液压泵的结构设计及工作过程仿真

I液压泵的结构设计及其工作过程仿真摘要：液压泵是液压设备中的最主要的动力元件，它对整个液压装置的工作能力起着决定性作用，而且随着科技的发展液压泵的应用范围越来越广泛。通过查阅有关资料，运用所学理论知识，本论文完成了齿轮泵和叶片泵的结构设计。运用Pro/E完成了三维实体图形，并对泵的工作过程进行模拟仿真。关键词：齿轮泵，叶片泵，Pro/E，仿真IIStructuredesignofhydraulicpumpanditsworkingprocesssimulationAbstract：Hydraulicpumpisthemostimportantpowerelementinhydraulicequipment.Itplaysadecisiveroleintheworkingabilityofthewholehydraulicdevice.Andwiththedevelopmentoftechnology,theapplicationofhydraulicpumpisbecomingmoreandmoreextensive.Accesstorelevantinformationanduseoftheoreticalknowledge.Ihaveaccomplishedthestructuredesignofthegearpumpandthevanepump.UsePro/Etocompletethethree-dimensionalphysicalgraphics.Andthesimulationoftheworkingprocessofthepumpiscarriedout.Keywords:Gearpump,Vanepump,Pro/E,SimulationIII目录1前言.11.1液压装置介绍.12齿轮泵的结构设计.12.1齿轮泵的工作原理.12.2技术参数.22.3齿轮的设计和校核.22.3.1齿轮主要参数的确定.22.3.2齿轮的校核.42.4轴的设计和强度计算.82.5泵体和泵盖的设计.102.6连接螺栓的选择与校核.112.7齿轮泵的密封.122.8挡圈的选择.123叶片泵的结构设计.123.1单作用叶片泵的工作原理.133.2技术参数.143.3参数的计算.143.3.1转子直径d、定子内径D及最大偏心的确定.14maxe3.3.2流量计算.143.3.3功率计算.153.3.4扭矩计算.153.4转子的设计.163.5叶片的设计.183.6定子的设计.203.7配油盘的设计.213.8轴的结构设计.233.10泵体的设计.263.11盖板的设计.273.12主要标准件的选用.28IV3.13螺钉选择.293.14螺栓的选择.303.15键的选择.303.16圆锥销的选择.304液压泵的工作过程仿真.314.1模拟仿真软件的选用.314.2对Pro/E软件界面的认识.314.3对泵的零件进行三维建模.314.3.1泵盖的三维实体设计步骤.314.3.2齿轮轴的三维实体设计步骤.324.4齿轮泵的装配流程图.364.5工作过程仿真.375结论.38参考文献.39致谢.4001前言1.1液压装置介绍液压泵是液压设备中的最主要的动力元件，它决定着整个液压装置的工作能力。液压装置中，液压泵的主要功能是将电动机和内燃机等原动机的机械能转换成液体的压力能，向装置提供压力油并驱动装置工作。液压装置主要由能源装置部分-把机械能转换成流体的压力能的装置，一般指的就是液压泵了；执行装置部分-把流体的压力转换成机械能的装置，一般指的是液压缸和液压马达；控制调节装置部分-对液压系统中流体的压力、流量和流动方向进行控制和调节不装置部分，如溢流阀、节流阀、换向阀等；辅助装置部分除了上面的3项以外，如油箱、过滤器、蓄能器等；传动介质传-递能量的介质本次设计主要是对能源装置部分进行设计，即液压泵。在液压传动与控制中使用最多的液压泵主要有齿轮式、叶片式和柱塞式三大类型。本次设计主要是对齿轮泵和叶片泵的设计。22齿轮泵的结构设计2.1齿轮泵的工作原理外啮合齿轮泵的工作原理如图2.1所示：图2.1齿轮泵工作原理图1齿轮泵其工作原理是：齿轮泵具有一对互相啮合的齿轮，主动轮固定在主动轴上，齿轮泵的轴一端伸出壳外由原动机驱动，齿轮泵的另一个齿轮（从动轮）装在另一个轴上，齿轮泵的齿轮旋转时，液体沿吸油管进入到吸入空间，沿上下壳壁被两个齿轮分别挤压到排出空间汇合（齿与齿啮合前），然后进入压油管排出。