齿轮油泵安全装置设计及运动仿真

任务书设计题目：齿轮油泵安全装置设计及运动仿真1设计的主要任务及目标根据齿轮泵的工作原理，并对现有齿轮泵的安全装置进行改良设计以解决齿轮油泵困油现象，增加油泵的安全性。利用三维软件对齿轮油泵的各零件建模，并装配实现运动仿真动画。2.设计的基本要求和内容分析课题要求，查阅相关知识方面的论文，拟定开题报告；查找设计题目相关的资料；对设计中的主要参数进行计算；审核分析计算结泵；对修正后的模型进行三维建模及运动仿真并绘制齿轮油泵装配图一张A1幅面，绘制组成各部件的零件图，编写设计说明书一份（约40页18000字左右）3.主要参考文献1液压传动与气压传动2机械制造基础3机械设计手册4其他网络检索到的相关资料4进度安排设计（论文）各阶段名称起止日期1分析课题要求，拟定开题报告2013.12.1-2013.12.312查找设计题目相关的资料2014.1.1-2014.3.103对设计中的主要参数进行计算2014.3.10-2014.4.104对齿轮油泵的主要部件进行三维建模2014.4.10-2014.5.15对齿轮油泵进行装配及运动仿真2014.5.1-2014.6.1齿轮油泵安全装置设计及运动仿真摘要：齿轮油泵是应用最广泛的容积式液压油泵，具有体积小、重量轻、制造容易、工作可靠、价格低廉、对油液不敏感、自吸能力强、维护方便等优点。但其困油现象引发压力造成振动和噪声的问题比较严重，因而不宜用在要求平稳的固定设备上。因此通过改变卸荷槽的设计，来解决困油现象，对降低噪声、减少液压泵端面泄漏、提高容积效率和工作压力及延长使用寿命具有重要的意义。本文对外啮合齿轮泵理论研究及困油原理进行详细介绍，对困油容积的变化规律进行理论分析，从而为齿轮泵的理论计算及设计提供理论依据，并且为齿轮泵卸荷槽的改进设计奠定基础。最后基于实体建模软件Pro/E对齿轮泵进行三维实体建模。此项改进措施对降低液压泵的维护、维修费用，提高产品质量和系统运行精度以及使用寿命具有重要意义。关键词：齿轮泵；困油容积；卸荷槽；Abstract:Thegearpumpisavolumetypehydraulicoilpumptoapplyinthemostwidespreadsituation.Ithasmanymeritssuchasthesizeslightly,theweightlight,themanufactureeasy,theworkreliable,thepriceinexpensive,tothefatliquorinsensitive,self-absorptionabilitystrong,maintenanceconvenienceandsoon.Butthevibrationandnoiseproblems,thatcausedbythetrappedoilraisespulsationpressure,aremoresevere,sothegearpumpshouldnotbeusedintheequipmentfixedonsmoothrequirements.Itisimportanttosolvetrappedoilphenomenon,reducethenoiseandtheleakageofhydraulicpumpend,improvetheworkingpressureandvolumeefficiencyandprolongservicelife,bychangingthedesignofunloadinggroove.Thispaperaimstoimproveanddesigntheunloadinggroove,sothattheoutermeshinggearpumpisrunninginahigherworkingpressureitwillmakelessnoiseandmorestablework.Theimprovementmeasureisgreatsignificancetoreducethemaintenanceofthehydraulicpumpandmaintenancecosts,improveproductqualityandsystemoperationaccuracy,andprolongservicelife.KeyWords:gearpump;trappedoil;unloadinggroove;flowfieldsimulation目录1绪论-11.1研究背景和意义-21.1.1国内外研究现状-41.2.1国内研究现状-41.2.2齿轮泵的发展趋势-62齿轮轮油泵理论研究及困油容积分析-72.1理论研究-72.1.1工作原理-72.1.2瞬时流量特性分析-92.2困油的原因及危害-132.3齿轮泵困油容积的变化规律-142.3.1困油容积变化规律分析-143齿轮