液压传动齿轮泵齿轮的设计与校核

齿轮泵的设计 一 齿轮泵齿轮的设计与校核 一 主要技术参数 根据任务要求 此型齿轮油泵的主要技术参数确定为 理论排量 500ml r 额定压力 2 5MPa 额定转速 413r min 容积效率 90 二 设计计算的内容 1 齿轮参数的确定及几何要素的计算 由于本设计所给的工作介质的粘度为 220 由表 1 进行插补可得此smm 2 设计最大节圆线速度为 2 6 sm 节圆线速度 V 601000 V nD 式中 D 节圆直径 mm n 转速 表 1 齿轮泵节圆极限速度和油的粘度关系 液体粘度 smm 2 124576152300520760 线速度 smu max543 732 21 61 25 流量与排量关系式为 n 00 PQ 流量 0 Q 理论排量 ml r 0 P 2 齿数 Z 的确定 应根据液压泵的设计要求从流量 压力脉动 机械效率 等各方面综合考虑 从泵的流量方面来看 在齿轮分度圆不变的情况下 齿数 越少 模数越大 泵的流量就越大 从泵的性能看 齿数减少后 对改善困油 及提高机械效率有利 但使泵的流量及压力脉动增加 目前齿轮泵的齿数 Z 一般为 6 19 对于低压齿轮泵 由于应用在机床方面 较多 要求流量脉动小 因此低压齿轮泵齿数 Z 一般为 13 19 齿数 14 17 的 低压齿轮泵 由于根切较小 一般不进行修正 3 确定齿宽 齿轮泵的流量与齿宽成正比 增加齿宽可以相应地增加流量 而齿轮与泵体及盖板间的摩擦损失及容积损失的总和与齿宽并不成比例地增加 因此 齿宽较大时 液压泵的总效率较高 一般来说 齿宽与齿顶圆尺寸之比的 选取范围为 0 2 0 8 即 8 0 2 0 B a D 2 0 m66 6 q1000 Z B Da 齿顶圆尺寸 mm 4 确定齿轮模数 对于低压齿轮泵来说 确定模数主要不是从强度方面着 眼 而是从泵的流量 压力脉动 噪声以及结构尺寸大小等方面 表 2 齿轮对比表 VZmB 转速 n齿顶圆直径比值 50013890 23477 461200 7519 50014883 79443 361280 6546 50015878 20413 801360 5750 50016873 31387 941440 5091 50017860 00365 121520 4539 50018865 17344 841600 4072 通过对不同模数 不同齿数的齿轮油泵进行方案分析 比较结果 由表 2 确定此型齿轮油泵的齿轮参数如下 1 模数8 m 2 齿数16 Z 3 齿宽74 b 4 理论中心距 mmmzDA f 128816 0 5 实际中心距 mmmzDA f 128816 0 6 齿顶圆直径 mmZmDe14421682 7 基圆直径 mmmzD nj 28 12020cos168cos 8 基圆节距 9 齿侧间隙 62 2320cos8cos nj mt 10 啮合角 20cos n 11 齿顶高 8811 mha 12 齿根高 10825 125 1 mhf 13 全齿高18825 2 25 2 mh 14 齿根圆直径 1082 hDD ei 64 0 08 0808 0 01 0 08 0 01 0 mcn 15 径向间隙 2 22 0 ie DD Amc 16 齿顶压力角 35 33 cos 2 arccos arccos n e j e z z R R 17 分度圆弧齿厚 524 12 226 12 cos22 n n f cm s 18 齿厚 566 12 2 m s 19 齿轮啮合的重叠系数 50 1 tantan e z 20 公法线跨齿数 n 按四舍五入圆整为整数 25 0 180 n Z 21 公法线长度 此处按侧隙 计算 0 n c 22 37 014 0 12 4761 1 8 20 12 5708 1 20cos znzinvnmL 图一 齿轮 5 油泵输入功率 25 9 9 060 40010500102 5 kw 10 60 66 3 kw nqp N m 式中 N 驱动功率 kw p 工作压力 MPa q 理论排量 mL r n 转速 r min 机械效率 计算时可取 0 9 m 三 校核 此设计中齿轮材料选为 40 调质后表面淬火 r C 1 使用系数表示齿轮的工作环境 主要是振动情况 对造成的影响 使 A K 用系数的确定 A K 表 3 使用系数 工作机工作特性 原动机工作 特性 均匀平稳轻微振动中等振动强烈振动 均匀平稳 1 001 251 501 75 轻微振动 1 101 351 601 85 中等振动 1 251 501 752 0 强烈振动 1 501 752 02 25 液压装置一般属于轻微振动的机械系统所以按上表中可查得可取为 A K 1 35 2 齿轮精度的确定 齿轮精度此处取 7 表 4 各种机器所用齿轮传动的精度等级范围 机器名称精度等级机器名称精度等级 汽轮机3 6拖拉机6 10 