齿轮泵是液压系统中广泛采用的一种液压泵，他一般做成定量泵，按结构不同，齿轮泵分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵，而外啮合齿轮泵应用最广泛。齿轮泵一般用于低压大流量的系统，具有良好补偿措施的中小排量的齿轮泵的最高压力可达到25Ma以上。齿轮泵的主要特点是结构紧凑、体积小、重量轻、造价低。但与其他类型泵比较，有效率低、振动大、噪音大和易磨损的缺点。齿轮泵适合于输送黏稠液体。2.2技术参数齿轮泵的术参数为：理论排量：rml/125额定压力：MPa3.6额定转速:in/容积效率:90%2.3齿轮的设计和校核2.3.1齿轮主要参数的确定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。对于低压齿轮泵，由于应用在机床方面较多，196要求流量脉动小，因此低压齿轮泵齿数Z一般为。齿数的低压齿轮泵，93174由于根切较小，一般不进行修正，所以本次设计Z取。2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0.20.8，8即：）（8.02BaDmZ46.Q12Da齿顶圆尺寸（mm）理论流量，实际流量nttVQvnV理论排量，当知道齿轮的模数m、齿数z和齿宽B时则，t=trml/125z2-z实际中齿间槽的容积比齿轮的体积要考虑，所以通常V26.由此确定m=3根据几何化法与机械制图12表12-2得齿轮的各部尺寸：（1）模数3m（2）齿数14Z（3）齿宽2b（4）理论中心距mzDAf721430（5）实际中心距f（6）齿顶圆直径eZm48213（7）基圆直径mzDnj.0coscos（8）基圆节距5.t（9）齿侧间隙24.038.108.1n（10）啮合角2（11）齿顶高5.43.5.mh（12）齿根高713（13）全齿高75.632.5.mh（14）齿根圆直径.1348hDei（15）径向间隙25.47.6220ieAc（16）齿顶压力角e0cos218arcscosarcsarcosneieZR（17）分度圆弧齿厚f0.72cos4.5cos2nfms（18）齿厚s71.4s（19）齿轮啮合的重叠系数46.120an.3a8tantttZe（20）公法线跨齿数5.2018KZ（21）公法线长度（此处按侧隙计算）nc432.1405.5.01895.ZzmL2.3.2齿轮的校核此设计中齿轮材料选40Cr，调质后表面淬火10（1).用系数表示齿轮的工作环境对其造成的影响，使用系数的确定：AKAK4表2.1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25.150.175.10.2强烈振动07025齿轮泵属于轻微振动的机械系统所以按上表中可查得可取为。AK3.1（2).齿轮精度的确定齿轮精度此处取7表2.2各种机器所用齿轮传动的精度等级范围(3).动载系数，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VK轮齿速度，安全考虑，此设计中取为1.1。VK(4).齿向载荷分布系数，此设计齿轮对称配置，故取1.185。HHK(5).由于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=1H(6).弹性系数单位，数值列表见表2.321EZE21aMP机器名称精度等级机器名称精度等级汽轮机36拖拉机610金属切削机床38通用减速器69航空发动机48锻压机床69轻型汽车58起重机710载重汽车79农业机械8115表2.3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1180001730002020002060007850锻钢162.0181.4188.9189.8铸钢161.4180.5188球墨铸铁156.6173.9灰铸铁143.7在本次设计中齿轮材料选为40Cr，调质后表面淬火，由上表可取。.弯曲疲劳强度寿命系数)(8.1921aEMPZFNK(7).选取载荷系数3K(8).齿宽系数的选择d1dba）齿面接触疲劳强度校核一般的齿轮传动，因齿面粗糙度，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，所以只需考虑应力循环次数对疲劳极限的影响就可以了。齿轮的许用应力按下式计算SlimS疲劳强度安全系数。对解除疲劳强度计算，并不立即导致不能继续工作的后果，故可取。