工程硕士学位论文-高档数控机床多回路齿轮泵逆向工程.doc

分类号： TH325 学校代号：10150UDC： 密级： 秘密 学 号：G2006031工程硕士学位论文高档数控机床多回路齿轮泵逆向工程Reverse-engineering of Multi-gear Pump in High level NC学生姓名：校内导师及职称：企业导师及职称：工程领域：机械工程研究方向：反求工程申请学位：工程硕士论文答辩日期：2010年06月04日学位授予单位：大连交通大学摘要摘 要在大型和高精密数控机床导轨润滑系统中，流体静压润滑系统可以通过静压支承来消除机床导轨的爬行问题、保证机床导轨耐久性和安全性等，从而提高数控机床的加工精度。齿轮泵的主要特点是结构简单、体积小、重量轻、自吸性能好、转速范围大、不容易咬死、对污染不敏感、使用可靠、寿命较长、便于维修、成本低，齿轮泵在高速、低速甚至手摇时，都能可靠地进行抽吸液体，因此它广泛应用于各大行业，特别是输送粘度较大的液体，例如高粘度聚合物、润滑油、燃烧油等。本文通过反求工程对多齿轮泵进行逆向设计，目标是研发出具有自主知识产权的多齿轮泵。首先对物理样机进行几何反求，运用三坐标测量机等工具进行测量，得到物理样机的几何数据并进行整理分析；然后运用PRO/E三维造型软件实现模型重构，得到初步的二维工程图并进行精度分析，接着进一步完善三维模型与工程图，通过这些工作能够清楚的得到多齿轮泵的工作机理及设计思想；最后运用流体动力分析软件FLUENT对虚拟样机进行性能仿真分析，建立多齿轮泵性能与泵体、油路几何参数之间的关系，为多齿轮泵的工艺研究提供理论基础和技术支持。最后通过对各关键件所用的材料、结构工艺性、技术要求工艺性、划分加工顺序和加工阶段的分析，制定出先进的工艺卡片和工序卡片。为了保证配合面之间的配合质量和接触质量，还对关键件进行了基于Pro/ENGINEE虚拟装配验证，并提出了装配中应注意的一些方法用于帮助实际装配中以提高装配效率。关键词：逆向工程；多齿轮泵；性能仿真；工艺研究IAbstractIn guide rail lubrication system of large-scale and high precise numerically-controlled machine tool, the hydrostatic pressure lubrication system eliminates the machine tool guide rails crawling question, and guarantees the durability and security of the machine tool guide rail through the static pressure supporting, thus increases numerically-controlled machine tools working accuracy. The main characteristics of the gear pump is simple structure, small size, light weight, good self- absorption performance, big speed range, not easy to scuffing, not sensitive to pollution, reliable use, long life, easy maintenance, low cost, and the gear pump in high-speed, low-speed and even hand cranking, can pump the liquid reliably, so it is widely used in many industries, particularly the transportation of big viscosity liquid, such as high viscosity polymers, lubricating oil, firing oil.The multi-gear pump is the new hydraulic pump which is researched and developed on the ordinary gear pumps foundation, and can resolve the shortcomings of the ordinary gear pump and realize the multi-point oil supplyevenly. Therefore the multi-gear pump is used in NC machine tools