泵卸荷槽改进方案-183.1侧板改进方案的设计-183.1缓解困油现象的常用措施-194齿轮油泵零件建模设计-224.1.1齿轮油泵骨架的设计-234.1.2齿轮油泵主体的设计-244.1.3齿轮油泵左盖的设计-264.1.4创建齿轮泵右侧盖的设计-284.1.5齿轮轴的设计-284.1.6其它零件的创建-314.2齿轮油泵装配设计-324.2.1虚拟装配设计-324.2.2生成爆炸图-355机构仿真及工作原理动画-365.1.1齿轮油泵机构仿真设计-365.2齿轮油泵工作原理动画仿真-38总结-39参考文献-40致谢-41-0-1绪论齿轮油泵、叶片泵和柱塞泵都是泵送工作介质的动力泵，是液压系统中的三种主要的液压泵，其中齿轮油泵的历史最悠久，应用最广泛。而且齿轮油泵因其结构简单，体积小，重量轻，成本低，自吸性能好，污染敏感性小，使用过程中可靠性较高，工作寿命长，容易加工制造，维修方便等特点，被广泛应用于工程机械、汽车、船舶、冶金、建筑、轻工业等机械产品中。在液压系统中，液压泵作为整个系统的心脏将系统输入的机械能转化为液压能。因此对高性能液压泵的设计研究，尤其在提高液压泵的工作效率和压力方面的研究是液压技术研究的重要内容。齿轮油泵属于容积式泵，它是利用回转部件在泵壳中的回转，造成工作空间的容积变化，从而达到吸排液体的目的。齿轮油泵的吸油和排油的原理是其内部齿轮的啮合传动带动油液从吸油区到过渡区再到压油区，最终将油液挤压出齿轮油泵，其齿面主要有三种型式:直齿轮，斜齿轮和人字齿轮。其中，外啮合直齿轮油泵的结构最为简单，价格最低，更经济实用。据统计，目前外啮合齿轮油泵使用台件数约占液压泵总使用台件数的70%，但是齿轮油泵由于自身结构的原因也存在不足之处，主要有两齿啮合区域的困油现象、径向力不平衡和泄漏问题。齿轮油泵的泄漏包括轴向泄漏(占7580%),径向泄漏(占1520%)和啮合泄漏(占45%)。齿轮油泵困油引发压力脉动造成振动和噪声的问题比较严重，使流量不均匀，在使用中都带来很多不便，不宜用在要求平稳的固定设备上，对齿轮泵工作性能和寿命都是有害的。齿轮油泵的这三个主要问题，彼此是相互联系和影响的。比如径向力不平衡致使齿轮轴心偏移，导致泄漏量增大;齿轮泵困油现象的减轻会一定程度上减小径向不平衡力。目前，虽然液压界对此三种主要问题的研究有一定的成泵，尤其是困油现象的改进方法更是层出不穷，但是困油现象仍然比较严重，尤其在高速、高温、高压、高粘度等特殊工况运转时，齿轮泵的困油现象尤为显著，所以应受到研究界更多的关注，以提高齿轮泵特殊工况下的性能，延长使用寿命，减少事故发生率，因此对于齿轮油泵困油现象的研究就具有非常重要的实际意义。-1-1.1研究背景和意义当前,国内外学者对齿轮泵的分析和研究主要集中在以下方面:(1)泵的优化设计,其设计目的是减小齿轮泵的体积,通过齿轮参数如齿数、模数压力角1和变位系数等参数的改变,使齿轮泵体积最小;(2)泵的噪声产生原因以及减小噪声方法的研究;(3)齿轮泵流量特性分析的研究;(4)减少斜齿齿轮泵流量脉动的研究;(5)高压齿轮泵的研究及泵内部液体压力的分析研究;(6)齿轮泵的变排量或变流量技术研究;(7)齿面整体涂覆技术的研究;(8)多联集成啮合齿轮泵的研究及应用;(9)影响齿轮泵工作寿命的因素,以及延长寿命方法的研究;(10)困油特性分析及其卸荷技术研究;(11)水压齿轮泵的理论分析及实践研究;(12)对齿轮泵端面间隙的优化及其补偿方法研究8。齿轮泵作为一种常用的液压动力元件,被广泛应用于各种液压系统中,其工作时工作油液的可压缩性很小。图1-1所示的三种状态呈现了齿轮泵的啮合过程,后一对齿轮进入啮合状态后,由图1-1-1位置转化为图1-1-2位置的过程是齿轮泵困油的压缩阶段,在这个阶段里密封容积由大变小,密封油液的压力受到轮齿挤压而急剧升高,从而远远超过齿轮泵泵的输出压力,因此产生冲击载荷对齿轮泵造成破坏;在齿轮泵由图1-1-2位置转化为图1-1-3位置的过程中,密封容积由小变大,此为齿轮泵困油的膨胀阶段,在这个阶段里由于密封腔中的体积变大,而油液得不到及时的补充,可能产生气穴,形成局部的真空。图1-1-1后一对齿轮进入啮图1-1-2闭死容积由大变小-2-图1-1-3闭死容积由小变大图1-1齿轮油泵啮合过程近30年来学术界对直齿轮泵的困油现象做了大量研究,例如CB型泵的前、后盖上都洗有两个卸荷槽,其中一个与泵的排油腔相通,另一个与泵的吸油腔相通。利用卸荷槽结构来消除困油现象,卸荷槽的结构不同,对齿轮泵的影响也相去甚远。如果两卸荷槽之间的距离太大,则起不到减弱或降低困油危害的作用;相反如果该距离太小,则困油区将高、低压串通,破坏了液压泵的工作条件。所以合理的设计卸荷槽的尺寸,对提高齿轮泵工作效率有着重要的作用。液压齿轮泵中的流体运动情况相当复杂,严重影响着齿轮泵的能量利用率、噪声及散热等性能,因此对齿轮泵流场的研究应引起人们的高度重视。