然而对于弯曲疲劳强度，一旦发生断齿，就会引起严重事1SH故，因此在进行齿根弯曲疲劳强度计算时取。1.5.2F寿命系数。弯曲疲劳寿命系数查图4.2。循环次数N的计算方法是：NKNK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hL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：hnjL606(1)设齿轮泵功率为，流量为Q，工作压力为P，则wP)(245.760/1036wkP(2)计算齿轮传递的转矩m75.1234n9.TW6N(3)47.092db1(4)(8.21aEMPZ(5)按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限MPa50Hlim(6)计算循环应力次数9h138.2530821560njLN）（(7)由机设图10-19取接触疲劳寿命系数0KHN(8)计算接触疲劳许用应力取失效概率为0.1，安全系数S=1MPa504a05.9SKlimHN(9)计算接触疲劳强度76.1HVAKKN4.2785dTF1t齿数比1uMPa764.20ubdK2.5ZH1tEHb）齿根弯曲强度校核(1)查得齿轮的弯曲疲劳强度极限5FE(2)取弯曲疲劳寿命系数0.8FN(3)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数则：1.4S7394.6MPa1.508SKFENF(4)载荷系数851HVAK(5)查取齿形系数应力校正系数.2YFa4.1YSa(6)计算齿根危险截面弯曲强度的10表10-4-12，选择密封圈为型号:FB2540GB138711992FB:带副唇内包骨架型尺寸:内径d=25mm,外径D=40mm,宽度70.3bm则D-E轴段直径为25mm,lCD91最后，求得叶片泵传动轴总长：l18924527）（4）确定轴上圆角和倒角尺寸参考机械设计手册表1-5-12取轴端倒角为A-B轴端其余，轴肩处圆角半径均为r=1.0mm.1.54253.10泵体的设计1）泵体材料选择：铸件常用灰铸铁铸造，灰铸铁组织在钢的基体上分布着片状石墨，因此，其基体的强度和硬度不低于相应的钢，抗拉强度大，消除振动能力比钢大10倍。灰铸铁的强度与铸件的壁厚有关，铸件壁厚增加则强度降低。因此，本设计选择灰铸铁作为泵体铸造材料。150HT参考机械设计手册第一篇常用材料表1-2-3查得，灰铸铁最小壁厚：150HT一般铸造条件下，最小允许壁厚4m2）泵体外形根据配油盘直径尺寸，靠密封圈装在泵体和泵盖中，间隙配合，故泵体内圆直26径。85m根据最小允许壁厚和螺栓连接的工作要求，泵体宽度和高度的尺寸为10bhm泵体长度，根据转配流盘、轴承装配长度和泵体底部壁厚设计，考虑取泵底部壁厚，轴承孔宽度查轴承尺寸得,转子、配油盘在泵体内的安装配合长度157,轴承底部孔深，则泵体总长m2315251590lm3）吸油腔尺寸吸油腔宽度：sin85sin3042.52ybD吸油腔长度：吸油腔与右配流盘的吸油窗口相通，由此得到65ylm4）轴承安装孔泵底轴承孔由选择的轴承决定，由轴承型号为型其尺寸61902，则轴承孔径为。15287dDB8m参考表，轴承孔内底孔壁为轴承内径的轴向支承，查其安装尺寸-6(min).4ad故取轴底孔直径18.0zd5）螺栓孔布置泵体连接螺栓选择六角头螺栓C级，由机械设计手册20578GB/T第篇连接与紧固表4-1-76，选择螺栓型号为。41M则泵体螺栓孔为,分布在泵体的四个角上，圆心为.1.8.ldmm156）其它泵体底部装螺钉头的孔径由螺钉型号查得螺钉头直径确定，因此，.kd取孔径为,孔深4mm。m3.11盖板的设计271）作用：固定轴承和进行密封2）类型：选择凹缘式凹缘式轴承端盖调整轴向间隙方便，密封性好。3）材料：铸铁铸造HT150详细尺寸参看图纸。3.12主要标准件的选用1）轴承的选择机械设计手册()第6篇轴承表6-2-52，选择深沟球轴承。