u r t h e rr e q u i r e s a ni n c r e a s ei nt h er a t i n g w o r k i n gp r e s s u r e o ft h e h i g h p r e s s u r e g e a rp u m p t o2 5 m p a w e d e v e l o p e d h i g h p r e s s u r en o n - s y m m e t r i c a lg e a rp u m pw i t ht h eh e l po fc a d a n dc a e ，b a s i n go n d e t a i l e da n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fs i m i l a rp r o d u c t sa n dc o m b i n i n gt h ee x p e r i e n c ei n p r o d u c td e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g f i r s t l y , t h i sp a p e rd e t a i l st h eb a s i cc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo ft h ep r i n c i p l eo f t h eh i g h p r e s s u r eg e a rp u m pa n dp u t sf o r w a r dan o n - s y m m e t r i c a lg e a rp u m ps t r u c t u r e ， w h i c hc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ef o r c eo ft h eg e a ra n dr a i s et h eg e a rp u m pl i f e t h i s p a p e rn o to n l ya n a l y z e sa n dd e s i g n st h ep a r t i a ls t r u c t u r e o ft h eg e a rp u m p ，b u ta l s o a n a l y z e sa n dc a l c u l a t e sb a s i cd i m e n s i o n so f t h ep u m p s e c o n d l y , w i t ht h eh e l p o ft h ef i n i t ee l e m e ma n a l y s i ss o f t w a r e ，t h i sp a p e r a n a l y z e st h es t r e s si n t e n s i t y , s t r a i n ，d e f o r m a t i o na n ds a f e t yf a c t o ro f t h ep u m pb o d y t h i r d l y ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sa n dd e s i g n sc r a f t so fg e a r , f r o n tc o v e ra n db o d yo f h i g h p r e s s u r en o n - s y m m e t r i c a lg e a rp u m p f i n a l l y ，a c c o r d i n g t or e q u i r e m e n to ft h eh i g hp r e s s u r eg e a rp u m pn a t i o n a l s t a n d a r di nt h et e s tm e t h o d sa n dt h ed e m a n do ft e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，t h i sp a p e rh a s g i v e nc o m p r e