近些年来,计算流体动力学(CFD)仿真技术得到了快速发展并应用在了众多领域,例如对液压系统及液压元件内部流场的仿真研究已取得有很好的效泵。不仅如此,通过CFD技术还可以在搭建物理模型前分析研究其相关特性;可求解实验及设计中得不到的数据并能提供实验难以测试到的数据,以供模型的数值分析。基于CFD仿真技术的优势,本文采用理论分析的方法对齿轮泵的困油容积进行分析;在此基础上对渐开线外啮合齿轮泵卸荷槽进行改进设计,并采用CFD方法对液Hi齿轮泵内部流场的分布情况进行仿真试验,得到其结构改进前后内部流场数据,从而判断卸荷槽结构设计的合理性。本课题的研究可以为后续的研究和进一步的优化设计提供宝贵的经验和理论指导,具有重要的意义。这对降低噪声、减少液压泵端面泄漏、提高容积效率和工作压力及延长使用寿命具有重要的意义。1.1.国内外研究现状1988年在给出困油容积计算公式的基础上,市川常雄在困油腔中安装压力传感器,对困油区的压力进行了测试分析。其通过实验得到了很多客观的数据,比如困油区压力的分布、压力的最大值和最小值与尺侧间隙和卸荷槽间距的变化关系。但是,其研究只限定在了实验方面,并没有具体的给出困油数学模型和容积计算得公式。1997年土耳其丘库罗瓦大学的KocE等设计实验,测量了齿轮泵内的侧板和齿轮端面间的油膜厚度2000年鲁汶比利时大学的Dalpiaz等对齿轮泵侧板和滑动轴承之间的润滑建立二维雷诺方程进行了研究,流体类型为稳态不可伍缩流体。以上的研究采用的都是倾斜浮动侧板,齿轮泵在困油区的轴向泄露程度受倾斜角的影响,然而定量分析侧板倾-3-斜度与困油现象之间关系的报告相对比较少。2001年美国伊顿公司(Eaton)实验测量了齿面啮合区压力的变化,结泵显示齿轮泵困油过程中存在气穴现象,并且创建气穴模型,结论是困油压力降到的最小值是水蒸气的挥发压力,之后困油区的压力不会继续降低,分析总结得出困油的后半段即膨胀时的困油压力公式。2006年伊顿公司对航空专用的外啮合齿轮油泵进行试验,仿真和数学建模,并且对5种参数的齿轮泵进行试验测试和仿真分析,进行对比验证。日本ShimazuSeisakusho公司研发的一种新型泵,为使泵的吸油腔与压油腔有可靠的密封,在端盖内开设特形槽,并嵌入弹性密封条,使得容积效率高。澳大利亚孟纳西(MONASH)等大学对卸荷槽的设计方法进行了研究,结泵表明合理的卸荷槽开设方式可以使困油现象得到不同程度的改善,其方法使齿轮泵的输出脉动比普通结构降低了20%,效泵比较明显;如果卸荷槽结构设计不当反而会加剧出口处的压力脉动,同时卸荷槽的存在也一定程度上降低了齿轮泵的容积效率。円本长闪技术科学大学机械系研究室重点研究了高压、低速齿轮泵在卸荷作用下的流量脉动,该研究从理论和试验两方面都证明了泵通过卸荷槽的卸荷流量是间歇的而不是连续的,这种间歇性也影响了齿轮泵流量的脉动。1.2.1国内研究现状1986年就出现了变量齿轮泵的发明专利,它是在齿轮轮齿上使用密压囊结构,这种变量方式有效缓解了困油现象并使噪声得到降低,同时改善了泵的使用性能,特别是在需要变量且大流量的液压系统中。但其结构复杂,很难推广使用。1996年,曾良;研究了卸荷槽形位、尺侧间隙大小和困油关系,提出了开设阻尼槽式卸荷槽的方法,改善了齿轮泵工作性能,但是因阻尼槽尺寸小,所以容易形成阻塞,而使困油现象加剧。2002年,郑州机械研究所甘学辉对齿轮泵的困油特性进行研究,困油的严重程度和状态通过困油容积变化率得以体现,并对困油容积变化率进行计算,并建立啮合系数与流量特性、困油特性的联系,分析了困油现象对流量脉动的影响。研究得出困油的压缩和膨胀过程对齿轮泵的性能影响不同,压缩过程影响较大,而膨胀过程对其影响很小,因此建议优先考虑降低压缩过程的压力最大值。2004年,臧克江等将卸荷降压槽开在轮齿非工作齿廓曲面上。由于卸荷降压槽开在非工作齿廓曲面上,并且是径开设,因-4-此不会破坏齿轮工作齿廓曲面的啮合状态,齿轮副传动的平稳性保持不变。但是此卸荷降压槽不能完全消除困油现象,且不易于加工,影响轮齿强度,适合于在小侧隙或无侧隙齿轮泵中与卸荷槽配合使用。2006年杨元模在在外啮合齿轮泵的困油的高压区增加一卸荷通道,使其与外啮合齿轮机油泵的进油区相连,使泵的出油压力更加稳定,并通过实验验证了改进措施的可行性?2006年周德军提出双重卸荷槽的改进方法,即在困油区和压油区各开设两个平行卸荷槽,卸荷槽距中心线的距离不同,改善传统卸荷槽导致齿轮泵容积效率下降的问题。2009年李玉龙等推导了困油状态下的动态转矩的公式,得出困油压力很大程度上影响了转矩的大小。同时分析了异齿数对困油现象的影响,得出在泵体积一定的情况下,同齿数齿轮泵和异齿数齿轮泵的困油周期不同,其中主动齿轮采用大齿轮,从动齿轮采用小齿轮的组合减小困油现象更明显,但这种组合一定程度上增加了齿轮泵的流量脉动。