supporting hydrostatic guideway wildly. At present, overseas have already manufactured the multi-gear pumps successfully, but the multi-gear pump used in the large-scale precise NC machine tool mainly depends upon the import in our country. The price of imported product is not only high, but also it is difficult to get rid of dependence on the foreign product in technology.This dissertation carries on the reverse design to the multi-gear pump through the reverse engineering, then we can produce the multi-gear pumppossessing independent intellectual property.First, carries on geometric reverse seeking of the physical prototype, and then gets geometric data; then, realizes 3D model reconstruction with PRO/E, and obtains the working mechanism and the design concept of the multi-gear pump through these works. Finally, carries on the simulation analysis of performance tovirtual prototype with FLUENT, and then establishes the relationship between performance of the multi-gear pump and the pump body, and the oil circuit geometric parameter, providing the theoretical basis and the technical support for the multi-gear pumps process analysis.Key Words：Reverse Engineering；Multi-gear Pump；Performance Simulation ；Process Analysis83目录目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 逆向工程概述11.1.1 逆向工程的基本概念与关键技术11.1.2 逆向工程的应用领域21.2 多齿轮泵简介31.2.1 多齿轮泵的基本工作原理31.2.2 多齿轮泵国内外研究现状41.3 本课题研究的背景和意义41.4 本论文主要的研究内容4本章小结5第二章 逆向工程中的数据测量与处理62.1 多齿轮泵样机简介62.2 测量前的准备工作62.2.1 测量工具介绍62.2.2 测量方法简介82.2.3 样机结构介绍82.3 测量及数据的整理112.3.1 测量对象的分析112.3.2 关键零件的测量及数据整理122.4 多齿轮泵样机精度设计162.4.1 逆向工程中精度设计介绍162.4.2 样机零件几何精度的设计18本章小结21第三章 多齿轮泵性能仿真223.1 二维模型的建立223.1.1 绘图工具简介223.1.2 绘制二维图形223.2 三维模型重构223.2.1 建模工具简介223.2.2 建模过程的实现223.3多齿轮泵配油泵的网格划分263.3.1配油泵流场区域模型的构建263.3.2 流场区域的网格划分283.4动网格技术简介293.4.1动网格计算模型293.4.2 动网格更新方法303.4.3 UDF程序编写333.5多齿轮泵流场区域模拟343.5.1湍流模型的选择及边界条件的设定353.5.2 多齿轮泵内部流场模拟373.5.3齿数和模数的选择对于多齿轮泵的影响41本章小结46第四章 样机结构特点分析和性能参数计算474.1 结构特点分析474.2 性能参数计算504.2.1 样机的传动参数504.2.2 样机的排量和流量504.2.3 样机的静力学特性52本章小结55第五章 多齿轮泵关键件加工工艺研究565.1 工艺的基本概念565.1.1 工艺组成565.1.2 