h e n s i v et e s t s o fp r o p e r t yt oh i g h - p r e s s u r en o n s y m m e t r i c a lg e a rp u m p ， a n dv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g na n dt h et e c h n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h eg e a rp u m p k e y w o r d s ：h i g hp r e s s u r eg e a rp u m p ；n o n - s y m m e t r i c a ls t r u c t u r e ；f i n i t ee l e m e ma n a l y s i s ； m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g ；p e r f o r m a n c e t e s t x i 山东大学硕士学位论文 x i i c o n t e n t s c o n t e n t s c o n t e n t s i a b s t r a c t i x c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hs t a t u so fg e a rp u m p 1 1 1 1o v e r v i e wo fg e a rp u m p 1 1 1 2w o r k i n gp r i n c i p l eo fe x t e r n a lg e a rp u m p 2 1 1 3t h ec l a s s i f i c a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fg e a rp u m p 2 1 1 4t y p i c a ls t r u c t u r eo f d o m e s t i ch i g h p r e s s u r eg e a rp u m p 4 1 1 5t h er e s e a r c hp r o g r e s so f g e a rp u m p 4 1 2c a d c a ea n dg e a rp u m pd e s i g n 6 1 2 1c o n c e p ta n da p p l i c a t i o no fc a d 6 1 2 2c o n c e p ta n da p p l i c a t i o no fc a e 7 1 2 3a p p l i c a t i o no fc a ei nh i g h - p r e s s u r eg e a rp u m pd e s i g n 7 1 3t h em a i nc o n t e n t e n t so f t h i sp a p e r 8 1 3 1p a p e rs o u r c e 8 1 3 2t h em a i nc o n t e n t e n t s 8 c h a p t e r2 s t r u c t u r ed e s i g na n dc a l c u l a t i o no fh i g h - p r e s s u r en o n s y m m e t r i c a l g e a rp u m p 9 2 1o v e r v i e wo f h i g h - p r e s s u r en o n s y m m e t r i c a lg e a rp u m p 9 2 1 1s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s 9 2 1 2s t r u c t u r ep r i n c i p l e 1 0 2 2s t r u c t u r ed e s i g n 1 2 2 2 1r a d i a lf o r c ea n a l y s i so fg e a rp u m p 12 2 2 2s t r u c t u r ea n a l y s i so