（机械电子工程专业论文）直线共轭内啮合齿轮泵特性分析与研究.pdf

硕1 j 学位论文 摘要 直线共轭内啮合齿轮泵是一种设计新颖、技术先进的液压动力元件，采用直线和直 线共轭齿廓作为对啮合齿廓。它具有结构紧凑、流量脉动和压力脉动小、工作压力高、 噪声小、自吸性能好、传动平稳、对介质污染不敏感，以及内齿圈采用动静压油膜润滑， 使得泵具有使用寿命长等优点。 本课题以型号q x 5 1 0 8 0 r 的直线共轭内啮合齿轮泵为研究对象，在已有的研究基 础上，以提高容积效率、工作压力、降低噪音及流量脉动等为目标对其啮合特性、困油 特性、静力学特性、间隙泄漏特性及动态啮合力特性等几个方面进行理论分析和基础研 究，为直线共轭内啮合齿轮泵的进一步研究提供理论基础。 直线共轭内啮合齿轮泵的齿形影响着泵的工作性能。因此，本文首先从泵的结构组 成及工作原理出发，以齿轮啮合理论和微积分几何理论为基础，分别采用“齿廓法线法 和“基于啮合角函数的齿廓求解法 推导了齿轮的齿廓方程、啮合线方程，并对两种方 法进行了比较。而且在已知齿廓方程的前提条件下推导出了齿廓的曲率半径、啮合界限 点、齿廓啮合重合度等计算公式。 其次，对于直线共轭内啮合齿轮泵而言其困油现象是噪音及振动的主要来源之一， 这里从计算的角度推导得到了该泵困油容积及困油容积变化率的方程，并通过实例计算 比较说明了直线共轭内啮合齿轮泵的困油特性。 另外，作为一对啮合传动的齿轮副，径向力是影响轴的强度和刚度的主要因素，因 此本文讨论了直线共轭内啮合齿轮泵的径向力；对传动轴的强度和刚度及轮齿的弯曲强 度进行了校核计算；为了减小内齿圈所受的径向力的作用，提出了采用静压支承的措施， 并分析了静压支承的原理及泵体内壁开设静压支承槽的角度及位置。 此外，由于直线共轭内啮合齿轮泵固定间隙结构使得其存在泄漏问题，因此本文对 其内部泄漏流量进行了数学建模并计算了泵内齿轮副间的最佳间隙值。 最后，对直线共轭内啮合齿轮泵建立了三维模型，并仿真分析了直线共轭内啮合齿 轮泵所受的动态啮合力。 关键词：直线共轭内啮合齿轮泵；困油；径向力；间隙泄漏；动态啮合力 直线共轭内哨合岗轮泵特性分析j 研究 皇曼皇皇皇皇曼曼毫曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼皇! 曼曼曼i , , 一一i i _ i ii i 篁曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鲁皇皇 a b s t r a c t s t r a i g h tl i n ec o n j u g a t e i n t e r n a lm e s h i n gg e a rp u m pi sak i n do fh y d r a u l i cp o w e r c o m p o n e n tu s i n gs t r a i g h tl i n ea n ds t r a i g h tl i n ec o n j u g a t et o o t hp r o f i l ea sap a i ro fm e s h i n g t o o t hp r o f i l e ，w h i c hi sd e s i g n e db yn o v e la n da d v a n c e dt e c h n o l o g y i th a sm a n ya d v a n t a g e s ， s u c ha sc o m p a c ts t r u c t u r e ，s m a l lf l o wp u l s a t i o na n dp r e s s u r ep u l s a t i o n , h i g hw o r k i n gp r e s s u r e ， l o wn o i s e ，g o o ds e l f - p r i m i n gp e r f o r m a n c e ，s m o o t ht r a n s m i s s i o n , n o ts e n s i t i v et om e d i u m p o l l u t i o n a l s o ，b e c a u s eo ft h ei n t e r n a lg e a rt a k e s t h eh y d r o d y n a m i ch y d r o s t a t i co i lf i l m l u b r i c a t i o n , t h ep u m pc a l lb eu s e df o rl o n gt i m e ，e t e b a s e do nt h ep r e e x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t so fq x 51 - 0 8 0 rs t r a i g h tl i n ec o n j u g a t ei n t e r n a l m e s h i n gg e a rp u m p ，t h i sp