2011年,范良成设计一种齿轮顶隙为零的斜齿齿轮泵,该齿轮泵无困油区,很好的解决了困油问题,但其加工难度大,而且油液中不能有杂质,不适合大多数环境下工作的齿轮泵。齿轮泵的困油现象一直备受关注,虽然可以通过釆用大模数、小齿顶高系数、较大的正变位系数等手段减轻困油现象,但同时这些方法又会增加脉动、增大径向力或减小单位排量等。因此,当前解决困油现象较好的方法是卸荷槽的创新设计,对齿轮泵卸荷槽位置、形状进行合理的调整及设计,在有效的改善困油现象的同时使齿轮泵性能最优。1.2.2齿轮泵的发展趋势在现代化经济高速发展的大环境下,机械电子的发展趋势是体积小、反应快、低污染、高精度等,液压系统的发展也不例外,为了适应科技的飞速发展,齿轮泵发展趋势如下(1)低流量脉动,在流量脉动的作用下,液压系统的执行机构运行不均匀,且不够平稳,影响执行精度,而且流量脉动会引起压力脉动,导致液压系统中部件的密封性遭到破坏,还会使零件产生振动和噪声。因此液压系统发展的趋势之一是降低齿轮泵的流量脉动;(2)大排量,某些对执行机构运行速度要求较高的液压系统必须使用大排量泵;(3)高压化,相对于柱塞泵和叶片泵来说,齿轮泵在高压化方面占有明显优势,目前齿轮泵最高工作压力可以达到P=31.5MP?,但是对齿轮泵工作压力的进一步提升,国内外研究尚不成熟,有待突破现况;(4)低噪声,对“安静”液压泵的研究在国外开-5-始比较早。困油产生的冲击噪声和齿轮啮合时所产生的机械噪声是齿轮泵工作过程中的主要噪声源。齿轮啮合的机械噪声取决于齿轮的齿形、装配等,而齿轮泵困油现象主要决定于卸荷措施是否合理,所以今后对齿轮泵的困油现象的研究和试验将会有较大发展;(5)变排量,齿轮泵在实际应用中较常见的是定排量泵,但其工程应用范围在一定程度上受到限制,因此国内外研究人员对对齿轮泵进行了大量的研究,特别是在齿轮泵排量上做了很多的分析研究。对于改变变量泵的发明专利有很多,但是能真正转化为成品的却很少。本章介绍了齿轮油泵的研究现状,阐述了齿轮泵的困油机理,指出了研究齿轮泵困油问题的工程应用价值,提出了本课题的研究背景和研究意义,总结了本课题研究内容。-6-第二章齿轮油泵理论研究及困油容积分析2.1理论研究2.1.1工作原理齿轮泵的主要零部件有泵体、前泵盖、后泵盖、侧板以及参数相同的一对齿轮等。图2-1为某分体式外啮合齿轮泵结构简图。1一定位销:2一密封圈;3一轴承;4一从动轴:5一平键:6一齿轮:7一主动轴;8端盖;9一平面垫_;10弹黃垫;11一六角头螺钉;12齿轮安装壳体;13轴承安装壳体;14一密封皮碗;15平键。图2-1外啮合齿轮泵结构齿轮泵工作时,主动齿轮按照图示顺时针方向转动,同时通过齿轮的啮合传递扭矩。从动齿轮在啮合力的作用下跟随主动齿轮一起逆时针转动。两个齿轮转动时,齿轮的轮齿在两齿轮中心线中点附近的啮合区域右侧相继进入啮合又从左侧退出啮合。左侧的吸油腔随着齿轮的旋转,局部压力低于外界大气压,所以在大气压的作用下,油-7-液从油箱进入吸油腔,这就是外啮合齿轮泵的吸油过程。同时,油液通过齿轮的各个齿槽与侧板、泵体形成的各密闭空间由连续转动的齿轮带入过渡区,然后从过渡区进入右侧的排油腔。排油腔中,齿轮在中心线中点附近的啮合区域逐个进入啮合,过渡区两齿之间的油液随着齿轮的旋转进入压油腔,使压油腔内液体压力迅速上升,从而将油液挤出排液口,这就是外啮合齿轮泵的排油过程。在主动轴的驱动下,两个啮合齿轮连续旋转,则油液连续不断的从吸油口吸进,从压油口压出,实现了连续吸排油,排出的油液作为系统的动力源作用于液压系统中。根据齿轮泵工作原理,两个齿轮的所有齿槽的容积求和即为主动轴每旋转一周齿轮泵排出来的油液的体积。对于变位系数等于零的齿轮,即标准齿轮,齿槽的体积等于齿轮轮齿的体积,所以,外啮合齿轮泵的一个齿轮的各个齿槽齿形的体积和等于齿轮泵的几何排量。对于标准安装的外啮合齿轮泵的几何排量Vbml/r),理论上等于直径为(Z+2)m/7和(z-2)m的圆围成的环形面积乘以齿轮厚度b即(2-1),式中则齿轮泵的理论输出流量和理论平均流量为式中分析式(2-1)可得:几何排量是衡量齿轮泵工作性能的指标,其大小决定于齿轮的齿数、模数和齿厚,对于变位齿轮,几何排量的计算公式修正为:(2-4)式中,k修正系数,通常取k=l.061.15,Z小时k取大值,Z大时k取小值。-8-2.1.2瞬时流量特性分析液压泵单位时间内排出的工作介质的体积,即。某一瞬时当t-0时齿轮泵的流量叫做液压泵的瞬态流量。理想状态下瞬态流量为常量,而实际工况下液压泵的瞬态流量存在脉动。流量脉动与压力脉动是同时存在的,液压系统中的压力脉动会引起系统执行元件运行不平稳,存在压力冲击,工作过程中会产生噪声及振动,从而破坏液压系统的元部件。