fs h e l la n dg e a r 13 2 2 3r e s e a r c ho nb e a t i n ga n dl u b r i c a t i o n 13 2 2 4r e s e a r c ha n da n a l y s i so na x i a lc l e a r a n c ec o m p e n s a t i o n 15 2 2 5a n a l y s i so f o i l b l o c k i n ga n dd e s i g no f t h eu n l o a d i n gg r o o v e 1 7 v 山东大学硕士学位论文 2 3c a l c u l a t i o no fb a s i cp a r a m e t e r 18 2 3 1c a l c u l a t i o no f g e a rp a r a m e t e r 1 8 2 3 2c a l c u l a t i o no f t h eu n l o a d i n gg r o o v e 2 3 2 3 3c a l c u l a t i o no f t h ei n l e ta n do u t l e th o l e 2 4 2 4c o m p a r i s o na n da n a l y s i so f b e a r i n gl o a d 2 5 2 4 1c a l c u l a t i o na n da n a l y s i so nr a d i a lf o r c eo fh i g h - p r e s s u r e n o n s y m m e t r i c a lg e a rp u m p 2 5 2 4 2c a l c u l a t i o no fs y m m e t r i c - s t r u c t u r eb e a t i n gf o r c e 2 7 2 4 3c o m p a r a t i v ea n a l y s i so f t w os t r u c t u r e sb e a r i n gf o r c e 2 8 2 4 4b e a r i n gc h e c k i n g 2 9 2 5k e y p a r t sc h e c k i n go f h i g h - p r e s s u r en o n - s y m m e t r i c a lg e a rp u m p 2 9 2 5 1g e a rs h a f tc h e c k i n g 3 0 2 5 2g e a rs t r e n g t hc h e c k i n g 。3 2 2 5 3p u m pb o d yc h e c k i n g 3 5 2 6s u m m a r y 3 5 c h a p t e r3 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no fp u m pb o d y 37 3 1o v e r v i e w 3 7 3 1 1s o f t w a r ei n t r o d u c t i o n 3 7 3 1 2s o l u t i o ns t e p so f t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 3 7 3 1 3m a i no b j e c t i v eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 3 8 3 1 4m a i nw o r k i n gc o n d i t i o n 3 8 3 2s t a t i ca n a l y s i so f p u m pb o d y 3 8 3 2 1e s t a b l i s ht h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g nm o d e l 3 8 3 2 2s t a t i ca n a l y s i so f p r e - t r e a t m e n t 4 0 3 2 3a n a l y s i so p e