a p e r f o c u s e so ni m p r o v i n gt h ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c ya n dw o r k i n g p r e s s u r e ，r e d u c i n gt h en o i s ea n df l o wp u l s a t i o n , a n dp r o v i d i n gat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r s t r a i g h tl i n ec o n j u g a t ei n t e m a lm e s h i n gg e a rp u m p sr e s e a r c ht h r o u g ht h ea n a l y s i sa n ds t u d y o ft h ep u m p sc h a r a c t e r i s t i c si n c l u d i n gm e s h i n g ，t r a p p e do i l ，s t a t i c s ，c l e a r a n c el e a k a g ea n d d y n a m i ce n g a g e m e n tf o r c e ，e t c t h ep e c u l i a r i t yt o o t ha f f e c t st h ep e r f o r m a n c e so ft h es t r a i g h tl i n ec o n j u g a t ei n t e r n a l m e s h i n gg e a rp u m p a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e ，b a s e do ng e a rm e s h i n g t h e o r ya n dd i f f e r e n t i a lg e o m e t r yt h e o r y ，a tf i r s t ，t h i sp a p e ri n f e r r e dt h et o o t hp r o f i l ee q u a t i o n a n dm e s h i n ge q u a t i o no fp u m pu s i n g ”t o o t hp r o f i l en o r m a lm e t h o d ”a n d ”b a s e do nt h e m e s h i n ga n g l eo ft h et o o t hp r o f i l em e t h o d ”r e s p e c t i v e l y ，c o m p a r e dw i t ht h ed i f f e r e n c e s o f t h e s et w od i f f e r e n tm e t h o d s ，a n dg o tt h ef o r m u l a so fc u r v a t u r er a d i u s ，m e s h i n gb o u n d a r y p o i n ta n dc o n t a c tr a t i oo fp r o f i l e ，e t c f o ra n o t h e r , t r a p p e do i lp h e n o m e n o ni st h eo n eo fm a i ns o u r c eo fn o i s ea n dv i b r a t i o nf o r t h eg e a rp u m p t h i sp a p e rd e r i v e dt h ef o r m u l a t i o n sf o rt h et r a p p i n gv o l u m ea n dt r a p p i n g v o l u m er a t ev i e w i n go nt h ec a l c u l a t i o n , a n ds h o w e dt h ep u m pt r a p p e do i lp r o p e r t i e st h r o u g h t h ee x a m p l e s i na d d i t i o n , a sap a i ro fm e s h i n gt r a n s m i s s i o ng e a r s ，r a d i a lf o r c ei st h em a i nf a c t o rw h i c h a f f e c t st h ea x i a l ss t r e n g t ha n ds t i f f n e s s t h e r e f o r e ，t h ea r t i c l ed i s c u s s e dt h er a d i