基准分类和选择565.2 零件工艺性分析与毛坯选择575.3工艺设计过程575.3.1 定位基准的选择575.3.2 表面加工方法的选择585.3.3 加工阶段划分585.3.4 加工顺序及热处理工序的安排585.4 多齿轮泵加工工艺规程制定595.5 多齿轮泵关键件加工工艺分析595.5.1 配油泵泵体595.5.2 配油盘615.5.3 配油泵外端盖：625.5.4 配油泵内端盖645.5.5 一级泵外端盖655.5.6 一级泵内端盖66本章小结68结论与展望69作者攻读硕士期间的科研成果70参考文献71致谢73第一章 绪论第一章 绪 论1.1 逆向工程概述随着信息时代的到来及全球统一市场的形成和全球经济一体化进程的加速推进，作为国民经济支柱产业的制造业，国内及国际范围内的竞争变得更加激烈。为了适应高速发展的社会，各国政府、产业界和科技界提出了各种先进的制造手段和方法，其中就包括逆向工程。长久以来，工业产品的传统开发方式均是遵循严谨的研发流程，从产品需求的构思、功能与规格预期指标的确定，进而到各个组件的设计、制造、组装、性能测试等，每个组件都保留有原始的设计图。此类开发工程通称为“顺向工程”(Forward Engineering)，它的过程是极其漫长的，很难适应现阶段高速发展的社会和满足消费者的需求1。而逆向工程能够很好的解决这个问题，采用逆向工程，不仅能够得到实物的精确数字模型和复制品，而且还可以进一步修改并生成新的数学模型和产品工程图，从而使产品的消化吸收和二次开发工作准确快捷，不但缩短了产品开发周期，而且提高了产品创新的成功率，非常适合产品生产小批量、多品种的趋势。 1.1.1 逆向工程的基本概念与关键技术 “逆向工程”（Reverse Engineering，RE）也称逆向工程。指用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法，重构实物的 CAD模型，从而实现产品设计与制造的过程。与传统设计制造方法不同，逆向工程是在设计图纸或图纸不完整而有样品的情况下，利用三维扫描测量仪，准确快速地测量样品，再根据表面数据或轮廓外形，加以点数据处理、曲面创建、三维实体模型重构，然后通过CAM系统进行数控编程，直至利用 CNC加工机床或快速成型机来制造产品2。逆向工程为制造业提供了一个全新、高效的模型重构手段，实现从实物到几何模型的直接转换逆向设计3。它为快速制造提供了很好的技术支持，并且已经成为现代产品设计中消化吸收和二次开发的重要途径之一。产品逆向工程的一般工作流程，如图1.1所示。 产品原型 功能测试 功能、原理分析 分解、数据测量 绘制草图 确定尺寸及精度 绘制工程零件图 工艺分析 审 核反求产品的技术评价 产品试制 试验 替代产品三 维 重 构绘制装配图设计思想反求精度反求材料技术条件反求图1.1逆向工程的工作流程Fig.1.1 Work flow of reverse engineering逆向工程的关键技术主要包括两方面内容: 数据采集技术和曲面重构技术4。数据采集技术也就是数字化技术：其利用三维扫描测量仪采集实物或模型表面数据；曲面重构技术是根据测量所得到的几何表面的一系列点数据，构造出型体曲线、曲面，最终重构三维模型5。整个逆向工程中，产品的三维几何模型 CAD曲面重构是最关键、最复杂的环节。因为只有获得了产品的CAD模型我们才能够在此基础上进行后续产品的加工制造、快速成型制造、虚拟仿真制造和产品的再设计等。在进行模型重建之前，设计者不仅需要了解产品的几何特征和数据的特点等前期信息，而且需要了解结构分析、加工制作模具、快速成型等后续应用的问题6。逆向工程除了以上两个关键技术外，还包括材料反求、制造精度分析等方面的技术。只有综合合理地利用这些技术，才能够实现对所需产品的逆向设计和快速制造。1.1.2 逆向工程的应用领域(1) 产品定型。当要设计需通过实验测度才能定型的工件时通常也采用逆向工程的方法。比如航天航空、机车、汽车等领域 。为了满足产品对空气动力学等的要求，首先要求在实体模型、缩小模型的基础上经过各种性能测试建立符合要求的产品模型。(2) 影视、广告业。如: 三维动画特技处理等。(3) 三维模型重构；在没有设计图纸或设计图纸不完整以及没有CAD 模型的情况下，在对零件原型进行测量的基础上形成零件设计图纸或CAD 模型，以此为依据生成数控加工的代码，加工复制出一个相同的零件。(4) 产品修复。如: 修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等，此时不需要对整个零件原型进行复制，而是借助逆向工程技术抽取零件原型的设计思路，用以指导新产品的设计。产品的修复在医学上应用也较广泛7。利用逆向工程技术对国外的先进产品进行消化、吸收，进而开发出新产品是技术进步的一个重要途径，通过这种方式进行产品设计起点高，有利于节省人力、物力，缩短产品设计周期，提高企业竞争力。