r a t i o n 4 3 3 2 4r e s u l to u t p u ta n da n a l y s i s 4 4 3 3a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n 4 7 3 3 1d e f i n ed e s i g np a r a m e t e r sa n da d dc o n s t r a i n to p t i m i z a t i o n 4 7 c o n t e n t s 3 3 2o p t i m i z a t i o na n a l y s i sa n do p e r a t i o n 一4 8 3 3 3f i n a lr e s u l to u t p u t 4 8 3 4s u m m a r y 一5 2 c h a p t e r 4m a i np a r t sp r o c e s sd e s i g n 5 3 4 1m a i np a r t sp r o c e s sa n a l y s i s 5 3 4 1 1m a i np r o c e s sa n a l y s i so f g e a rs h a f t 5 3 4 1 2m a i np r o c e s sa n a l y s i so ff r o n tc o v e ra n db o d y 6 0 4 2m a i np a r t sp r o c e s s 6 3 4 2 1g e a rm a c h i n i n gp r o c e s s 6 3 4 2 2f r o n tc o v e rm a c h i n i n gp r o c e s s 6 4 4 2 3b o d ym a c h i n i n gp r o c e s s 6 5 4 3s u m m a r y 6 5 c h a p t e r5 t e s ta n da n a l y s i s 6 7 5 1t e s tc o n t e n ta n dp r o c e s s 6 7 5 1 1t e s tc o n t e n t 6 9 5 1 2t e s tc o n d i t i o n s 6 9 5 1 3t e s td e v i c ea n dp r i n c i p l e 6 9 5 2t e s tr e s u l t sa n da n a l y s i s 6 9 5 2 1p r e l i m i n a r yt e s t 6 9 5 2 2r o u t i n et e s t 6 9 5 2 3r e l i a b i l i t yl i f et e s t 7 5 5 2 4p a r a m e t e rc o m p a r i s o n 7 6 5 3s u m m a r y 一7 7 c h a p t e r6 c o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o n 7 9 6 1c o n c l u s i o n 7 9 6 2e x p e c t a t i o n 7 9 r e f e e r e n c e s 8 1 a c k n o w l e d g e 8 5 v i i 第1 章绪论 1 1 国内外齿轮泵研究现状 1 1 1 齿轮泵概述 第1 章绪论 早在4 0 0 年以前就有了人类使用齿轮泵的记载，相比于其它种类泵，齿轮泵 是开发和应用最古老的一种泵，是各类液压传动系统中应用最广泛的液压动力元 件。齿轮泵从结构原理上可以分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵两个大类，其中， 外啮合齿轮泵具有结构简单、外形尺寸小、重量轻、工艺性好、制造成本低、维 护修理方便、价格便宜、使用时工作可靠、自吸能力强、耐冲击和对油液污染不 敏感等优点，因此外啮合齿轮泵广泛应用于机床、石化、轻工、冶金、矿山、建 筑、汽车、船舶、飞机、农林等各类机械的液压控制系统中【l 】。同时，与其它泵( 内 啮合齿轮泵、叶片泵和柱塞泵等) 相比，外啮合齿轮泵缺点是流量脉动大，造成液 压系统压力脉动大，噪声较大；齿轮承受非常大而且不平衡的径向液压力，轴承载 荷大，磨损严重，其额定工作压力和使用寿命的提高受到了较大的限制【2 】；在高温 条件下容积效率较低；排量不可调节。