外啮合齿轮泵工作示意图如图2-2所示,主动齿轮角速度为1,从动轮角速度为2当主动齿轮在dt时间内转过角度d1时,从动齿轮转过角度d2,因为齿轮泵相互啮合的两个齿轮泵的节圆上线速度相等,所以有则有-9-同理,由于从动齿轮转动导致的排油腔体积的变化量dV2为所以,此时从排油腔排出的油液体积为则此时,瞬时流量为由图2-3可得,f为啮合点C到节点P的瞬时位移(f=CP),e为啮合点C到O1O2的距离(e=CM),啮合点C在O1O2上的投影点为M,k为节点P到M的距离(k=MP)。由图2-3可得:齿顶圆半径ra1和ra2与节圆半径r1和r2有如下关系:将以上各式代入式(1-9),并整理简化得:-10-当啮合点的瞬时位移为f时,设齿轮转动过的角度分别为1和2主动齿轮的基圆半径为rb1从动齿轮的基圆半径为rb2那么由数学关系分析推导可得:将(2-11)式代入(2-10)式,有当主动齿轮和从动齿轮参数相同时,齿轮转动.角速度可有1=2=此时式(2-12)可写成由式(2-13)可以看出,在一对齿轮啮合过程中,当=0时,f=rb=0,qv(t)取得最大值如泵齿轮的=l,压力角等于20,则基圆齿距等于啮合线长,即L=Pb其中;Pb=mcos,齿轮进入啮合状态和脱离啮合状态的时刻f=rb=Pb/2,此时最大,qv(t)最小,从以上分析可以得出:齿轮泵的瞬时流量不是一成不变的,它是存在脉动的,并且随一定周期变化。根据以上推论,瞬时流量的示意图如图2-4所示。-11-图2-4瞬时流量曲线图液压泵的流量特性通常用脉动频率q和脉动系数fq体现,频率越高表明其脉动越快,越均匀;脉动系数越高表明其脉动越明显,在设计制造中应尽量减小脉动系数同时增大脉动的频率。流量脉动系数q的计算公式为:将式(2-2)代入式(2-14),得根据式(2-15)推导出:降低脉动系数可以采用增大压力角和增加齿数的办法。表2-1为=20时几种常见的齿数的齿轮泵脉动系数,可以得出:未经过改进的齿轮泵其流量脉动系数都比较大,生产设计时应对其结构进行分析改进表2-1常见齿数的外啮合齿轮泵流量脉动系数在单位时间内循环的次数称为频率,则齿轮泵的流量脉动频率fq就是单位时间其脉动变化的齿数。当齿轮啮合时,每对齿啮合一次,流量就会变化一次,所以齿轮泵的脉动频率为式中,fq流量脉动频率(Hz)n齿轮泵转速(r/min)。2.2困油的原因及危害啮合系数是指同时参与啮合的齿轮对数的平均值,一对齿轮连续传动的条件是啮合系数1,一般的机械制造业,啮合系数取1.4,汽车拖拉机中取1.11.2,金属切削机床中取1.3。齿轮传动中也是如此,啮合系数必须大于1,才能确保吸油腔和压油腔不会串通,齿轮能够平稳的啮合传动,以及连续的输出工作介质,确保输出的均匀性。-12-因此,外啮合齿轮泵工作时,至少需要有一对啮合点,也就是前一对轮齿尚未脱离啮合之前,后一对轮齿必须开始进入啮合。即此时,齿轮泵有两对轮齿同时啮合,这就形成了一个封闭的容腔,工作介质被困在其中。封闭的区域容积随着齿轮的旋转逐渐减小。当两个啮合点关于节点对称时,封闭容腔的容积达到最小值。此过程中,封闭容腔内的工作介质与外界隔离,无法排出。而工作介质的可压缩性很小,一定量的工作介质体积被压缩时,其内部受挤压,导致封闭空间内部压力急剧升高,其压力最大值远远超过齿轮泵的输出压力。工作介质则通过齿轮端面间隙强行挤压出来,这个过程给轴和轴承造成了很大的冲击载荷,引起振动和噪声,降低齿轮泵工作寿命,并且工作介质温度升高,功率损失加剧。随着齿轮的继续旋转,封闭空间的容积开始增大,而密封在里面的工作介质又不能得到补偿,于是形成局部负压,产生气泡,形成气穴现象。如果气穴产生过程发生在金属零件内壁附近,长期的液压撞击就会造成金属零件内表面出现坑症的腐烛破坏,就是所谓的气烛。气烛会产生振动和噪声,降低泵的性能,破坏过流部件。这种因封闭容积大小发生变化,导致压力冲击和气蚀的现象称为困油现象。齿轮泵发生困油时,其轴承和轮齿都收到交变的负荷,且变化率很大,导致齿轮泵使用寿命降低,产生振动和噪声,增大泵工作的不平稳性。油温的升高会使油的变质加快,造成经济损失。因此,困油现象对齿轮泵影响很大,消除困油现象对齿轮泵的性能的提升有着不可估量的重要意义。2.3齿轮泵困油容积的变化规律2.3.1困油容积变化规律分析基本假设:(1)进口压力为一个标准大气压,出口压力为调定压力,且恒稳定;(2)工作油液为连续性牛顿流体,忽略重力齿轮泵困油的影响;(3)无特殊说明时,脚标为1代表主动轮参数,脚标为2代表从动轮参数;(4)本文研究两齿轮具有相同参数。如图2-8所示,K为齿轮此时的啮合点,P为节点,设,主动齿轮在K点附近转过微转角时,吸油腔和压油腔的端面面积变化量dV相等。-13-为此微转角对应的排量为有式中,r1、r2啮合点至圆心的距离。