1.2 多齿轮泵简介1.2.1 多齿轮泵的基本工作原理渐开线多齿轮泵实际是复合型齿轮泵中的一种。它的基本模型是由模数和齿数都相等的1个主动齿轮和 N (N2)个从动齿轮、密封块、壳体、端盖等组成，形成了N对外啮合齿轮泵。下面就以N =3的情况来分析多齿轮泵的基本工作原理，如图1.2 所示。图1.2 多齿轮泵的基本工作原理Fig.1.2 Basic working principle of multi-gear pump主动齿轮A及从动齿轮B、C、D的回转中心是固定的，当主动轮在动力机械的带动下按图示的方向旋转时，其余3个从动齿轮就会同时随之转动；此时，在相互啮合的A齿轮和B 齿轮、密封块等之间所形成的两个密封腔的容积就会发生变化，在啮合的轮齿退出啮合的腔:容积由小变大形成真空，进行吸油；在两个轮的轮齿进入啮合的腔:容积由大变小，进行排油；同理，同时在相互啮合的 A 齿轮和 C 齿轮、相互啮合的A齿轮和D齿轮之间各自所形成的两个密封腔，也分别会有一个进行吸油，一个进行排油。这样4个相同的齿轮就分别构成了 3 对普通的外啮合齿轮泵。此时将3个吸油腔同时与吸油管相连，将3个排油腔同时与排油管相连就构成了一个多齿轮的复合泵.当主动轮不断地转动时，此泵就可连续不断地吸油和排油，进行正常工作9 13。1.2.2 多齿轮泵国内外研究现状多齿轮泵由于其优良性能而得到广泛的关注和重视14，目前，国外已经研发出成熟的多齿轮泵产品。国内也曾经有机床厂家对多齿轮泵进行过研究，武汉重机公司曾经生产过多齿轮泵，但应用起来性能都达不到使用要求，只有当国外产品供应不足时才临时取代一阵；也有两家高校单位进行过多齿轮泵的研究工作，安徽理工大学由一名硕士研究生曾设计过2个惰性齿轮啮合的多齿轮泵，进行了相关的静、动态性能分析，但只处于理论研究阶段，未得到产品15；南京师范大学的许勤对多齿轮泵的结构和性能进行过分析，但未拿出实质性研究成果16。1.3 本课题研究的背景和意义机械制造业是一个国家的支柱产业，随着科学技术的发展，人们对机械产品的精度要求越来越高，于是数控机床应运而生并不断发展。静压导轨由于其高精度、高刚度、长寿命等一系列优点而得到人们的重视和广泛的应用，在大型且精度要求比较高的数控机床中，流体静压润滑系统通过静压支承消除机床导轨的爬行问题、保证机床导轨耐久性和安全性等，从而提高数控机床的加工精度。而多齿轮泵的流量不受负载影响，能够提供给各润滑点等量的油液，体积相对较小，并能达到多个泵的使用性能，非常经济实用，所以大型数控机床的静压导轨支承采用多齿轮泵是必然的发展趋势。从将来的发展趋势看，数控机床会逐步向高端化（高精密、大型化）发展，对多齿轮泵的需求量也会逐年增加，本课题的研究，将为多齿轮泵物理样机的反求设计提供技术支撑，使多齿轮泵国产化得以实施并拥有自主知识产权，该成果将在国内齿轮泵行业处于领先地位。由于国产化成本的降低，会给机床行业带来巨大的经济效益，还有其他无法估量的相关经济价值和深远的社会效益。1.4 本论文主要的研究内容本课题要通过逆向工程对SKF公司生产的20点多齿轮泵进行研究设计,主要研究内容如下所述：(1) 通过高精度坐标测量机等测量工具对进口多齿轮泵进行数字化处理，进行几何尺寸与精度反求，重构多齿轮泵的3D参数化模型为后边的仿真分析建立基础，得到多齿轮泵的二维工程图；(2) 对多齿轮泵进行理论计算，对得到与多齿轮泵性能有关的数据参数进行归纳总结，并详细介绍多齿轮泵样机的结构特点；(3) 应用Fluent 软件，对虚拟样机核心部件的二维模型进行数值模拟仿真，分析得到的计算结果，同原型机已有数据和多齿轮泵的实际工作情况进行对比，建立泵体几何参数与泵性能之间的关系；(4) 分析多齿轮泵在原理、结构及性能上改进的可能性。本章小结本章主要介绍了逆向工程的基本概念、关键技术和应用领域，同时介绍多齿轮泵的基本工作原理、优点、实用价值及其研究现状。另外，介绍了本课题研究的背景和意义，最后，确定了本论文主要的研究内容。大连交通大学工程硕士学位论文第二章 逆向工程中的数据测量与处理2.1 多齿轮泵样机简介本论文中运用逆向工程所研究的物理样机是SKF公司旗下的VOGEL 20点多齿轮泵，其外观如图2.1所示：图2.1 多齿轮泵外观Fig.2.1 Appearance of multi-gear pumpVOGEL公司是生产集中润滑系统世界著名的大型专业集团，现属SKF旗下， Vogel公司是享有75年生产各类集中润滑系统经验，现时世界上产量最大、种类最广的厂家，其产品上被广泛地用于商用汽车底盘、工程机械和工业设备上。其生产的18、20点多齿轮泵已经大批量的出口到我国，并在我国数控机床行业导轨静压支撑中被较多的使用，产品的结构和性能都有很好的保证，因此被选作课题逆向设计的物理样机。