a lf o r c eo f s t r a i g h tl i n ec o n j u g a t ei n t e r n a lm e s h i n gg e a rp u m p ；c h e c k e da n dc a l c u l a t e ds t r e n g t h a n d s t i f f n e s so ft r a n s m i s s i o ns h a f ta n db e n d i n gs t r e n g t ho fg e a r s a l s o ，a c c o r d i n gt ot h ef a i l u r e f o r m so ft h ea n n u l a rg e a r ，p r o p o s e dt h es t a t i cp r e s s u r es u p p o r t i n gm e a s u r e s ，a n da n a l y z e dt h e s t a t i cp r e s s u r es u p p o r tp r i n c i p l e a sw e l la sc a l c u l a t e dt h es t a t i cp r e s s u r es u p p o r ts l o t sa n g l e a n dp o s i t i o ni nt h ea n n u l a rg e a r m o r e o v e r ，a sar e s u l to ff i x e dc l e a r a n c es t r u c t u r e ，t h eg e a rp u m pe x i s t st h ep r o b l e mo f l e a k a g e ，s ot h i sp a p e rs e tu pt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ni n t e m a ll e a k a g ef l o wo fp u m p ，a n d c a l c u l a t e dt h eb e s tc l e a r a n c ev a l u ei ng e a rp u m p i i 硕 ：学位论文 a tl a s t ，t h e3 dm o d e lf o rs t r a i g h tl i n e c o n j u g a t ei n t e m a lm e s h i n gg e a rp u m pw a s e s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r , a l s o ，t h ed y n a m i ce n g a g e m e n tf o r c eo ft h i sk i n do fp u m pw a s s i m u l a t e da n da n a l y z e d k e y w o r d s ：s t r a i g h tl i n ec o n j u g a t ei n t e r n a lm e s h i n gg e a rp u m p ；t r a p p e do i l ；r a d i a lf o r c e ； c l e a r a n c el e a k a g e ；d y n a m i ce n g a g e m e n tf o r c e i i i 直线共轭内啮合齿轮泵特性分析与研究 图1 1圆弧齿面齿轮。 插图索引 图2 1直线共轭内啮合齿轮泵结构示意图 图2 2直线共轭内啮合齿轮泵工作原理图 图2 3 一、曲几何图 图2 4 外齿轮齿廓 1 0 11 14 图2 5齿轮齿廓上c 点啮合时的关系图1 4 图2 6 图2 7 齿轮齿廓上c ，点啮合时的关系图。 基于啮合角函数的直线共轭内啮合齿轮泵齿廓方程求解图 图2 8 直线共轭内啮合齿轮泵齿廓拟合曲线 图2 9曲线的曲率定义。 图2 1 0 直线共轭内啮合齿轮泵直线齿廓上啮合极限点 图2 1 1 齿轮与齿圈的参数几何关系 1 6 2 6 图2 1 2 直线共轭内啮合齿轮泵齿轮副起始与终止啮合点2 7 图2 1 3 重合度与直线共轭内啮合齿轮泵齿轮副齿项圆半径的关系 图2 1 4 重合度与直线共轭内啮合齿轮泵齿形半角的关系 图3 1直线共轭内啮合齿轮泵困油示意图 图3 2 直线共轭内啮合齿轮泵啮合点与齿轮中心关系图 2 8 3 l 图3 2 两种内啮合齿轮泵困油容积随主动轮转角9 1 变化曲线3 4 图4 1直线共轭内啮合齿轮泵压力分区图3 7 图4 2 外齿轮圆周压力的近似分布曲线3 7 图4 - 3 外齿轮圆周压力分布曲线展开图。 图4 4 外齿轮啮合力 图4 5 直线共轭内啮合齿轮泵传动轴简化为可动铰链双支点的梁 4 1 图4 6 传动轴的受力简图4 3 图4 7 在一定压力下，传动轴最大挠度y 一随齿宽b 变化曲线。