图2-8困油容积瞬间变化则将,带入上式可得由图2-9可以看出,困油时K2K3为双齿啮合区,设啮合点A对P的转角为,与该点距离一个基节处的啮合点B对P的转角为,此时处于双齿啮合区K2K3中的轮齿,其扫描容积随齿轮转角的变化率:-14-图2-9困油容积变化后一对轮齿旋转过程所扫描的容积变化率为:可得,困油容积的变化率为:所以分析得出:困油容积的方程为二次函数,此分析的前提是尺侧间隙不为零。参看图2-10。图2-10设，困油容积变化量为-15-由上式可知,dv与f1是线性关系,当f1=Pb/2时,dV=0（2-35）若f用齿轮重合系数来表示:代入式(2-35)得则（2-36）由式(2-36)可知,困油容积的变化值与齿轮泵重合系数有关,齿轮泵困油容积在重合系数等于1时最小。本章主要介绍了齿轮泵的工作原理和流量特性、径向力分析和容积效率,以及齿轮泵困油现象产生的原因,并对困油容积进行分析。为齿轮泵的改进和流场仿真提供理论依据,并且作为理论基础,与后文的流场分析结泵进行比对,验证改进措施的正确性。-16-第三章齿轮泵卸荷槽改进方案3.1改进前遇到的实际问题在齿轮泵设计工作中,不仅要保证其吸油腔和压油腔有很好的密封性,还要保证齿轮泵能够平稳的传动,以及液压油的输出要有较高的均匀性。根据以上设计理念,其啮合系数必须保证不小于1。在前一对啮合齿轮完全分离之前必须保证后一对齿轮已进入啮合,即出现两对齿轮在某段时间内都处于啮合状态。同时存留在轮齿间的工作介质被困在一个完整的密封腔中,当齿轮运转到两个啮合点相对于节点成对称分布时,密封腔里的容积达到最小值,这时腔里的压力会迅速升高且远远高于泵的输出压力。该封闭腔的工作介质由于强大压力被迫从齿轮间的缝隙挤压出去,这样不仅会在很大程度上对其它零部件造成重大的冲击和损坏,而且还会引发工作介质温度的急剧上升,从而使零件产生振动,大大影响齿轮啮合的准确性,缩短齿轮的使用寿命。随着齿轮的继续运转,密封腔里的容积逐渐变大,会形成真空,有气泡产生,从而产生振动、气蚀等系列现象。这种现象交替重复的变化,虽然齿间困油时间很短但交替频率很高,会不断地加载到原载荷上产生周期性的冲击。如果不积极采取有效措施来消除齿轮间的困油现象,那么困油现象会直接引起容积中的工作介质压力迅速升高,急剧增加了齿轮轴、轴承的负荷,产生气蚀、振动及噪音等系列危害。如何采用有效措施更大程度的缓解齿轮泵困油现象,对提高齿轮泵的工作性能和延长使用寿命具有重要意义,有待优化改善。3.1.1缓解困油现象的常用措施困油现象的产生是由于工作介质在轮齿间形成密封腔,当密封容积达到最小值时密封腔的压力会比泵的输出压力高出很多,迫使介质从齿轮间隙挤压出来,对齿轮造成表面破坏且降低了齿轮泵的容积效率。为了解决此类现象,设法在困油腔容积变化的过程中使之与吸油腔或排油腔相通,就可以有效的消除困油现象的发生,以此为原理,衍生出很多种方法,对各种方法归纳总结得以下几种类型的措施-17-(1)对称卸荷槽法：首先卸荷槽的作用是把两个齿轮啮合时齿顶和齿底之间形成的高压油释放掉,如果此高压油没有释放会产生阻矩增大,油泵发热等现象。卸荷槽法是一种常用的对困油区的卸荷方法,也是我国的泵类设计中被一致推荐的一种方法。卸槽开在齿轮泵的一对侧板或端盖的靠近齿轮的一侧,在每个侧板的吸油侧和排油侧各开一个矩形的凹槽,两个凹槽一般都开在一对齿轮啮合时的节圆切线上。对称双矩形卸荷槽的两个m槽关于啮合齿轮的中心线对称,如图(3-1)所示,卸荷槽的间距就是在困油容积最小时的两个啮合点在节圆切线方向上投影的距离。图3-1对称卸荷糟1对称双矩形卸荷槽的间距:式中对于=20,标准安装时,a=2.78m。2.卸荷槽宽的最小值:-18-计算得:一对齿轮的参数=20,=1.45标准安装时,。3.卸荷槽的深度卸荷槽深度A在满足结构强度的前提下尽可能的选取大值,一般取在双矩形对称卸荷槽的卸荷作用下,齿轮困油容积刚开始变小时,困油容积逐渐变小,腔内压强快速增大,此时困油区与压油腔相通,压力得到释放,减小困油压缩;当经过困油最小值后,困油容积逐渐变大,出现真空,此时困油区与吸油腔相通,压力得到补充,减小困油膨胀时产生的气穴等问题。对称卸荷槽的不足之处:在困油容积最小的前一时刻,困油区只与压油腔相连,而后一时刻困油区只与吸油腔相连,因此困油区压力变化过快,导致齿轮泵产生振动和噪声。而且,如果两个槽间距太小,会造成吸油腔和压油腔连通,使输出压力降低,泄漏量增加,减小容积效率。而且不易于制造,加工效率低。(2)齿轮泵浮动侧板上开设缓冲槽齿轮和油液在以较高速度旋转时,产生对侧板的冲击压力,而且压油区和吸油区的压力不等,导致侧板受到翻转力矩,使其工作状态发生改变。齿轮泵的工作特点决定了其流量脉动性,同理侧板也受到脉动的冲击力。缓冲槽开在浮动侧板上,设计灵活,可以改善齿轮泵内的侧板的以上问题,提高泵的性能。日本的不二越公司在在缓冲槽方面做的改进措施,内啮合齿轮泵的侧板开设的卸荷槽,在一定程度上改善了齿轮泵内部流场压力不均而导致的各种问题,在一定程度上,提高齿轮泵性能,也可为今后外啮合齿轮泵侧板上卸荷槽的设计提供有利参考。