2.2 测量前的准备工作2.2.1 测量工具介绍数据采集技术是逆向工程的关键技术之一，所采集数据的好坏直接影响逆向工程的质量和实现。因此，在这里先介绍一下要用的测量工具，为数据测量采集打好基础，以便提高测量效率和得到准确的数据。本论文测量所用的主要工具有：直尺、游标卡尺、大型工具显微镜(JGX-2)和三坐标测量机；另外还需要一些辅助工具来探明多齿轮泵的结构，如细铁丝等。(1) 直尺主要用来测量多齿轮泵的外部轴向尺寸，如总体长度等；(2) 游标卡尺主要用来测量外径、内径、凸台的高度和凹面的深度等；(3) 大型工具显微镜(JGX-2)，采用光栅尺作为长度测量传感器，测量值采用数字显示，具有较高的测量精度和操作效率。如图2.2所示：图2.2 大型工具显微镜Fig.2.2 Large-size tool microscope(4) 三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine, CMM)是指在一个六面体的空间范围内，能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器，又称为三坐标测量仪或三次元。如图2.3所示：图2.3 三坐标测量机Fig.2.3 Coordinate measuring machine2.2.2 测量方法简介逆向工程测量（即对被测实体轮廓信息进行数字化）是逆向工程（RE）技术的第一步，也是十分重要的步骤之一。测量方法的好坏直接影响到对被测实体进行描述的精确、完整程度，进而影响到重构的CAD 曲面、实体模型的质量，并最终影响到快速成形制造出来的产品是否能真实地反映原始的实体模型17。因此，只有快速准确完整地获取三维物体的数字化几何信息，才能为后续的数据处理以及加工打下坚实的基础。测量系统与被测物体之间，不外乎光、机、电、声、磁等方式，由此衍生出了多种测量方式，常见的测量方法主要分接触式和非接触式两大类，在非接触式中又分为破坏性方法和非破坏性方法等18。(1) 三坐标机测量法：属于接触式，适用于测量实体外部的几何形状，广泛应用于制造、电子、汽车、航空航天等领域。它不仅用于对零件或部件 (包括齿轮、螺纹等) 的尺寸、形状及相互位置进行检测，还可以用于划线、定中心孔、光刻集成线路等。采用该方法可以达到很高的测量精度，但测量速度很慢，并易于损伤探头或划伤被测实体表面，而且价格较高，对使用环境也有一定要求。采用这种方法会使测量周期大大延长，从而不能充分发挥快速成形技术“快速”的优越性。一般来说，三坐标机测量法又有两种不同的测量方式：点对点测量和截面扫描。(2) 投影光栅法：属于非接触式，其基本原理是把光栅投影到被测实体的表面上，光栅影线受到被测实体表面高度的调制而发生变形，然后通过解调变形的光栅影线，得到被测实体表面的高度信息。2.2.3 样机结构介绍样机如图所示：图2.4 多齿轮泵主体部分Fig.2.4 Main part of multi-gear pump (1) 联结部件，如图2.5所示。所包括的零件由上至下依次命名为：法兰盘，泵支架，联轴器内齿轮，锁紧螺钉。该部件的主要作用是将电机的旋转动力输出到下一级工作单位，以及联结多齿轮泵主体部分和电机。法兰盘泵支架联轴器内齿轮锁紧螺钉图2.5 联结部件Fig.2.5 Connection parts一级泵输入齿轮轴一级泵内端盘一级泵泵体一级泵齿轮一级泵外端盘一级泵输出齿轮轴(2) 一级泵（或者称为前置泵），如图2.6所示。一级泵所包括的零件由上至下依次命名为：一级泵输入齿轮轴和一级泵内端盘，一级泵泵体，一级泵齿轮，一级泵外端盘，一级泵输出齿轮轴。一级泵是一个普通的外啮合圆柱齿轮泵（两个齿轮齿数不相同），其主要作用是为配油泵提供有一定压力的工作油液，这主要是因为配油泵的自吸能力较弱；另外一级泵还能够起到减速的作用。图2.6 一级泵Fig.2.6 First grade pump(3) 减速器，如图2.7所示。减速器所包括的零件由上至下依次命名为:减速齿轮，减速器壳体（另外还有减速器输入轴与一级泵输出轴为同一零件）。减速器能够进一步降低电机输出的转速；同时还将一级泵和配油泵联结在一起。减速齿轮减速器壳体图2.7 减速器Fig.2.7 Reducer(4) 配油泵，如图2.8所示。配油泵输入轴配油泵内端盘配油泵泵体配油泵中心齿轮配油泵卫星齿轮配油盘配油泵外端盘端盖图2.8 配油泵Fig.2.8 Oil distribution pump配油泵是多齿轮泵的核心部件，多齿轮泵的工作性能和优点都由它来实现。下面就来重点介绍配油泵。如图2.8所示，配油泵包括的零件由上至下依次为： 配油泵输入轴，它与减速器齿轮相联结，通过平键实现圆周定位，用挡圈实现轴向定位，其转速与减速器输出转速一致。