4 3 图4 8 在一定压力下，传动轴最大挠度j ，一随径向力f 一变化曲线4 4 图4 9 直线共轭内啮合齿轮泵传动轴受载产生偏转角简图4 4 图4 1 0 外齿轮轮齿危险截面位置图 i v 硕i ? 学位论文 图4 1 1 直线共轭内啮合齿轮泵内齿圈胶合失效图 图4 1 2 直线共轭内啮合齿轮泵内齿圈静压支撑原理图。 图4 1 3 内齿圈静压支承槽角度 图4 1 4 泵体内壁实际静压支承槽 4 7 4 7 4 8 图5 1外齿轮齿顶与月牙板间的泄漏 图5 2 图5 3 外齿轮端面上的微小环形面积。 内齿圈端面上的微小环形面积。 图6 1 直线共轭内啮合齿轮泵部分零件三维图 图6 2 直线共轭内啮合齿轮泵装配图 图6 3a d a m s n i e w 设计流程图 5 1 5 6 图6 4 添加约束后的直线共轭内啮合齿轮副 图6 5 直线共轭内啮合齿轮副转矩负载图 6 2 6 5 图6 6 主动轮转速为1 0 0 眦m m 时齿轮副啮合力的时域及频域图6 5 图6 7 主动轮转速为1 5 0 m m i n 时齿轮副啮合力的时域及频域图 v 直线共轭内啮合齿轮泵特性分析与研究 附表索引 表2 1直线共轭内啮合齿轮泵齿轮副几何尺寸关系图。 表2 2 直线共轭内啮合齿轮泵齿廓坐标值 表3 1内啮合齿轮泵困油容积 v i 1 3 ：! ( ) 1 1 液压泵概述 第1 章绪论 随着现代技术的发展，液压传动在越来越多的场合取代了机械传动。液压传动系 统中液压泵的作用是向液压系统提供具有一定压力和流量的油液。从能量转换角度来 看，液压泵是将原动机( 电动机或内燃机) 输出的机械能转换为工作液体压力能的能 量转换元件，即属于液压传动系统中的动力源部分。它是靠密封工作腔的容积变化进 行工作的，而它的输出流量的大小是靠密封工作腔的容积变化大小决定的，因此液压 泵也称为容积式泵。 容积式泵工作的必要条件是i l j ： ( 1 ) 结构上吸油腔和压油腔要互相隔开，并具有良好的密封性。即具备密封性 的工作腔。 ( 2 ) 由吸油腔体积扩大吸入工作液体；压油腔体积缩小排出( 相同体积的) 液 体。即液压泵靠“容积变化”进行工作( 转变成液体的压力能) 。 ( 3 ) 吸油腔扩大到极限位置( 吸满) 的空间，先要和吸油腔切断，然后在转移 到压油腔中来，以保证泵连续工作。 容积式泵的发展历史已有近一个世纪，其形式非常多，常用的类型主要有四种， 即齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵【2 】。从世界各国的应用情况来看，齿轮泵、叶片 泵、柱塞泵呈三足鼎立之势，近年来并无明显的变化。齿轮泵以其结构简单、外形尺 寸小、重量轻、自吸性能好、耐污染、工作可靠、寿命长、制造容易、便于维护修理、 成本低等优点，使其在各种工业设备、行走机械以及船舶、航空航天等机械领域得到 了较快的发展，销量呈直线上升趋势【2 卅。 1 2 齿轮泵分类 齿轮泵是利用密封在壳体内一对或一对以上相互啮合的齿轮通过油液容积变化 进行工作的，相互啮合的齿轮为齿轮泵的核心零件。根据不同标准将齿轮泵进行分类 的情况如下： 1 按齿轮啮合形式分 按齿轮啮合形式分为：外啮合式和内啮合式。 外啮合齿轮泵具有结构简单紧凑、体积小、重量轻、自吸能力强、工作可靠、耐 污染、容易加工制造、成本低等众多优点，其在工作条件恶劣的起重运输及其它工程 机械中得到了广泛的应用，使用的台件数约占液压泵总数的7 0 l 引。而外啮合齿轮泵 的缺点是流量脉动和困油现象比较突出，噪声高，随着压力的提高其间隙泄漏剧增， 容积效率下降，而且泵工作时齿轮承受不平衡的径向作用力，轴承磨损比较严重等。 直线弛轭内齿仑齿轮泵特性分析j 研究 同外啮合齿轮泵相比，内啮合齿轮泵主要有以下优点： ( 1 ) 中心距较小。由于内啮合齿轮泵的外齿轮安置在内齿轮内部，所以两齿轮的 中心均在啮合节点的同侧。因此，内啮合齿轮泵结构紧凑、尺寸小，相应的重量轻， 使用材料少。 ( 2 ) 内啮合齿轮泵的两齿轮回转方向相同，相对角速度较小，所以两齿廓间的相 对滑动速度小于外啮合齿廓间的相对滑动速度。因此内啮合齿轮泵的磨损较轻微，使 用寿命较长。 ( 3 ) 齿面接触和重合度大。不像外啮合齿轮泵那样作凸面与凸面相啮合，而内啮 合齿轮泵是凸面和凹面相啮合，综合曲率半径大，因此齿面间的接触应力小。同时由 于重合度大，传动比较平稳。 ( 4 ) 由于内齿轮齿根厚度较大，所以弯曲强度也比外齿轮的高。 ( 5 ) 流量脉动和压力脉动较小，噪声较低，高转速下可获得较高的容积效率。 内啮合齿轮泵的不足之处是加工和制造比较复杂，精度要求较高，且泵运转时齿 轮同样承受不平衡径向作用力。 2 按齿面形式分 按齿面形式分为：直齿齿轮式、斜齿齿轮式、人 字齿齿轮式、圆弧齿面的齿轮式( 见图1 1 ) 。 与直齿齿轮泵相比较，斜齿、人字齿及圆弧齿面 的齿轮泵的啮合性能好，啮合无撞击，无困油，噪声 小，使用寿命长。但是由于斜齿、人字齿齿形的泵为 了保证高低压油腔不沟通，其轮齿倾斜的角度不能过 大，故对流量脉动的改善不是特别的明显。 3 按齿形曲线分 ，1 乡多、飞 、专 b 图1 1 圆弧齿面齿轮 l 齿间；2 _ 齿轮轴线 按齿形曲线分为：渐开线形、摆线形、圆弧形、直线共轭形。 