图3-2浮动侧板上的缓冲糟-19-第四章齿轮油泵零件建模设计齿轮油泵包含20多个零部件，其设计巧妙运用Pro/E基于单一数据库这一特点并综合运用多种建模方法和设计方法4，齿轮油泵的最后设计结果如图1所示，组件分解图如图2所示。图1齿轮油泵三维图图2齿轮油泵爆炸图-20-4.1.1齿轮油泵框架的设计齿轮油泵整体的设计主要是一系列基准曲线的绘制，其随后的建模设计建立在框架设计的基础上，齿轮油泵的骨架设计结果如图3所示。图3齿轮油泵框架设计结果（1）新建零件文档；1）单击“新建”按钮打开“新建”对话框。在“类型”选项组中选取“零件”选项，在“子类型”中选取“实体”选项，在“名称”文本框中输入零件名称“Gear_pump”；2）取消“使用缺省模板”复选项，单击“确定”按钮。系统打开“新文件选项”对话框，选取其中的“mmns_part_solid”选项，再单击“确定”按钮进入三维实体建模环境5。（2）草绘基准曲线；-21-图4齿轮油泵框架草绘1）单击“草绘工具”按钮打开“草绘”对话框；2）选取基准平面FRONT作为草绘平面，其它设置接受系统默认选项，单击“草绘”，进入草绘界面；3）在草图内绘制曲线如图4所示。（3）创建基准平面；1）单击“基准平面工具”按钮打开“基准平面”对话框；2）选取FRONT基准平面作为参照，设置平移距离35；3）单击“确定”，完成DTM1基准平面。（4）草绘曲线。1）单击“草绘”打开“草绘”对话框；2）选取DTM1作为草绘平面，其它设置接受系统默认选项，单击“草绘”；3）绘制如图5所示曲线。图5齿轮油泵框架草绘二保存设计结果，作为框架设计，关闭窗口。4.1.2齿轮油泵主体的设计（1）新建零件文档；单击“新建”按钮打开新建对话框。在“类型”中选“零件”，在“子类型”中选“实体”，在“名称”文本框中输入零件名称“Gear_part_m”。-22-（2）创建外部继承特征；1）单击“插入”主菜单中选取“共享数据”/“合并/继承”选项，系统打开设计图标版6；2）单击“打开”按钮，使用浏览的方式打开上一小节设计的齿轮油泵框架文件“Gear_pump”.同时系统打开“外部合并”对话框，在该对话框的“约束类型”下选取“缺省”选项，在系统默认位置装配齿轮油泵骨架文件；3）单击“外部合并”中的“确定”，单击“设计板”上的“确定”。（3）创建拉伸实体特征；1）单击“拉伸”打开设计板，在设计板中单击“放置”打开参照面板，单击其中“定义”打开“草绘”对话框，选择FRONT为草绘平面，接受其它默认设置单击“草绘”进入草绘模式；2）在草绘平面内使用“抓取边”工具绘制拉伸剖面图，然后单击“确定”退出草绘，调整方向输入拉伸深度“25.2”，最后创建的拉伸实体如图。再次单击“拉伸”按钮，选取上一零件端面作为草绘平面，进入草绘模式；3）绘制如图所示草绘剖面图，调节拉伸方向，输入拉伸深度“25.2”，最后创建的实体特征如图所示；4）再次单击“拉伸”，选取上一零件右侧面为草绘平面，进入草绘模式；5）绘制如图所示草绘剖面图，调节拉伸方向，输入深度“9.5”，最后创建的拉伸实体如图6所示。图6齿轮油泵主体拉伸结果图7齿轮油泵主体创建孔结果（4）创建孔特征；1）单击“孔”打开孔设计板。单击拉伸体端面为主参照。单击“放置”打开参照面板，选取“同轴”放置类型，然后激活“次参照”，选取拉伸体轴线；2）完成后的“放置”，设置“形状”列表，最后完成的孔特征如图所示；-23-3）再次用孔特征创建孔，如图7所示。（5）创建螺纹修饰特征，如图8；（6）创建倒圆角特征，如图9；（7）补上一个拉伸切削特征，最后完成的零件图，如图10。图8齿轮油泵主体螺纹修饰结果图9齿轮油泵主体倒圆角结果图10齿轮油泵主体设计结果图11左盖设计结果4.1.3齿轮油泵左盖的设计齿轮油泵左盖的设计同样以齿轮油泵骨架作为母体零件，综合运用拉伸、孔和镜像复制等建模方法。齿轮油泵的最后设计结果，如图11所示。（1）新建零件文件，输入零件名称“Gear_pump_leftcover”；（2）创建外部继承特征，如图12；（3）创建拉伸实体特征，如图13；-24-图12左盖外部继承图13左盖实体拉伸结果（4）创建拉伸切削特征，如图14；（5）创建阶梯孔，如图15；图14左盖拉伸切削结果图15左盖阶梯孔结果（6）创建倒圆角特征，如图16。图16左盖倒圆角结果图17右盖设计结果-25-4.1.4创建齿轮泵右侧盖的设计齿轮泵右盖的设计和齿轮油泵左盖的设计相似，都是以齿轮油泵的骨架作为母本二进行设计的。设计步骤参照左盖设计，齿轮油泵右盖的设计结果如图17所示。4.1.5齿轮轴的设计齿轮轴的设计以全参数化标准直齿圆柱齿轮通用件作为母体，对齿轮通用件参数进行修改并添加必要的特征。齿轮轴的最终设计结果，如图18所示。