单行本型号：6902型号：52)密封件选择旋转轴唇形密封圈选择参考机械设计手册()第篇润滑与密封表10-4-12单行本10型号:FB2540GB138711992尺寸:内径d=25mm,外径D=40mm,宽度7.3bmO形橡胶密封圈选择参考机械设计手册()第篇润滑与密封表10-4-5单行本10泵体密封圈选择内径段：85m型号：GGB/T3452.11992.026机械设计手册()第10篇润滑与密封表10-4-8单行本密封沟槽尺寸，槽宽，槽深0.2538b0.197h内径47mm段：型号：GGB/T3452.1199245.26机械设计手册()第篇润滑与密封表10-4-8单行本10密封沟槽尺寸，槽宽，槽深.2538b0.197h配流盘密封圈选择外径85mm段：28型号：GGB/T3452.1199282.065机械设计手册（）第篇润滑与密封表10-4-8单行本10密封沟槽尺寸，槽宽，槽深.2538b0.197h外径47mm段：型号：GGB/T3452.11992462.5机械设计手册（）第篇润滑与密封表10-4-8单行本10密封沟槽尺寸，槽宽，槽深.2538b0.197h3.13螺钉选择1)定子、侧板配合螺钉选择：参考机械设计手册（）第4篇连接与紧固表4-1-104，选择十字槽单行本圆柱头螺钉208/TGB型号：37M尺寸：；螺纹长度min5b；螺钉头半径(ax).kd；螺钉头高度2；螺纹过渡段长度max1.52)盖板螺钉选择：参考机械设计手册（）第篇连接与紧固表4-1-106，选择内六角单行本4圆柱头螺钉201.7/TGB型号：63M尺寸：全螺纹长度，螺钉头半径(max)10kd，螺钉头高度6;商品规格长度3l，内六角外接圆直径min5.72e3)挡板螺钉参考机械设计手册（）第篇连接与紧固表4-1-105，选择开槽圆单行本4柱头螺钉（）2065/TGB29型号：37M尺寸：全螺纹长度，螺钉头半径(max)5.kd，螺钉头高度2;商品规格长度1l，开槽宽度0.8n，开槽深度mi7t,倒圆角in.1r3.14螺栓的选择参考机械设计手册（）第篇连接与紧固表4-1-76，选择六角头单行本4螺栓C级（GB/T57802000）型号：8120M；螺栓头半径(min).5Wd，螺纹长度b；螺栓头高度；.3k3.15键的选择机械设计手册（）第篇连接与紧固表4-3-19，选择普通平键A单行本4型：型号：GB/T1096197982尺寸：，高度0.97hC=0.3,倒角轴上键槽尺寸：参考机械设计手册（）第篇连接与紧固表4-3-18单行本4，槽深0.24tm303.16圆锥销的选择参考机械设计手册（）第篇连接与紧固表4-3-3，选择单行本4型号：销17/TGB320尺寸：a=0.4，a为两端圆弧长度，锥度1:50技术条件：35钢热处理,硬度,表面氧化处理HRC84液压泵的工作过程仿真4.1模拟仿真软件的选用本次设计选择Pro/E进行模拟仿真。4.2对Pro/E软件界面的认识314.3对泵的零件进行三维建模4.3.1泵盖的三维实体设计步骤(1)建立新文件单击工具栏中的，在弹出的新建对话框的“类型”栏中选择，在“名字”文本框中输入BENGGAI.PRT，弹出“新文件选项”对话框，选择mmns_part_solid，单击“确定”按钮，进入绘图界面。（2）设置绘图基准面。选择界面右端绘图工具栏中的按钮，窗口下面出现拉伸功能菜单，依次选择“放置”“定义”项，弹出“草绘”对话框，选择FRONT基准面为草绘平面，单击“草绘”对话框中的“草绘”命令，接受默认参照方向进入草绘模式。（3）绘制草图。使用标注修改草图尺寸，选择“确认”按钮，完成草绘特征。（4）生成拉伸实体特征。在功能菜单中分别选择“实体”和“两侧”按钮，输入拉伸高度，再选择右侧按钮，完成拉伸特征。（5）选择界面右端绘图工具栏中的按钮，再选择界面下端拉伸工具栏中的按钮。以FRONT面为基准平面，进入草绘界面，以上一个草绘平面中的泵盖外形为参照，按要求绘制各种孔和定位孔位置尺寸。得到完整的齿轮泵泵盖三维实体如图4.1所示。图4.1泵盖324.3.2齿轮轴的三维实体设计步骤轴的三维实体设计步骤(1)建立新文件单击工具栏中的图标，在弹出的新建对话框的“类型”栏中选择“零件”项，在“名字”文本框中输入ZHUDONGCHILUNZHOU.PRT，弹出“新文件选项”对话框，选择mmns_part_solid，单击“确定”按钮，进入绘图界面。（2）创建旋转特征单击工具栏中的按钮，进入旋转特征创建环境。单击工具栏的“放置”“定义”按钮，选择TOP平面作为草绘平面，接收系统提供的默认参照系，进入草绘。绘制如设计图纸所给的主动齿轮轴的草图，按绘图要求修改尺寸，完成后单击工具栏中的按钮，退出草绘。选择旋转角度为360，单击提示区中的按钮，完成旋转实体创建。（3）倒角特征创建单击工具栏中的按钮，进入倒角特征创建工作区。选择类型为“”，xD45直径修饰改为1，完成创建倒角实体图。得到的轴三维实体如图4.2所示。图4.2旋转后生成的轴的实体图图4.3参数对话框齿轮的三维实体设计步骤(1)齿轮参数的设定。