外啮合齿轮泵中，齿轮的齿形曲线一般都采用渐开线齿形( 也有用圆弧齿形的) ； 而内啮合齿轮泵中，除了采用渐开线齿形外，还可采用摆线齿形、圆弧齿形和直线共 轭齿形。外啮合渐开线齿形结构简单、工艺性好、工作可靠，相对噪声较叶片泵、柱 塞泵大；内啮合渐开线齿形、摆线齿形、直线共轭齿形的齿轮泵相对外啮合齿轮泵噪 声低；但内啮合直线共轭齿形、内啮合摆线齿形、内啮合圆弧齿形的加工工艺要求高、 相对复杂、成本高【6 j 。 4 按级数分 按泵的级数分为：单级齿轮泵和多级齿轮泵。 多级齿轮泵是将两个或两个以上的单级齿轮泵串联( 即第一级的排油口与第二级 的吸油口连接起来、第二级的排油口与第三级的吸油口连接起来、依此类推) 形成的， 多级泵的压力等于几个单齿轮泵的压力之和，这样可使泵的压力提高，而泵的输出流 2 硕十学位论文 ! _ _ -ii, i i i 曼量 量保持不变。多级齿轮泵用于高压油路系统中，即用低压泵满足高压系统的需要。 5 按啮合齿轮的个数分 按啮合齿轮的个数分为：二齿轮式和多齿轮式。 多齿轮组成并联的多个齿轮泵，能同时向多个执行元件供给压力油；多齿轮也可 以组成串联的多个齿轮泵，以使液体获得更高的压力7 1 。 6 按压力高低分 按泵工作压力的高低分为：低压齿轮泵( 0 - 2 5 a ) 、中压齿轮泵( 2 5 8m p a ) 、 中高压齿轮泵( 8 1 6m p a ) 、高压齿轮泵( 1 6 - - 3 2m p a ) 及超高压齿轮泵( 3 2m p a ) 。 1 3 内啮合齿轮泵的研究现状 1 3 1 内啮合齿轮泵的国内外研究现状 近年来，液压传动在向高压、高速、大功率方向发展的同时噪声问题、振动问题、 液压冲击问题等也显得越来越突出，为了在提高液压系统效率的同时降低液压系统的 噪声、振动，改良工作条件，国内外学者及厂商研制了许多种高性能的液压泵。而内 啮合齿轮泵与外啮合齿轮泵相比较虽然制造工艺、结构比较复杂，但因其具有工作效 率高、结构紧凑、运转平稳、工作压力高、磨损小、抗胶合等突出的优点，世界各国 在内啮合齿轮泵技术方面的研究有了较大的突破，并开发和研制了多种新型的内啮合 齿轮泵。 在国外，德国v o i t h 公司生产的m 渐开线内啮合齿轮泵，内外转子间用活动月 牙板隔开，按出口压力分为低压泵( 1 2m p a ) 、中压泵( 2 1m p a ) 和高压泵 ( 3 2 m p a ) 三个等级，其中高压泵系列内齿环、齿轮端面都有间隙补偿。泵的机械 效率、容积效率都较高，结构复杂，排量范围3 5 2 5 0 m l r ，转速范围4 0 0 3 6 0 0 r r a i n 德国b o s c h 公司生产的内啮合齿轮泵内外转子间用活动月牙板隔开，采用轴向端面 间隙补偿，排量范围3 5 - 2 5 0 m l r ，转速范围6 0 0 3 6 0 0 r m i n ；日本丰兴株式会社生产 的t c p 内啮合齿轮泵，内转子为短幅等距外摆线，外转子为圆弧曲线，齿数比为9 ：1 l ， 且内外转子间采用固定月牙板隔开，无间隙补偿。该泵的结构简单、体积小、重量轻、 噪声低，排量5 1 2 5 m f r ，额定压力1 7 5 m p a ，转速范围6 0 0 4 0 0 0 r m i m 瑞士t r u m i n g e r 公司首创的q t 型直线共轭内啮合齿轮泵，齿数比为1 3 ：1 7 ，内外转子间用固定月牙 块隔开，无间隙补偿，其单级泵的输出压力最高可达2 5 m p a ，工作噪声最小可达5 0 d b 左右，在液压行业被称为安静泵。q t 泵可由双级、三级齿轮副串联加压，后者额定 压力可达3 0 m p a 。q t 泵也可以串成双联、三联泵，按不同的压力和排量组合成多达 1 3 0 0 多种规格。在有特殊需要的地方可与变频电机配套组成变量泵；而后瑞士 t r u m i n g e r 公司在q t 型直线共轭内啮合齿轮泵的基础上研制了结构大致相同的新型 产品q x 泵，该类泵的齿数比为1 0 ：1 3 ，因齿数比q t 泵少，与同排量的q t 泵相比 3 直线共轭内啮合齿轮泵特性分析j 研究 较，齿轮齿根加宽，承受能力提高，一级齿轮副便能承受3 2 m p a 压力，q x 泵也可串 成双联泵；另外，日本n a c h i 公司生产的i p h 内啮合齿轮泵，由于采用了轴向和径 向间隙自动补偿结构，避免了过多的流量泄漏。压油腔密封完善且紧凑，轴承受力小， 摩擦表面小，所以容积效率和总效率都很高。当排油压力为3 0 m p a 、转速为1 8 0 0 r m i n 时，容积效率可达9 6 5 ，总效率可达9 0 。持续工作压力可达3 0 m p a ，瞬时最高压 力可达3 2 m p a 以上。 