并具有轴向中心孔，分析可知为自润滑油路的一部分； 配油泵内端盘，其外观结构相对比较简单，但内部结构复杂，包括10个配油泵卫星轮定位孔、10个出油口、10个卸荷槽以及10个自润滑油路孔，它们均匀分布并且一一相对； 配油泵泵体，配油泵有两个泵体，其内部轮廓复杂，具有定位孔，安装时相差一个相位角与相对应的端盘一致； 配油泵中心轮，配油泵有两个完全一样的中心轮，它们圆周上的定位都是通过平键实现的，其中一个通过挡圈实现轴向定位，另一个通过端盘和配油盘实现； 配油泵卫星轮，共有20个卫星轮，每10个卫星轮和1个中心轮在一个泵体里啮合实现多齿轮泵的功能，这样就可以实现20点供油； 配油盘，配油盘上有10个轴向孔和10个径向孔，它们一一相对，然后把工作液同时分配给20个进油口； 配油泵外端盘，它与配油泵内端盘结构基本相似，可与泵体、中心轮、卫星轮及配油盘实现10点供油。另外，还有一个配油泵工作液的进孔； 配油泵端盖，具有进油口，与一级泵出油口通过外接油管相连。该进油口与配油泵外端盘的工作液进孔相连通；除了以上的主要零部件外，多齿轮泵还拥有一些起辅助作用的零件，下面分别对它们做以简单介绍：轴，用于传递动力和连接零件；平键，共有四个，主要作用是实现齿轮在圆周上的定位，并能够传递扭矩；挡圈，共有六个，主要作用是实现齿轮轴向定位；螺钉，若干组，主要起到联结作用，用作各零件和各部件之间的联结；密封O圈，共有五个，主要在部件联结时起到密封的作用。2.3 测量及数据的整理2.3.1 测量对象的分析由标准DIN 867:1986可知对于标准齿高的圆柱渐开线齿轮，其基本齿廓主要参数与ISO R531974基本一致，所以多齿轮泵物理样机为公制。通过前面的准备工作可知，该齿轮泵的零件（即测量对象）多为规则的旋转体和易测的凹凸特征，并且尺寸都较小，因此，用常规的测量工具便可以得到多数的尺寸数据；另外，组成部件的零件相互联结，因此，很多尺寸都是相同或相关的，所以不必测量每个零件的每个尺寸，这些尺寸不仅包括形状尺寸，而且包括位置尺寸。具体情况如下：(1) 配油泵是多齿轮泵的主要部分，包含了多齿轮泵的多数和核心零部件。首先，通过测量计算卫星轮的尺寸，可以计算出中心轮的外形尺寸；其次，需要测量一个端盘上的进油孔、卫星轮定位孔和卸荷槽的形状尺寸及其位置尺寸；然后，可以得到泵体的内轮廓形状尺寸，配油盘上出油孔和定位孔的位置尺寸；最后，端盘、泵体和配油盘的直径相同，且连接孔的位置尺寸相同。(2) 减速器壳体尺寸简单易测，其齿轮尺寸容易计算测量得到。 (3) 一级泵零件的测量方法和配油泵的基本相同，测得两啮合齿轮的尺寸后，便可得到端盘上定位孔的位置尺寸及泵体的内轮廓形状尺寸。(4) 其他零件的尺寸，如：平键、挡圈、螺钉和密封圈，可以通过测量和查阅标准相结合的方法得到。2.3.2 关键零件的测量及数据整理由于多齿轮泵样机包括许多零部件，论文中仅对关键零件尺寸的测量及数据整理进行描述。(1) 多齿轮泵核心的零件就是齿轮，首先对所有的齿轮进行测量计算。齿轮泵包括的齿轮如表2.1所示。表2.1 多齿轮泵包括的齿轮Table 2.1 Gear of the multi-gear pump名称卫星轮中心轮减速器齿轮减速器输入齿轮一级泵齿轮一级泵输入齿轮数量(个)2021111齿数(z)1611951195119各齿轮的啮合关系为：一级泵输入齿轮与一级泵齿轮啮合，一级泵输出齿轮与减速器齿轮啮合，配油泵中心轮和卫星轮啮合；由样机和表2.1可知，输入输出齿轮相同，一级泵齿轮和减速器齿轮相同，因此，可分两组啮合齿轮进行测量计算： 配油泵中心轮和卫星轮 卫星轮的齿数z =16，而齿轮不产生根切的最少齿数为20： (2.1)当、时，。一般情况下，当齿数小于17时，齿轮需要进行变位修正，但是卫星轮属于微型齿轮，且齿数非常接近17，故不需要修正。由标准DIN 867:1986，确定卫星轮为标准渐开线齿轮，压力角为：，齿顶高系数为：，顶隙系数选为：。由于测量工具有限，用游标卡尺测得卫星轮的齿顶圆直径约为：mm，由齿顶圆直径公式： (2.2) 计算得卫星轮的模数为：mm，是卫星轮模数的大约值。：表2.2 标准模数系列表(GB/T1357-87) mmTable 2.2 Series of standard modulus第一系列0.10.120.150.20.250.30.40.50.60.811.251.522.5345681012162025324050第二系列0.350.70.91.752.252.753.5(3.25)4.55.5(6.5)79(11)141822283645注：选用模数时，应优先采用第一系列，其次是第二系列，括号内的模数尽可能不用。由表2.2选卫星轮模数的精确值为：mm，则可知与其啮合的中心轮模数也为：mm。由齿顶圆直径公式(2.2)，分度圆直径公式(2.3)，齿根圆直径公式(2.4)和标准中心距公式(2.5)： (2.3) (2.4) (2.5)可计算得配油泵卫星轮和中心轮的尺寸参数，如表2.3所示。