单击“工具”“参数”，弹出参数对话框，单击添加参数，齿轮2参数名及值如下图4.3参数对话框所示：（2）插入齿轮各值间的关系。单击“工具”“关系”，在弹出的对话框中输入齿轮各值的关系式，如下：ha=mhf=1.25*mda=m*(z+2)33d=m*zdb=d*cos(angle)df=m*(z-2.5)完成后的关系对话框如图4.4所示：图4.4关系对话框图4.5齿轮基本圆尺寸的切换（3）重生成参数。点击“重生成”按钮，再选择“工具”“关系”，在弹出的对话框中可以看到以往设置为零的选项会生成尺寸。(4)创建齿轮基本圆。绘制四个同心圆。用关系将四个圆的尺寸变为标准值。选择“工具”点击确定按钮，再单击再生成按钮“关系”，弹出关系对话框，在其中输入如下关系：d3=da；d2=d；d1=db；d0=df。得到新圆如图4.5所示。（5）渐开线的创建。用方程创建齿轮中齿的轮廓渐开线。如图4.6所示。图4.6渐开线的创建图4.7镜像后的渐开线（6）镜像渐开线。选择第一段渐开线，单击“镜像”按钮，系统弹出镜像面板对话框，并要求选择一个项目进行镜像，选择先前创建的DTM2平面作为镜像平面，在“镜像”特征定义操控面板内单击按钮，完成渐开线的镜像。镜像后的渐开线如图4.7所示。（6）创建齿形。首先在工具栏内单击按钮，弹出“拉伸”定义操控面板，在面板内单击“放置”“定义”，弹出“草绘”定义对话框，选择“FRONT”面作为草绘平面，34接受系统默认的参考平面，单击“草绘”进入草绘环境。其次绘制如图4.8所示的二维草图。接着开始拉伸齿形。在拉伸特征定义操控面板中选取“实体”按钮，拉伸深度可暂时不定，单击完成拉伸，如图4.9所示。图4.8齿形的草绘图图4.9齿形的初步拉伸最后运用“关系”将齿形标准化。单击“工具”“关系”，系统会弹出“关系”对话框，再单击初步拉伸成的齿形，发现视图中会出现两个尺寸：齿宽d8和圆角半径d9。在关系对话框中输入关系式，d8=b；ifhax=1，d9=0.38*m，endif；ifhax1，d9=0.46*m，endif。再单击“确定”按钮。点击“再生成”按钮，得到标准齿型。（7）齿的复制和阵列。单击“编辑”“特征操作”，在弹出的“菜单管理器”中选择“复制”“移动”“完成”，选定创建的齿，单击“完成”“旋转”“曲线/边/轴”，选择“A-1”轴，单击“正向”，在“输入旋转角度”中输入“360/z”，单击，再单击“菜单管理器”中的“完成移动”，尺寸参数先不予考虑，单击“完成”，再单击“组元素”中的“确定”，完成一个齿轮的复制。选定复制的齿，单击“阵列”按钮，点击图中的尺寸，变其值为“360/z”，在“阵列操控面板”输入阵列个数为“14”，单击按钮，完成齿的初步阵列。接着运用“关系”完成齿轮齿的全部创建。单击“工具”“关系”，系统弹出“关系”对话框，点击所阵列的五个齿，此时会发现其中出现齿数的标注p17，在“关系”对话框中输入如下关系：。单击“确定”，“重生成”，完成齿轮齿数的创建，17zP这样就完成了主动齿轮轴的三维实体创建，如图4.10所示。354.10主动齿轮4.3.3齿轮泵泵体的三维实体设计步骤泵腔外形的三维实体设计步骤（1）创建新文件。单击界面上部工具栏中的“新建文件”按钮，出现“新建”对话框。在这个对话框的“类型”栏中选择“零件”按钮，在“名称”文本框内输入CHILUNBENGBENGTI.PRT，单击“确定”按钮，弹出“新文件选项”对话框，选择mmns_part_solid选项，单击“确定”按钮，进入绘图界面。（2）设置绘图基准面。选择界面右端绘图工具栏中的“拉伸”按钮，窗口下面出现拉伸功能菜单，依次选择“放置”“定义”项，弹出“草绘”对话框，选择FRONT基准面为草绘平面，单击“草绘”对话框中的“草绘”命令，接受默认参照方向进入草绘模式。（3）绘制草图。使用界面右端绘图工具栏中的绘图按钮绘制泵体外形。使用标注修改草图尺寸，选择“确认”按钮，完成草绘特征。（4）生成拉伸实体特征。在“拉伸”功能菜单中分别选择“实体”图4.11泵体364.4齿轮泵的装配流程图（1）组件的建立单击界面上部工具栏中的“新建文件”按钮，出现“新建”对话框。在这个对话框的“类型”栏中选择“组件”按钮，在“名称”文本框内输入CLBZPT.ASM，单击“确定”按钮，弹出“新文件选项”对话框，选择mmns_asm_design选项，单击“确定”按钮，进入装配界面。（2）主动齿轮轴的装配首先选择界面右边工具栏按钮，将主动齿轮轴添加到组件，然后选择约束类型为“对齐”，单击界面上部的“放置”按钮，选择元件