目前国内主要是上海机床厂通过引进美国v i c k e r s 公司技术生产的g p a 型内 啮合齿轮泵，其内外转子均为修正渐开线齿形，且用固定月牙板隔开，无间隙补偿， 排量范围1 7 “3 m l r ，额定压力i o m p a ，转速范围5 0 0 3 0 0 0 r m i n ；宁波华液机器制 造有限公司生产的g p a 内啮合齿轮泵其工作压力也达到了3 1 5 m p a ，最高工作压力 达3 3 m p a ，现己发展成5 大系列；浙江省麦得机器有限公司生产的z c b 9 0 型圆弧内 啮合齿轮泵，在泵体内设置了油气分离器、止回阀、溢流阀、减压阀、进出口过滤器 等，该泵的转速范围6 8 0 9 8 0 r m i n ，流量4 5 9 0 l m i n ，工作压力0 18 0 3 m p a ，噪音 小于7 2 d b ；贺尔碧格( 无锡) 自动化有限公司生产的新型高压内啮合齿轮泵【8 】，因 为对浮动侧板及整体结构的独特设计，使得能实现轴向力平衡、轴向间隙补偿和径向 间隙补偿，无困油，泵的容积效率超过9 5 ，总效率超过9 0 ，该泵的持续工作压 力可达2 5 m p a ，瞬时最高压力可达3 5 m p a ，排量范围5 5 0 m 蜥：上海航空发动机制 造厂参照国外q t 泵样机设计制造了n b 系列直线共轭内啮合齿轮泵，内外转子间用 固定月牙块隔开，无间隙补偿，排量1 0 2 5 m l r ，额定压力低压6 3 m p a ，中压1 2 5 m p a ， 高压2 5 m p a ，额定转速1 5 0 0 r m i n 。现在该厂的n b 泵己形成了4 大系列、3 个压力 级别、3 6 种型号的产品，而且均已投入批量生产i 引。 1 3 2 内啮合齿轮泵的研究热点 通过大量阅读有关内啮合齿轮泵的学术论文及资料，总结出国内外有关内啮合齿 轮泵的研究热点主要集中在以下几个方面【1 0 , 1 1 】： ( 1 ) 齿轮参数的优化设计。 内啮合齿轮泵的核心零部件是一对相互啮合的齿轮，齿轮参数的设计及选取会影 响到整台泵的工作性能，进而影响液压系统的性能。因此根据不同的适用场合，即对 泵的噪音、流量脉动、压力脉动、尺寸大小等各方面的要求的不同，设计者综合考虑 各方面的因素建立了不同的数学模型。 ( 2 ) 困油现象解决方法的研究【1 2 1 。 困油使齿轮泵在工作中产生噪音、发热、容积效率降低，并影响它的工作平稳性 和使用寿命。所以，要采取一定的措施减轻它的危害，一般是在齿轮两侧轴套( 或浮 动侧板上) 开卸荷油槽( 卸压槽法) ，但是不同的齿轮泵所开的卸荷油槽结构与大小 均不同。另外，还有卸压孔法，修正齿形法，采用斜齿轮及人字齿轮等措施。 ( 3 ) 变量方法的研究。 齿轮泵不能改变排量严重限制了它的适用范围，许多学者研究的齿轮泵变量的方 4 硕f j 学位论文 法包括：改变齿轮的啮合宽度，即要轴向移动齿圈的工作位置【1 3 , 1 4 】；采用大小不 等的两个齿轮( 分别以小齿轮和大齿轮分别作为主动轮可以得到两种不同的排量) 。 ( 4 ) 齿轮轴的强度分析校核。 齿轮轴的校核计算是为了防止工作时齿轮轴产生过大的弹性变形，从而改变轮齿 沿齿宽的正常啮合位置，降低啮合精度，增加油液泄漏，并降低齿轮泵的使用寿命。 ( 5 ) 降低流量脉动的方法研究。 与叶片泵、柱塞泵相比较齿轮泵的流量脉动较大，在一些要求较高的液压系统中， 很少采用齿轮泵。关于降低齿轮泵流量脉动的方法已有很多，如合理选择齿轮的参数； 采用剖分式齿轮；采用级联齿轮泵和平衡式复合齿轮泵等。 ( 6 ) 高压化研究。 高压齿轮泵与低压齿轮泵的工作原理是相同的，但是低压齿轮泵却不能在高压情 况下使用。其原因之一是齿轮泵的端面间隙和径向间隙是定值，当泵的工作压力提高 时，齿轮泵的间隙泄漏剧增，容积效率下降。另一个突出的问题是随着工作压力的提 高，齿轮泵齿轮上的径向作用力增大，这将影响轴承的承载能力和寿命。 目前国内外学者针对以上两个问题所进行的研究是：对齿轮泵的径向间隙和端 面间隙进行补偿；为了减小泄漏提高容积效率，除了减小泄漏间隙外，还可以采取 减小泄漏间隙两端的压差；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。其中复合齿轮泵在这方面有很大的发展潜力。 ( 7 ) 提高轴承寿命措施研究。 已研究得出，提高轴承寿命的措施包括：提高轴承材料性能，改变轴承结构设 计，改善润滑，使轴承能承受更大的载荷；减小径向力；在开困油卸荷槽的同时， 还应尽可能减小齿轮的重叠系数占，以减小冲击载荷。 1 3 3 直线共轭内啮合齿轮泵的研究热点 目前，国内很多企业和学者对直线共轭内啮合齿轮泵进行了研究和优化设计，主 要集中在以下几个方面： ( 1 ) 直线共轭内啮合齿轮的加工方法研究。张延等人提出大模数内齿轮使用成 形法，而与其啮合的外齿轮根据共轭原理进行配作的加工方法【”】。 ( 2 ) 齿轮接触强度和齿圈强度的分析与研究。李凯、袁丹青等人在分析直线共 轭齿轮副受力的基础上，采用有限元法对直线共轭内啮合齿轮泵齿圈强度和接触强度 进行了研究【1 3 】。 ( 3 ) 直线共轭内啮合齿轮泵齿廓曲线与啮合线方程的推导研究。崔建昆等人根 据齿廓啮合原理，运用“齿廓法线法 推导了共轭齿廓曲线方程和啮合线方程【1 5 1 。 ( 4 ) 直线共轭内啮合齿轮泵结构及参数的优化设计研究。徐学忠等人提出了直 线共轭齿轮泵优化设计的数学模型，以流量脉动率为主要目标函数，以连续传动条件、 啮合角、不产生齿廓重迭干涉、齿顶厚和齿顶圆极限半径等为约束条件对设计参数进 行了优化设计【2 m 8 1 。 