基于以上几点，在一定程度上其使用范围 受到了很大的限制。 对于外啮合齿轮泵，目前其工作压力已经有了非常大的提高，额定压力可达 到2 0 m p a ，最高工作压力也可达到2 5 m p a ；在采用双模数非对称渐开线齿形齿轮 的情况下，大大减小了压力和流量脉动，齿轮泵噪声可以降低至7 5 7 8 d b ：将外 啮合齿轮泵做成双级、多级泵和双联泵、多联泵，可以提高额定工作压力和满足 液压系统使用一个动力源获得多个油源的需要【3 】：在齿轮泵上集成换向阀、安全阀 和单路稳定分流阀等，可以简化液压系统管路，使系统更加紧凑可靠。通过以上 改进较大的弥补了齿轮泵工作压力低，流量不稳定，噪声大和不能变量等缺点， 也使其应用领域不断扩大，并在国内许多过去使用其它液压泵的设备已改用齿轮 泵，比如装载机、起重机和自卸车等。 山东大学硕士学位论文 在我国齿轮泵是最早研制和生产的液压系统元件，目前从o 5 至2 5 m p a ( 最高 工作压力可达2 5 m p a ，从3 至9 0 0 l m i n 的齿轮泵都可以生产。产品性能等各项 指标( 除使用寿命外) 均已接近或达到国外先进水平，产品结构也有了非常多的 创新。据统计，我国生产的齿轮泵系列有c b 、c b b 、c b f 、c b g 、c b g j 、c b n 、 c b q 、c b z 等二十余种。 1 1 2 外啮合齿轮泵的工作原理 外啮合齿轮泵的工作原理，如图1 1 所示。在由齿轮泵壳体( 泵体、前后盖) 构成的封闭空间里装有一对相互啮合的齿轮，并且把此封闭空间分隔为吸油腔和 压油腔。当两齿轮由原动机( 内燃机或电动机) 驱动，并按图1 1 所示方向旋转时， 齿轮两侧的油腔容积不断发生鸾化。下侧的轮齿逐渐脱开啮合，容积迅速由小变 争 大，形成了局部的真空，在大气压力作用下，油箱内油液被吸入油腔并充满齿间。 伴随着齿轮的连续转动，齿间的油液被带到上侧。而在压油腔侧，轮齿逐渐进入 啮合，齿间容积逐渐由大变小，齿间的油液不断被挤出，并从压油腔流出，如此 齿轮泵就在两个齿轮的旋转过程中实现了连续的吸油和压油工作的循环【5 】。 1 1 3 齿轮泵的分类及特点 按齿轮的啮合形式可以分为外啮合式和内啮合式，在国内外啮合齿轮泵一般 采用渐开线齿形，但也有部分外啮合齿轮泵采用圆弧齿形，内啮合齿轮泵中一般 采用渐开线齿形和摆线齿形；按齿面形式可以分为直齿齿轮式、斜齿齿轮式、人 字齿齿轮式和圆弧齿面齿轮式，其中斜齿、人字齿和圆弧齿与直齿相比较，前几 种啮合性能更优越，平稳、无冲击并且使用寿命更长1 6 】，但是如果采用的斜角过大， 会造成吸压两油腔相通，因此齿轮斜角不能很大，其对流量的波动性改善也并不 十分显著；按啮合齿轮的个数可以分为二齿轮式和多齿轮式，多齿轮可组成并联 的多个齿轮泵和串联的多个齿轮泵，分别能够达到同时独立向多个执行元件供给 压力油和使系统获得更高压力的目的。表1 1 列出了齿轮泵的分类及特点。 2 第1 章绪论 图1 1外啮合齿轮泵的工作原理 1 主动齿轮，2 从动齿轮 表1 1 齿轮泵的分类及特点 _ 一 分类 特点 复合形式 外啮合直齿 渐开线齿形 外啮合直齿 双模数非对 称渐开线齿 形 外啮合斜齿 渐开线齿形 内啮合直齿 渐开线齿形 内啮合摆线 齿形 结构简单，加工方便，成本低， 压力、流量脉动大，噪声大 压力、流量脉动比较小，噪声 也较小，制造时需使用特殊双 压力角刀具 传动平稳，压力、流量脉动较 小，噪声也较小，齿轮啮合时 产生轴向力 结构简单，加工较外啮合齿轮 泵复杂，体积小，压力、流量 脉动较小，噪声也较小 结构简单，紧凑，中高压内外 转子加工复杂，低压用粉末冶 金成形，适合大批量生产，成 本低 组合并联的多个齿轮泵 向多个执行元件供油。 组合串联的多个齿轮泵 提供更高压力。 组合正反向阀使油泵能 正反向旋转，进出油口不 变。 组合安全阀，对油泵及液 压系统都能起保护作用。 后盖上组合单路稳定分 流阀，提供一路稳定流 量，如在装载机液压系统 中，供转向或先导控制系 统，另一路可作其它用 途。 3 1 1 4 国内高压齿轮泵典型结构 外啮合高压齿轮泵是应用最广泛的一种高压齿轮泵，目前国内其设计及生产 技术也非常成熟。