表2.3 卫星轮和中心轮的尺寸参数Table 2.3 Size parameter of satellite gear and center gear齿顶圆直径(mm)分度圆直径(mm)齿根圆直径(mm)中心距(mm)模数(mm)齿顶高系数压力角顶隙系数卫星轮7.26.45.4270.410.25中心轮48.447.646.6通过以上测量及分析计算，得到了配油泵卫星轮和中心轮的几何尺寸和五个基本参数，为接着的测量和分析计算提供支持。 一级泵输出齿轮和减速器齿轮 首先，用游标卡尺测得一级泵输出齿轮齿顶圆直径约为：mm；然后由公式(2.2)计算得输出齿轮的模数约为：mm；最后，查表2.2，可选输出齿轮的模数为：mm，则与其啮合的减速器齿轮的模数为：mm。输出齿轮的压力角、齿顶高系数和顶隙系数选取标准值，则由公式(2.2) (2.5)，可计算得一级泵输出齿轮和减速器齿轮的尺寸参数，如表2.4所示。表2.4 输出齿轮和减速器齿轮的尺寸参数Table 2.4 Size parameter of output gear and reducer gear齿顶圆直径(mm)分度圆直径(mm)齿根圆直径(mm)中心距(mm)模数(mm)齿顶高系数压力角顶隙系数输出齿轮211916.535110.25减速器齿轮535148.5(2) 配油泵内外端盘是多齿轮泵中结构特征最复杂的零件，同时也是实现多齿轮泵功能的关键零件。因为内、外端盘结构相似，本文只对内端盘的分析测量计算进行描述。定位孔和出油孔直径很小，不能用游标卡尺较精确的测量，但分析可知，定位孔直径与卫星轮小轴直径相同，通过游标卡尺测量小轴的直径得定位孔直径为：3mm，定位孔距内端面中心的距离即为卫星轮与中心轮的中心距：27mm。由大型工具显微镜(JGX-2)测得出油孔直径为：2.3mm，距内端面中心的距离为：25mm，计算可得出油孔与定位孔之间夹角为：。此外，小轴润滑孔是斜孔，一端与定位孔相连，且两孔心重合；一端通过内端盘外端面，可测得其直径为：2mm，距外端面中心的距离为：27.5mm。卸荷槽的几何尺寸可由已知数据计算得到21 22。需要的尺寸，如图2.9所示：卸荷槽直径，距中心线O1O2的距离，易知卸荷槽中心应在过节点中心线的法线上。图2.9 配油泵的卸荷槽简图Fig.2.9 Unloading groove diagram of oil distribution pump在计算卸荷槽的形状位置尺寸前，先由式(2.6)计算配油泵齿轮泵啮合的重合度： (2.6)式中：、卫星轮和中心轮的齿数； 啮合角；按标准中心距安装时，； 、卫星轮和中心轮的齿顶圆压力角，。计算得：=1.65。而、可由式(2.7)、(2.8)和(2.9)计算得到： (2.7) (2.8) (2.9)式中：、中心轮的节圆半径和齿根圆半径； 齿轮基节，； 模数； 两齿轮中心距； 刀具压力角，取。则计算得：=1mm，=0.7mm。卸荷槽深度，由选取为：1mm。 由样机可知，十组一一对应的定位孔、出油孔、卸荷槽和润滑孔在内端盘上均布，内端盘的其他尺寸可以通过游标卡尺测量得到。同理，可以得到外端盘的几何和位置尺寸。另外，一级泵外端盘和泵体，其复杂程度及结构和配油泵相似，可通过以上的方法步骤得到结果。2.4 多齿轮泵样机精度设计2.4.1 逆向工程中精度设计介绍精度设计是逆向工程中的一项重要内容，几何精度不仅影响产品的性能，也影响产品的生产成本和加工工艺过程，合理的精度设计是产品反求设计成功的关键之一。 (1) 几何精度设计的特点在进行实物测量反求时，选取的实物件仅仅是产品原件的一个样本，由于原件产品在设计制造过程中存在制造误差，在实物测量时存在测量误差，反求得到的实物模型的几何尺寸参数必然和原始设计参数之间存在偏差。因此，通过测量，只能得到零件的实际加工尺寸，而不能获得几何精度的分配23。精度设计之后必须进行各种因素的校验，必要时适当修正各公差，使其相互协调。随着计算机技术的发展，可以利用工程数据库、专家系统、人工神经网络及遗传算法等先进技术将精度设计的计算方法、查阅标准表格法、试验法等有效地集成起来，以使已有的成功经验能被迅速、方便地继承24 25。(2) 几何精度设计的基本原则 基准统一原则各种基准原则上应该统一，如设计时应选择装配基准为设计基准；加工时应选择设计基准为工艺基准；测量时测量基准应按测量目的来选定，中间(工艺) 测量应选工艺基准为测量基准，终结(验收) 测量应选择装配基准为测量基准。 传动链、测量链或尺寸链最短原则在一台设备中，传动链、测量链或尺寸链环节的构件数目应最少。 变形最小原则在几何精度设计时，应力求由于重力、内应力及热变形等影响所引起的变形为最小。 精度匹配原则在对产品进行总体精度分析的基础上，根据产品中各部分各环节对整机精度影响程度的不同和现实可能，分别对各部分各环节提出不同精度要求并进行恰当的精度分配。 