图18齿轮轴设计结果图19“PROE标准零件库2.1”对话框为简化设计，这里的全参数化齿轮采用台湾大学林清安教授开发的“PROE标准零件库2.1”.（1）打开“PROE标准零件库2.1”，如图19所示；（2）从“零件类型”中选择“齿轮”，零件规格选择“20T”，如图20所示；图20“正齿轮”对话框-26-修改右边列表中“可修改”项目，修改齿轮的模数M=3,齿数Z=9,齿宽B=25.2.单击“打开文件”按钮，输入零件名称“gear_shaft_1”,打开的齿轮零件如图21。图21参数齿轮调用（3）创建实体拉伸特征选取上一实体端面为草绘平面，绘制草图，拉伸深度为“10”，拉伸结果如图23；图22齿轮轴拉伸草绘图23齿轮轴拉伸结果（4）创建旋转实体特征，旋转结果如图25；图24齿轮轴旋转草绘图25齿轮轴旋转结果-27-（5）创建旋转切削特征，以切出槽，切槽结果如图27；图26齿轮轴切槽草绘图27齿轮轴切槽结果（6）重复旋转切削，切出另一端的槽；（7）创建键槽，结果如图29；图28齿轮轴键槽草绘图29齿轮轴键槽结果（8）创建倒角特征，结果如图30；图30齿轮轴倒角结果图31齿轮轴设计结果（9）创建螺纹修饰特征选择“插入”、“修饰”、“螺纹”；-28-选取作图平面为参照面，右图面为螺纹起始面，输入深度为10，直径为12.6。（10）隐藏基准，完成齿轮轴的创建，如图31。4.1.6其它零件的创建至此齿轮油泵的主要零件以创建完成，下面还有很多装配用的小零件，其建模过程不再详细介绍。只列出其最终结果，如图32。包括：螺钉、外部齿轮、平键、圆垫片、螺母、压盖、圆柱销。a）螺钉b）外部齿轮c）平键d）圆垫片e）螺母f）压盖-29-g）圆柱销图32其它零件至此齿轮油泵所有零件三维建模都以完成，下一步就是装配。4.2齿轮油泵装配设计4.2.1虚拟装配设计齿轮油泵的装配综合运用到无连接接口约束和连接接口约束。在进行齿轮油泵的装配前，设计者首先要对齿轮油泵进行整体的分析，要弄清楚那些元件具有运动自由度，那些元件完全约束。对于具有运动自由度的元件就要根据具体要求选择合适的连接接口，反之使用无连接接口的约束进行装配即可。（1）创建组件文档，输入组件名称“Gear_pump_model”；（2）在默认位置装配齿轮油泵主体；单击“添加元件”按钮，打开下设计板，选择缺省，以在默认位置装配泵的主体。（3）向组件中装配销；使用“插入”“对齐”“对齐”三种约束装配销钉，使其高出端面“8”。（4）重复装配销钉；选中前面装配好的销钉零件，然后在“编辑”中选取“重复”打开“重复元件”对话框。按住“ctrl”键，选中“插入”和“对齐”两种约束方式。单击添加，共装配4根销钉。（5）向组件中装配齿轮油泵左盖；使用“匹配”“插入”“插入”三种约束。（6）向组件中装配齿轮轴一；-30-1）单击右工具箱中的“向组件中添加元件”按钮，打开齿轮油泵文件Gear_shaft_1；2）在系统打开的设计板上的“用户定义”中选取“销钉”连接类型；3）完成“放置”列表，装配结果如图33。图33装配齿轮轴一（7）向组件中装配齿轮轴二；1）单击右工具箱中“向组件中添加元件”按钮，打开齿轮油泵零件文件Geat_shaft_2；2）在系统打开的装配设计板上的“用户定义”下拉菜单中选取“销钉”连接类型；3）在设计板上单击“移动”按钮，打开“移动”列表。在该列表的“运动类型”选项中选取“旋转”选项，然后选中“运动参照”副选项；4）根据系统提示选shaft_1的轴线作为旋转运动参照，然后在工作区中旋转齿轮轴二，使两齿轮正确啮合，最后的啮合结果如图34。-31-图34装配齿轮轴二（8）向组件中装配齿轮油泵右盖；1）单击“向组件中添加元件”按钮，使用浏览方式打开齿轮油泵零件文件Gear_pump_rightcover；2）在系统打开的装配设计板上单击“放置”按钮，然后在“放置”列表的“约束类型”下拉菜单中选取“对齐”约束类型，然后分别选取轴A8和A15作为约束参照。新建“对齐”约束选取轴A9和A16作为约束参照；3）新建“匹配”约束类型，选取油泵主体端面和右盖端面，输入偏距“0”；4）最后完成的“放置”列表如下图，最后装配结果如图35。图35装配右盖（9）在装配的元件之间进行布尔运算；1）在“编辑”主菜单中选取“元件操作”选项打开“元件”菜单，选取“切除”选项；2）根据系统提示选取右盖为被切除元件，单击“确定”，接着选取和其有相交关系的两个销作为切除参照元件；3）最后单击“再生”，再生后转配结果如图，被切除的右盖零件会相应变化。（10）装配螺栓；1）单击“向组件中添加元件”按钮，打开“blot.prt”；2）使用“对齐”约束，选取螺栓轴线和螺栓孔轴线；3）使用“匹配”约束，选取螺栓头下端面和螺栓孔上端面。（11）重复装配螺栓；（12）向组件中装配压紧螺母；1）单击“向组件中添加元件”按钮，打开齿轮油泵零件文件Pack；2）使用“插入”和“匹配”两中约束选取相应参照。-32-（13）