外啮合高压齿轮泵多采用三片式结构，采取浮动侧板轴向间隙 自动补偿措施，壳体径向采用扫膛工艺，设有平衡槽，并采用扩大高压区的方法 减小齿轮和轴承承受的径向不平衡力【7 】o 这种齿轮泵的最高工作压力可达2 5 m p a 。 但是，由于这种齿轮泵的齿数较少，导致其流量脉动较大，压力不稳，噪声大。 图1 2 是济南某公司九十年代末研制并在国内广泛应用的c b g j 系列齿轮泵是这种 结构齿轮泵的典型代表。 图l 一2c b g j 系列齿轮泵结构示意图 1 后盖，2 轴套，3 轴承，4 密封挡圈，5 密封圈，6 侧板，7 泵体，8 前盖，9 从动 齿轮，1 0 主动齿轮，1 1 油封，1 2 螺栓，1 3 螺帽 1 1 5 国内外齿轮泵研究进展 虽然从液压泵首次使用以来，齿轮泵作为液压泵的最主要型式之一，其基本 结构直至现在也几乎没有什么革命性的变化，还是由外部壳体和内装一对相互啮 合齿轮及两侧的侧板和轴套组成。但是由于齿轮泵在液压传动系统中的应用非常 广泛，还是吸引了国内外非常多的学者对其进行深入研究【7 j 。 目前，关于齿轮泵的研究主要有以下几个方面： 1 ) 齿轮泵优化设计。李志华【8 】对齿轮泵齿轮基本参数的优化设计进行了研究， 并建立了参数优化的数学模型。李和平【9 】等在外啮合齿轮泵设计过程中导入了 4 第l 苹绪论 c a x 技术，使得齿轮泵参数优化设计更加方便快捷。陈博1 0 l 等运用遗传算法对齿 轮泵结构进行优化设计，大幅减小了齿轮泵的体积和重量。 2 ) 减小困油冲击及卸荷措施。h y u n 1 对齿轮泵中流体流态、速度场、压力 场进行了分析，说明了齿轮泵确实存在困油冲击。甘学辉1 2 1 在齿轮泵的困油特性 研究中发现压缩过程对齿轮泵的性能有较大影响，而膨胀过程基本无影响。李玉 龙【1 3 l 研究建立困油模型和精确仿真困油压力时，找到了一种精确预测困油压力的 有效的方法。 3 ) 降低齿轮泵流量脉动研究。m a n r i n g 1 4 1 对主、从动齿轮具有不同齿数的异 齿数齿轮泵进行了研究，发现主动轮的齿数决定了齿轮泵的脉动特性。于达仁1 5 】 对外啮合齿轮泵流量特性进行了研究。 4 ) 齿轮泵的噪声控制技术。马云【1 6 】对齿轮泵噪声的机理分析与控制进行了 研究。f e m a n d e z 1 7 1 研究了油压分布和啮合刚度的动态特性，并得出了其对振动和 噪音影响重大。郭善新瞎】通过改变侧板卸荷槽形状，达到了降低液压冲击和噪声 的目的。 5 ) 齿轮泵的变量方法研究。由于齿轮泵的结构特点决定了齿轮泵的流量调 节是一个难题，目前还没有很好的解决方案1 9 l 。 6 ) 齿轮泵间隙及补偿优化技术。k o c 2 0 1 测量了齿轮端面与浮动侧板之问的油 膜厚度，发现造成浮动侧板倾斜的主要原因是两端轴承不同心。l e e 2 1 1 在研究噪音 在壳体、机架和连接通道辐射时发现轴承间隙和齿侧间隙对齿轮泵噪声有很大的 影响。李玉龙【2 2 l 在进行外啮合齿轮泵端面间隙研究中发现中外啮合齿轮泵的端面 间隙波动很小，在相关计算中可采用动态端面间隙的均值。 7 ) 水介质齿轮泵基础理论研究。罗骥2 3 l 对水液压内啮合齿轮泵的制造技术 进行了分析。 8 ) 齿轮泵液压力分析及高压化的方法研究。m u c c h i 2 4 1 分析了采用滑动轴承 齿轮泵轴轴承间隙、出口压力、转速和卸荷槽间距对轴心受力的影响。李玉龙2 5 1 对齿轮泵补偿面参数化设计进行了研究。范存德1 2 6 l 对齿轮泵的液压力进行了详细 的分析和研究。 山东大学坝士学位论文 从以上几方面可以看出齿轮泵液压力分析及其高压化的途径是齿轮泵研究 的一个重要方向。提高齿轮泵工作压力带来很多难以解决的问题，例如支撑轴承 寿命大大降低，齿轮泵的寿命大大缩短，内泄漏增加，容积效率也随之下降等。 产生这些问题的根本原因是作用在齿轮上的不平衡的径向液压力随工作压力提高 也越来越大。目前，针对以上问题所进行的研究有：齿轮泵的间隙补偿；减小齿 轮泵的径向液压力，如优化齿轮参数、缩小排液口尺寸等；提高轴承承载能力， 如采用复合材料滑动轴承代替滚针轴承等。但是所有这些措施并没有从根本上解 决问趔2 7 - 2 8 1 。 