金属切削机床3 8通用减速器6 9 航空发动机4 8锻压机床6 9 轻型汽车5 8起重机7 10 载重汽车7 9农业机械8 11 3 动载系数表示由于齿轮制造及装配误差造成的不定常传动引起的动载 V K 荷或冲击造成的影响 动载系数的实用值应按实践要求确定 考虑到以上确定 的精度和轮齿速度 偏于安全考虑 此设计中取为 1 1 V K 4 齿向载荷分布系数是由于齿轮作不对称配置而添加的系数 此设计 H K 齿轮对称配置 故取 1 26 H K 5 一对相互啮合的齿轮当在啮合区有两对或以上齿同时工作时 载荷应分 配在这两对或多对齿上 但载荷的分配并不平均 因此引进齿间载荷分配系数 以解决齿间载荷分配不均的问题 对直齿轮及修形齿轮 取 1 H K H K 6 弹性系数 单位 2 2 2 1 2 1 11 1 EE ZE 2 1 a MP 表 5 弹性模量 配对齿轮材料 灰铸铁球墨铸铁铸钢锻钢夹布塑料 齿轮材料 弹性模量 206007850 锻钢 162 0181 4188 9189 8 铸钢 161 4180 5188 球墨铸铁 156 6173 9 灰铸铁 143 7 此设计中齿轮材料选为 40 调质后表面淬火 由表 5 可取 r C 8 1892 1 aE MPZ 图二 弯曲疲劳寿命系数 弯曲疲劳寿命系数 7 选取载荷系数 K 1 3 8 齿宽系数的选择 d 58 0 d b d 齿面接触疲劳强度校核 对一般的齿轮传动 因绝对尺寸 齿面粗糙度 圆周速度及润滑等对实际所 用齿轮的疲劳极限影响不大 通常不予以考虑 故只需考虑应力循环次数对疲 劳极限的影响即可 齿轮的许用应力按下式计算 S lim S 疲劳强度安全系数 对解除疲劳强度计算 由于点蚀破坏发生后只引起 噪声 振动增大 并不立即导致不能继续工作的后果 故可取 但对1SS H 于弯曲疲劳强度来说 如果一旦发生断齿 就会引起严重事故 因此在进行齿 根弯曲疲劳强度计算时取 1 5 1 25SS F 寿命系数 弯曲疲劳寿命系数查图一 循环次数 N 的计算方法 N K FN K 是 设 n 为齿轮的转速 单位是 r min j 为齿轮每转一圈 同一齿面啮合次数 为齿轮的工作寿命 单位为 h 则齿轮的工作应力循环次数 N 按下式计算 h L h njL 60N 1 设齿轮泵功率为 流量为 Q 工作压力为 P 则 w P 25 960 1010 36 w kwQPP 2 计算齿轮传递的转矩 mm75 220843 n P109 55 T W 6 N 3 513 0 128 74 d b 1 d 4 8 189 2 1 aE MPZ 5 按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限 MPa850 Hlim 6 计算循环应力次数 9 h 1032 415300821100060njL 60N 7 由机设图 P209 图 10 21 d 取接触疲劳寿命系数0 9KHN 8 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 0 1 安全系数 S 1 765MPaMPa8500 9 S K limHN H 9 计算接触疲劳强度 84 1 HHVA KKKKK N27 3067 d T2 F 1 t 齿数比 1u MPa 488 34 u 1u bd KF 2 5Z H 1 t EH 齿根弯曲强度校核 1 由机械设计 P208 图 10 20c 查得齿轮的弯曲疲劳强度极限 650MPa FE 2 由图 10 18 取弯曲疲劳寿命系数0 85KFN 3 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数则 1 4S 394 64MPa S K FEFN F 4 载荷系数 8711 1 HHVA KKKKK 5 查取齿形系数 应力校正系数46 3 YFa 45 1 YSa 6 计算齿根危险截面弯曲强度 MPa12 57 bm YYKF FaSat F F 所以 所选齿轮参数符合要求 二 卸荷槽的计算 此处按 有侧隙时的对称双矩形卸荷槽 计算 1 两卸荷槽的间距 a 89 2020cos 136 168 cos 2 2 2 2 n A zm a 2 卸荷槽最佳长度 c 的确定 40 12cos zm 1mcos 2 2 22 min A c 3 卸荷槽深度 4 688 08 0 mh 三 泵体的校核 泵体材料选择球墨铸铁 QT600 02 由机械手册查得其屈服应力为 s MPa 因为铸铁是脆性材料 因此其许用拉伸应力的值应该取为屈服极限 应力即的值应为MPa 泵体的强度计算可按厚薄壁圆筒粗略计算拉伸应力 计算公式为 MPaP RR RR s ey y 22 22 e 3 14 0 式中 泵体的外半径 mm y R 齿顶圆半径 mm e R 泵体的试验压力 MPa s p 一般取试验压力为齿轮泵最大压力的两倍 