经济原则经济原则是精度设计要遵守的一个基本而重要的原则。一般可以从工艺性、合理的精度要求、合理选材、合理调整环节以及提高整机使用寿命等五个方面来考虑。(3) 几何精度设计的实施逆向工程中几何精度设计包括配合公差的反求设计、形位公差的反求设计和表面粗糙度的确定26。 基本尺寸的确定实测尺寸是反求基本尺寸和公差的主要依据。对于基本尺寸来说，设计时一般将其取为标准尺寸或整数尺寸，可取最靠近实测尺寸的标准尺寸或整数尺寸作为基本尺寸。零件的实测尺寸一般不等于原始设计的基本尺寸，实测值与基本尺寸的关系如下: 实测值= 基本尺寸制造误差测量误差磨损误差计算误差。其中，制造误差可以通过小子样分析，判断实物参数的分布特征，进行参数点估计，得到实物参数的统计量；测量误差可以通过改进测量方法而满足实际精度的需要；磨损误差可以按照经验依据磨损曲线确定磨损量；计算误差可以通过对所用数学方法、程序算法等的合理选择来保证。如果忽略磨损误差、计算误差的影响；假设所测零件均为合格件，则实测值一定在原设计的极限尺寸之间。工程实际中，通常根据概率统计原理，认为零件尺寸的制造误差与测量误差的概率分布服从正态分布规律，即尺寸误差位于公差中值的概率最大，于是可以假设实测尺寸为基本尺寸与公差中值之和。如果这个尺寸是配合尺寸，则相配合孔轴的基本尺寸取为相同，并按最接近原则取值，对于孔轴配合而言，在明确基准制后，孔或轴的基本尺寸应满足下列不等式:基孔制:孔的基本尺寸孔的实测尺寸，轴的基本尺寸轴的实测尺寸，孔的基本尺寸轴的实测尺寸，基本尺寸 轴的实测值轴IT 11 级公差值的一半。在处理基本尺寸小数点后面两位的尾数时，一般可以采用如下规则:优先数系的值、优先数系的圆整数。 尺寸公差的确定在基本尺寸确定之后，可以求得其与实测尺寸的最大差值。根据基本尺寸，选择配合精度，按差值小于或等于所对应公差值一半的原则，最后确定出公差的精度等级和对应的公差值。此外，图样上所有的尺寸原则上都应受到一定公差的约束。为了简化制图，节省设计时间，简化产品的检验要求，对不重要的尺寸，非配合的尺寸以及工艺方法可保证的尺寸，为了保证使用要求，避免在生产中引起不必要的纠纷，国家标准(GB/T 1804-92)对一般公差、线性尺寸的未注公差做了明确规定。一般公差是指在车间一般加工条件下可以保证的公差。它是机床设备在正常维护和操作情况下，可以达到的经济加工精度。它主要用于较低精度的非配合尺寸。采用一般公差的尺寸，在该尺寸后不标注极限偏差或其它代号(故称未注公差)。而且在正常情况下，一般可以不检验27。 形位公差的确定零件的几何形状及位置精度对机械产品的性能有很大影响，根据对零件的实测结果选择形位公差时，应考虑以下原则:确定同一要素上的形位公差时，形状公差值应小于位置公差值；圆柱类零件的形状公差值(轴线的直线度除外)，在一般情况下应小于其尺寸公差值；形位公差值与尺寸公差值相适应；形位公差值与表面粗糙度相适应。如表面粗糙度很大的要素，一般无形位公差要求。选择形位公差时，要考虑到加工方法，以便根据零件装夹及加工情况提出不同的形位公差要求。依据上述几个原则，最后根据零件的功能、实测结果、加工方法，参照国家标准，选择出合理的形位公差。 表面粗糙度的确定通常零件的表面粗糙度可以用粗糙度检测仪较准确地测量出来，再根据零件的功能、实测值、加工方法，参照国家标准，选择出合理的表面粗糙度。 精度设计结果的校验与确认由于在几何精度反求设计过程中，数据及计算模型的模糊性决定了设计所得参数永远是全局较优或局部优化解，而不可能是全局最优解，因此对上面得到的精度设计结果应进行模糊综合评判。此外，对设计结果还必须进行各种校验，包括基本偏差、结构工艺性、参数标准化、系列化等28。2.4.2 样机零件几何精度的设计运用前一节的方法，可以得到大多数所需的尺寸公差数据，本节将举例介绍一些尺寸公差测量计算。其余的将在工程图中体现出来。(1) 图2.10为多齿轮泵端盖的草图，下面根据几何精度设计的实施来确定其基本尺寸及公差。图2.10 多齿轮泵端盖的草图Fig.2.10 End covers sketch of multi-gear pump 测量计算的结果如表2.5所示表2.5 端盖的几何精度 (mm)Table 2.5 Geometric accuracy of end cover (mm)abcdefhk实测尺寸60.0315.054.9925.8519.9416.862.541.55基本尺寸601552620172.51.5公差等级IT9IT11IT9IT13IT11IT14IT12IT12公差值0.0740.110.030.330.130.430.10.1(2) 图2.11为配油泵外端盘的草图，对其进行测量计算，得到如表2.6所示结果。图2.11 配油泵外端盘的草图Fig.2.11 Out