1 2c a d c a e 与高压齿轮泵设计 1 2 1c a d 的概念及应用 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 是一种重要的电子信息 技术，1 9 7 2 年在荷兰召开“关于c a d 原理的工作会议”上给出了其定义： c a d 是一种技术，其中人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各 自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科方法的综合性协作提供了 可能【2 9 1 。计算机辅助设计早期应用于军事用途的飞机、舰船的设计计算、绘图 和工程分析等设计工作，目前在机械产品设计中的应用也最为广泛，我们可以 应用c a d 技术对任何机械产品进行从概念设计、整体结构优化设计、详细工程 图设计、计算机仿真、辅助工艺管理和辅助制造等整个过程的设计工作 3 0 - 3 1 。 应用c a d 技术不仅仅是简单的使工程设计人员甩掉了绘图板提高了制图和设 计速度，更重要的是改变了传统的设计思想和方法，让计算机代替工程技术人 员完成烦琐的计算、绘图等繁琐的工作，使设计人员把有限的精力放到整体方 案构思、优化产品设计和提高产品的可靠性等创造性的工作中去，从而提高设 计的效率和质量，缩短产品开发周期3 2 1 。随着计算机技术的高速发展，c a d 技 术己从二维平面绘图迅速发展到三维建模，而参数化及变量化设计思想和特征 造型代表了目前c a d 技术的发展方向。在发达国家装备巨头为了更好的应用和 6 第1 覃绪论 开发各种c a d c a e c a m 技术投入了大量的人才、技术、资金，并取得了丰硕 的成果。在我国c a d 技术的应用也越来越普遍，大多数设计单位和企业把c a d 技术应用n - 维工程绘图、三维几何设计、仿真模拟、有限元分析、数控加工 和产品数据管理等整个产品设计和制造过程中【3 3 1 。 1 2 2c a e 的概念及功能 我们在设计一个产品的时候，最关心的问题就是自己设计的整个产品是否能 够满足使用要求，即是在各种工况( 机械，热或者电磁等载荷) 下能否实现设计 的意图。为了完成这项工作，以前只有通过不断的试制大量的“实物样机”，然后 根据要求进行各种测试。通过实物样机的验证工作固然可靠，可是浪费了大量的 人力、物力和时间【3 4 1 。计算机辅助工程分析( c a e ) 技术就是利用计算机强大计 算能力综合使用数值模拟部分取代实物样机的实验的方法，包括各种解决方法： 有限差分法、有限元法、边界单元法等，其中有限元法是应用最有效并且最广泛。 应用c a e 技术对产品进行工程分析，模拟各种工况和运行情况，这样在设计初期 即可以发现绝大部分缺陷，保证产品的可用性和使用的可靠性【3 5 1 。 1 2 3c a e 在高压齿轮泵设计中的应用 1 ) 在高压非对称齿轮泵设计中应用c a e 的意义 在高压齿轮泵产品的整个设计和开发过程中，对产品和零件进行工程分析是 必不可少的重要环节，比如高压齿轮泵壳体强度的工程校核计算与分析，通常包 括对零件设计的应力、应变、位移、可靠性、耐疲劳性和使用寿命进行分析p6 1 。 原来的工程分析主要是凭自己的设计经验，一般利用类比的办法进行设计和计算， 或是把设计结构进行简化，然后采用相应的计算方法完成分析、计算和验证，利 用这种办法设计出的产品，一般会走向两个极端：因为安全系数过大而造成产品 制造和使用时的严重浪费，或因安全系数不能达到要求而使产品设计失败【3 7 。而 自从应用c a e 技术以后，就可以通过数值计算对工程分析进行量化并对产品的结 构和零件进行精确优化分析。伴随着c a e 技术的高速发展，使得在产品设计时设 7 山东大学坝士学位论文 计质量越来越高，而且设计效率也得到了迅速的提高【3 8 】。 2 ) 进行计算机辅助工程分析的主要内容 对高压非对称齿轮泵的主要零件后盖体进行c a e 分析和计算，在确保产 品可靠性的前提下，节约材料，减小产品重量，降低制造成本。应用c a e 对产品 进行分析计算，研究高压非对称齿轮泵后盖体在载荷作用下产生的变形、应变、 位移对结构的影响，并对后盖体零件进行优化分析和改进。 1 3 论文主要研究的内容 1 3 1 论文来源 本论文是结合济南某公司新开发的高压非对称工程机械液压系统用齿轮泵为 研究案例。目前国内工程机械液压系统向高压力方向发展，工作压力逐步提高至 2 0 2 5 m p a ，在结合丰富的产品设计制造经验的基础上，采用计算机辅助设计和计 算机辅助工程开发了高压非对称齿轮泵。本论文主要以j h p 2 0 4 0 型高压非对称齿 轮泵设计方案为研究对象，进行了分析研究。 