即 MPapps55 222 因为 s 代数得mm78 76Ry 考虑加工设计等其他因素 所以泵体的外半径取为 110mm 四 滑动轴承的计算 选择轴承的类型 选整体式液体静压轴承 因为此种类类型的轴承用于低速轻载 且难以形 成稳定油膜 轴承材料选择及性能 计算轴承宽度 表 6 轴承材料 材 料 类 别 牌号 名称 p M Pa v m s pv MPa m s 最高 工作 温度 轴颈 硬度 BHS N5 56521525 175 285 085 0 e pBDF 一般轴承的宽径比 B d 范围在 0 3 1 5 宽径比小 有利于提高运转稳定 性 提高端卸量以降低温度 但轴承宽度越小 轴承承载能力也随之降低 综 合考虑宽经比取 0 5 所以轴承宽度mmd B B 5 17355 0 d 计轴颈圆周速度 sm x 73 0 100060 nd V 1 按从动 齿轮所受径向力计算 两滑动轴承所受径向力之和为 式中 p 的单位为 和的单位为 MPaB e Dmm 每个轴承所受径向力为 N25 2826 2 4845 2 21 F FF 2 轴承 PV 值 铝 青 铜 ZCuAll0F e3 10 3 铝青铜s nF PV m MPa80 0 7419100 40025 2826 B19100 3 齿轮轴颈线速度 smV 18 3 100060 400152 100060 dn 4 轴承单位平均压力 比压 MPa0625 1 0175 0 152 0 25 2826 d B F p 5 选择轴瓦材料 查机械设计中表 12 2 在保证的条件下 选定轴承 pvpvvvp p 材料为 ZCuAll0Fe3 6 换算出润滑油的动力粘度 已知选用的润滑油的运动粘度 v 220cSt 取润滑油密度 3 kg900m 润滑油的动力粘度 sa198 0 1022090010v 6 6 P 7 计算相对间隙 由式 取为 0 001250001 0 10 60 400 10 60 n 9 31 9 4 9 31 9 4 8 计算直径间隙 mmd0375 0 3000125 0 9 计算承载量系数 由式 46 1 015 0 63 0198 0 2 00125 0 5 2422 2 22 B F Cp 10 计算轴承偏心率 根据的值查 机械设计 中表 12 6 经过查算求出偏心率738 0 11 计算最小油膜厚度 由式m91 4 1 2 hmin d 12 确定轴颈 轴承孔表面粗糙度十点高度 按照加工加工精度要求取轴颈表面粗糙度为 0 8 轴承孔表面粗糙度为 1 6 查机 械械设计 书中表 7 6 得轴颈 轴承孔 m8 0R 1z m6 1 2 Rz 13 计算许用油膜厚度 取安全系数 S 2 由式 mRzRzS 8 46 18 02 h 21 因 故满足工作可靠性要求 h min h 14 计算轴承与轴颈的摩擦系数 因轴承的宽径比 B d 0 5 取随宽径比变化的系数 计算摩35 0 d 5 1 B 擦系数 00858 035 000125 05 0 105 200125 0 60 4002 198 0 5 0f 6 p 15 查出润滑油流量系数 由宽径比 B d 0 5 及偏心率查 机械设计 书中图 12 16 得润738 0 滑油流量系数22 0 q Bd 16 计算润滑油温升 按润滑油密度 取比热容 表面传热系数 3 kg900m 1800CkgJc 由式 80 2 CmW s C vBd q c p f t s 365 25 63 0 00125 0 80 22 0 9001800 105 2 00125 0 00858 0 6 17 计算润滑油入口温度 由式C3175 37C 2 365 25 50 2 ti t tm 因一般取故上述入口温度适合 4035tC i 18 选择配合 根据直径间隙 按 GB T1800 3 1998 选配合 查得轴承孔mm0375 0 h7 F8 尺寸公差为mm 轴颈尺寸公差mm 074 0 020 0 35 0 025 0 35 19 求最大 最小间隙 mm020 0 mm099 0 min max 因 在 估算配合合用375mm0 0 之间与 minmax 五 轴的强度计算 轴的强度计算一般可以分为三种 1 按扭转强度或刚度计算 2 按弯矩合成刚度计算 3 精确强度校核计算 根据任务要求我们选择第一种 此法用于计算传递扭矩 不受或受较小弯矩的 轴 材料选用 40Cr MPa55 35 T 97 112A0 0 3 0 3 0 A285 0 400 9 25 A n P Ad d 轴端直径 mm T 轴所传递的扭矩 N m n P T 6 1055 9 P 轴所传递的功率 Kw n 轴的工作转速 r min 许用扭转剪应力 Mpa T 又为 考虑有两个键槽 将直径增大 则 0 A285 0 31 92 27 645 15 79175 3115 1 645 27dmin MPa