5 直线共轭内啮合衡轮泵特件分析弓研究 ( 5 ) 直线共轭内啮合齿轮泵流量特性的分析。崔建昆等人运用齿轮啮合原理对 直线共轭内啮合齿轮泵的流量脉动特性进行了研究，并推导出了流量脉动率的计算公 式 2 9 1 。 1 4 内啮合齿轮泵的发展趋势 为了适应液压传动系统向快响应、小体积、低噪声、高效率方向的发展趋势，除 了积极采取措施使齿轮泵保持其在中、低压定量系统、润滑系统等方面的主导地位外， 尚需向以下几个方向发展： 1 高压化 高压化是随着液压系统发展所要求的，也是齿轮泵与柱塞泵、叶片泵竞争所必须 解决的问题。内啮合齿轮泵的高压化已取得了较大进展，但要想进一步提高工作压力 除了对内啮合齿轮本身的结构进行优化设计外，还必须研制新型结构的内啮合齿轮 泵。这方面，多齿轮泵将有很大优势，尤其是平衡式复合齿轮泵【3 0 】。 2 低噪声 在液压系统中，齿轮泵是噪声的主要来源之一，而振动和噪声不仅有害于人类的 身心健康，同时降低了泵工作的平稳性和寿命。齿轮泵产生噪声的原因主要有以下几 个方面： 齿轮泵压力脉动和流量脉动产生噪声： 困油现象产生噪声； 空穴和空蚀产生噪声； 齿轮啮合不正确产生噪声； 泵中机械振动引起的噪声。 在降低噪声这方面，内啮合齿轮泵因其结构的独特性，今后将会有较大发展。 3 低流量脉动 齿轮泵在工作时不管是吸油腔还是压油腔的体积都会产生周期性的变化，泵的流 量也将发生周期性变化，引起油液的压力脉动，从而产生振动和噪声。内啮合齿轮泵 与外啮合齿轮泵相比较虽然在这方面有了很大的改善，但是要满足现代液压系统的高 精度要求还应该采取措施进一步降低流量脉动。 4 大排量 对于要求快速运动的系统来说，需要具备大排量的能源供应装置一液压泵。但普 通齿轮泵排量的提高受到很多因素的限制。这方面，平衡式复合齿轮泵具有显著优势， 如l 台三惰轮复合齿轮泵的排量相当于6 台单泵的排量。因此提高内啮合齿轮泵的排 量是一个很好的发展趋势。 5 变排量 6 硕f ：学位论文 齿轮泵的排量不可调节，限制了其使用范围。为了改变齿轮泵的排量，国内外学 者做了大量的研究工作，并取得了很多研究成果。有关齿轮泵变排量方面的专利已有 很多，但真正能转化为产品的很少。 1 5 本课题研究的主要内容及意义 目前，国外很多厂家已经开始批量的生产直线共轭内啮合齿轮泵，并且各项技术 都比较成熟。虽然国内很多企业和学者也对直线共轭内啮合齿轮泵的结构及参数等方 面进行了研究和优化设计，但由于其共轭齿廓曲线复杂，设计参数的选择和几何尺寸 的计算目前还没有完整的资料和规范，致使直线共轭齿轮泵的设计仍然停留在测绘、 仿制阶段。因此设计制造出的产品在质量及性能方面与国外相比有很大的差距。 本课题以布赫公司生产的型号为q x 5 1 。0 8 0 r 的直线共轭内啮合齿轮泵为研究对 象，以提高其容积效率、工作压力，降低流量脉动和噪音等为目标对其啮合特性、困 油特性、静力学特性、间隙泄漏及动态啮合力变化特性等方面进行理论分析和基础研 究。论文主要工作如下： ( 1 ) 从研究直线共轭内啮合齿轮泵的结构及工作原理出发，根据齿轮空间啮合基 本原理及数值计算方法，分别采用“齿廓法线法”和“基于啮合角函数的齿廓求解法 两种方法分别推导直线共轭内啮合齿轮泵中的齿轮副的齿廓方程、啮合线方程。并在 已知齿廓方程的前提条件下研究齿轮泵的啮合特性。 ( 2 ) 研究齿轮泵困油现象的产生机理，并推导直线共轭内啮合齿轮泵困油容积和 困油容积变化率公式，最后通过实例计算比较说明直线共轭内啮合齿轮泵的困油特 性。 ( 3 ) 首先推导作用在直线共轭内啮合齿轮上径向力的计算公式，并分析影响径向 力大小的因素，最后提出减小径向力的措施；其次，对传动轴的强度和刚度及轮齿弯 曲强度进行计算校核；最后，为了防止直线共轭内啮合齿轮泵内齿圈在较高径向液压 力作用下外壁发生胶合失效或发生齿轮折断现象，提出在泵体的内壁开设静压支承槽 使得内齿圈被支撑在油膜上，从而达到减小所受径向力的目的。并分析静压支承的原 理及优点，同时对泵体内壁静压支承槽的角度范围及位置进行设计计算。 ( 4 ) 根据流体间隙流动特性，首先在分析直线共轭内啮合齿轮泵泄漏途径的基础 上对其内部泄漏流量进行数学建模和定量分析。然后根据间隙泄漏所引起的功率损失 最小来计算泵内齿轮副端面间隙和径向间隙的最佳值。 ( 5 ) 对直线共轭内啮合齿轮泵建立三维模型并仿真分析其啮合力的动态变化。 1 6 本课题的创新点 ( 1 ) 采用“齿廓法线法 和“基于啮合角函数的齿廓求解法 两种方法分别推导 直线共轭内啮合齿轮泵齿廓方程及啮合线方程，并比较两种方法的优缺点。然后在已 7 直线共轭内啮合齿轮泵特性分析与研究 知齿廓方程的前提条件下研究齿轮泵齿廓啮合的特性。 ( 2 ) 采用扫过面积法，以主动轮的转角为变量，建立直线共轭内啮合齿轮泵的困 油容积和困油容积变化率的理论公式，并通过实例说明直线共轭内啮合齿轮泵的困油 特性。 ( 3 ) 在分析计算直线共轭内啮合齿轮泵所受径向力的基础上，为了防止直线共 轭内啮合齿轮泵的内齿圈在较高径向力作用下外壁与壳体内壁接触发生胶合失效或 产生断齿现象，对内齿圈提出采用静压支承的措施，并分析说明静压支承的原理、优 点，同时设计计算壳体内壁静压支承槽的角度范围及位置。 ( 4 ) 建立直线共轭内啮合齿轮泵间隙泄漏流量的数学模型，并以间隙泄漏损失和 油液摩擦损失最小为目标推导泵的最佳径向间隙值和轴向间隙值。 ( 5 ) 运用p r o e 软件建立直线共轭内啮合齿轮泵的三维模型，然后采用a d a m s 运动仿真软件仿真计算直线共轭内啮合齿轮副的动态啮合力大小并分析其变化特性。 8 硕士学位论文 第2 章直线共轭内啮合齿轮泵 几何计算与啮合特性 直线共轭内啮合齿轮泵与渐开线内啮合齿轮泵相比较，具有结构紧凑、零件少、 流量和压力脉动小、噪声低、自吸性能好、传动平稳、对介质污染敏感性小、使用寿 命长、及适应于调整高速等优点。但是由于直线共轭齿廓曲线比渐开线齿廓曲线方程 复杂，因此齿轮的加工工艺复杂，制造成本高，给直线共轭内啮合齿轮泵的设计制造 和应用带来了许多不便。 近年来，随着现代制造技术的发展，直线共轭齿廓的制造变得越来越容易，成本 也越来越低，直线共轭内啮合齿轮泵又受到了国内外学术界和工业界的重视。但是国 内有关直线共轭内啮合齿轮泵设计制造方面的研究文献和资料却很少，也没有相应的 设计规范和标准，制约了直线共轭内啮合齿轮泵的制造和推广应用。本章根据齿轮空 间啮合基本原理及数值计算方法，从建立直线共轭齿廓曲线方程为出发点，对直线共 轭内啮合齿轮泵的齿廓曲率半径、啮合线方程、啮合界限点、齿廓啮合的重合度等方 面进行研究讨论。 2 1 直线共轭内啮合齿轮泵的结构组成及工作原理 直线共轭内啮合齿轮泵的结构如图2 1 所示，主要由外齿轮、内齿圈、前泵盖、 泵体和传动轴等零部件组成。该泵的月牙板与泵体为一体，外齿轮和内齿圈在泵体内 偏心安装，且外齿轮为主动轮。 图2 1 直线共轭内啮合齿轮泵结构示意图 1 一联接键；2 一传动轴； 3 轴承压板；4 一油封；5 ，1 3 o 型密封圈；6 一滚动轴承； 7 轴承挡圈；8 前泵盖；9 一外齿轮；l o 一内齿圈；1 1 一泵体：1 2 一滑动轴承；1 4 一后泵盖 9 直线共轭内啮合齿轮泵特性分析与研究 直线共轭内啮合齿轮泵的工作原理类似于渐开线内啮合齿轮泵的工作原理，如图 2 2 所示，靠外齿轮与内齿圈作内啮合运动进行工作，其中月牙板和外壳侧壁及齿轮 啮合点沿齿宽方向的接触线将吸油腔和排油腔隔开。当电动机驱动轴使外齿轮绕圆心 d 1 按图示方向转动时，带动内齿圈绕它的中心0 2 作同方向转动，这时在吸油区附近 的封闭容积变大而形成吸油，在排油区附近的封闭容积变小而产生排油，若齿轮连续 转动，油泵便连续、周期性地进行吸、排油。 i 图2 2 直线共轭内啮合齿轮泵工作原理图 1 一外齿轮： 2 一内齿圈； 3 一月牙板；4 一吸油区；5 一齿轮旋转方向；6 一压油区 2 2 直线共轭内啮合齿轮泵齿轮副基本参数及几何尺寸 2 2 1 直线共轭内啮合齿轮泵齿轮副基本参数 在设计时，为了计算齿轮各部分的几何尺寸，首先需要确定与之相关的基本参数。 根据直线共轭内啮合齿轮的设计过程，一般将齿轮齿数z 。、z ：，模数m 、齿形半角、 齿顶高系数办：、齿根高系数砖、顶隙系数c 和分度圆齿厚系数七，作为基本参数。其 中齿顶高系数办：、齿根高系数乃、顶隙系数c 和分度圆齿厚系数七。的定义及计算与 渐开线齿轮的完全相同，这里不再一一赘述。 1 齿数选择 研究发现齿轮泵的齿数较少时，单位体积的排量较大，但流量脉动和压力脉动随 着齿数的减少而增大。相应地齿数增多可以减小泵的流量脉动和压力脉动，但是泵的 外形尺寸会增大【3 l 】。鉴于各方面的综合考虑，直线共轭内啮合齿轮泵内外齿轮齿数差 为3 4 个最为合理，且一般外齿轮的齿数z 。的取值较小。如现有的直线共轭内啮合 1 0 硕i j 学位论文 齿轮泵的齿数有z 1 = 1 0 ，z 2 = 1 3 和z 1 - - - 1 3 ，z 2 = 1 7 两组。 2 模数确定 模数是齿轮的一个最基本的参数，它的大小反映了齿的大小，当模数越大时，齿 轮会越高越厚，如果齿轮的齿数一定，则轮的径向尺寸也越大。 设计时齿轮的模数是根据齿轮的结构尺寸大小( 泵的排量大小) ，设备的功率和 传动时要求的强度计算来确定洲3 2 1 。为了便于计算，人为规定m = p 胁( p 为分度圆 齿距) ，并将计算的结果按国标渐开线圆柱齿轮模数g b l 3 5 7 8 7 圆整，且优先选 用第一系列。 3 齿形半角取值范围计算 直线共轭内啮合齿轮泵轮齿的齿形半角，是指外齿轮直线齿廓与对称中心线之 间的夹角( 如图2 3 所示) ，即齿形半角决定着直线齿轮的齿廓形状，进而影响直线 共轭齿廓的形状。由于齿轮传动必须满足重合度和不产生齿廓重叠干涉的要求，对于 每一组齿数的齿轮传动，齿形半角的取值范围将受到限制吲。 y l 厶 产、， 稠念 扒儿l 勋 按 、 慕詈n ， 呱 蚁剿 、 7 、 - ，一 b ) m i n 几何图 图2 3 。、m i n 几何图 已知齿轮的模数和齿数，由图2 3 a 可知，齿轮的节点p 是固定不变的，当齿轮 的齿形半角增大时，齿轮的齿根圆减小。因此齿形半角达到最大值一时，齿轮 的齿根圆将消失，故齿形半角应小于一，根据图2 3 a 可得： l h2 ，1