1 3 2 主要研究内容 1 ) 设计开发一种工程机械液压系统用高压齿轮泵，内部采用非对称结构，体 积小、抗污染、耐冲击； 2 ) 高压非对称齿轮泵结构设计和理论计算； 3 ) 利用s o l i d w o r k s 三维设计软件强大的造型功能进行齿轮泵实体造型； 4 ) 利用c o s m o s w b r k s 有限元分析软件对后盖体进行c a e 分析及优化； 5 ) 编制高压非对称齿轮泵关键零件制造工艺； 6 ) 通过样机试制验证设计、制造工艺的可行性； 7 ) 通过试验验证高压非对称齿轮泵各项技术指标。 8 第2 章高压非对称齿轮泵结构设计和理论计算 第2 章高压非对称齿轮泵结构设计和理论计算 高压齿轮泵设计工作的重点是结构设计，本章在全面研究国内外同类产品的 基础上，提出了一种新型非对称结构的齿轮泵高压非对称齿轮泵。在此基础 上对齿轮泵各部分结构进行了研究和设计，并对齿轮泵基本尺寸和各组成零件进 行了详细的设计和计算。 2 1 高压非对称齿轮泵概述 2 1 1 结构特征 目前外啮合齿轮泵典型的内部结构是将高压腔扩大至接近低压腔侧，使其在 工作的过程中只有1 2 个齿起径向和轴向密封作用，齿轮泵齿轮受力得到了很大 的改善，但是由于从动齿轮所受合力较主动齿轮大( 约1 5 ) ，所以齿轮泵的工作 压力和寿命主要受从动齿轮轴承限制【3 9 1 。高压非对称齿轮泵的内部结构特点是采 用非对称结构设计，减小了作用于齿轮泵从动齿轮轴承的径向液压力和啮合力的 合力，从而使主、从动齿轮支承轴承的负荷基本相当，平衡了整个齿轮泵的受力。 另外本齿轮泵设计时采用d u 轴承，提高了轴承的承载能力和齿轮泵的使用寿命。 如图2 1 是对称结构齿轮泵受力分析图，图2 2 是非对称结构齿轮泵受力分析图， 图2 3 是高压非对称齿轮泵爆炸视图。由受力分析图的对比可以得出以下结论：非 对称结构设计使从动齿轮所受合力小于对称结构所受合力，并且主、从齿轮所受 的合力( f ，f 2 ) 大小基本相等。 图2 1 对称结构齿轮泵受力分析图 9 山东大学硕士学位论文 寇：憋强 ff t n l 蝤 一裂 巳酗 l 1，心 n j从动齿轮 图2 2 非对称结构齿轮泵受力分析图 6 图2 3 高压非对称齿轮泵爆炸视图 l 卡簧，2 轴端轴承，3 垫板，4 油封，5 前盖，6 轴承，7 垫片，8 耳型垫片，9 耳型密封， 1 0 侧板，1 l 主动齿轮，1 2 从动齿轮，1 3 侧板组件，1 4 矩形密封圈，1 5 后盖体，1 6 螺栓 垫圈 2 1 2 结构原理 如图2 4 是高压非对称齿轮泵的结构原理图。从图中可以看出在后盖体和前 盖的内部装有主动齿轮轴和从动齿轮轴，在齿轮两侧有8 字型侧板和垫板，在侧 板背面3 字型凹槽内装有密封圈和密封挡圈，在后盖体上有与吸油口连接的低压 腔和排油口连接的高压腔。 1 0 13 图2 4 高压非对称齿轮泵的结构原理图 1 后盖体，2 密封挡圈，3 侧板，4 密封圈，5 定位垫片，6 轴承，7 主动齿轮， 8 轴端轴承，9 油封，1 0 前盖，1 l 矩形密封圈，1 2 从动齿轮，1 3 进油孔， 1 4 低压腔，1 5 出油孔，1 6 高压腔 15 6 淞n 诽 斟离带jc寸葵陆芍溯坌占苍璐卑凿瞄黔卑犍 山东大学硕士学位论文 此齿轮泵的主要特点有：后盖体的低压腔上两顶点( a b ) 中间线与主、从动齿 轮轴心连线的垂直平分线偏移一段距离，并偏向主动齿轮侧。见图2 5 是轴向压力 补偿侧板结构示意图，主动轮侧顶端d 与主动轮轴心连线0 z 与两轴心连线之间的 夹角b ，小于从动轮侧顶端c 与从动轮轴一b o ，的连线与两轴心连线之间的夹角0 【， 从而更好的平衡了侧板承受的不对称轴向液压力。 2 2 齿轮泵结构设计 2 2 1 齿轮泵径向力分析 图2 5 轴向压力补偿侧板结构示意图 要延长高压齿轮泵使用寿命最主要的是解决轴承的负载问题：一方面可以采 用使轴承能承受更大的载荷的措施，比如选用更优的轴承材料、改进轴承结构和 改善润滑等；另一方面应采用更有效的减小轴承径向力措施。因为随着径向力加 大，不但降低了轴承寿命，而且致使齿轮泵壳体和齿轮轴等的变形急剧增大，导 致严重的齿项刮壳现象，所以必须加大齿顶与壳体齿轮孔壁之间的间隙，这样做 又必然使泄漏加大，降低丁容积效率。这种矛盾在高压齿轮泵中表现的更加明显。 所以在设计高压齿轮泵的时候，应采取更为有效的措施来减小齿轮径向受力【4 们。 1 ) 合理