大流量内啮合齿轮泵的设计之开题报告

1、机械科学与工程学院一一毕业设计（开题报告）第 页第 页课题综述1.1背景液压泵是整个液压系统的动力源部分，它把机械能转化为液压能，在液压系统中起着关键作用。内啮合齿轮泵结构紧凑、尺寸小、重量轻、噪声小，流量和压力脉动小1。由于内啮合齿轮泵的内外齿轮转向相同，相对滑动速度小，因而磨损小，使用寿命长。而且内啮合齿轮泵允许使用高转速，可以获得较大的容积效率，因此内啮合齿轮泵的应用相当广泛。目前，内啮合齿轮泵与其他类型的泵相比排量偏小，当要选用大排量的内啮合齿轮泵时，多采用双联泵或改用其他形式的泵。为了充分利用内啮合齿轮泵的优点，又能满足一些液压系统对大流量泵的需求，开展了大流量内啮合齿轮泵的研究。1

2、.2国内外现状近年来，各国都比较重视内啮合齿轮泵的发展，而国内，认为其制造工艺比较复杂，且对油泵噪声控制要求不高，故生产和应用较少，仅生产摆线内啮合齿轮泵。近几年，通过引进国外先进技术开始了内啮合齿轮泵的研究与开发。目前，国内主要是上海机床厂引进美国V1CKERS公司产品生产的GPA型内啮合齿轮泵，内外转子间用固定月牙块隔开，无间隙补偿，排量1.7663mL/r,额定压力lOMPa,转速范围5003000r/min。上海航空发动机制造厂生产的NB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10250mL/r,额定压力低压6.3MPa，中压12.5MPa,双级泵可达25

3、MPa，额定转速1500r/min。国际上，有德国VOITH公司产品，内外转子均为修正渐开线齿形，内外转子间用活动月牙块隔开，按出口压力分为中压泵21MPa和高压泵33Mpa。其中高压泵齿圈、齿轮端面都有间隙补偿，该泵机械效率、容积效率都比较高，排量3.5250mL/r,转速范围4003600r/min。德国BOSCH公司生产的内啮合齿轮泵内外转子间用活动月牙块隔开，轴向端面间隙补偿，排量3.5250mL/r，转速范围6003200r/min。还有日本的不二越公司、台湾全惫精机公司生产的中高压内啮合齿轮泵。上文中提到的几种泵的参数如下表所示：生产厂商间隙补偿措施排量（mL/r）转速（r/min

4、）上海机床厂无间隙补偿1.76635003000上海航空发动机制造厂无间隙补偿102501500德国VOITH公司齿圈、齿轮端面有间隙补偿3.52504003600德国BOSCH轴向端面间隙补偿3.52506003200目前，国内外有关内啮合齿轮泵的研究主要集中在以下方面：齿轮参数2及泵体结构的优化设计3；补偿面及齿间油膜的计算机辅助分析；困油冲击及卸荷措施4；齿轮泵噪声的控制技术5；降低齿轮泵的流量脉动的方法；轮齿表面涂覆技术6及其特点；轮齿弯曲应力及接触疲劳强度的计算；齿轮泵的变量方法研究；齿轮泵的寿命及其影响因素；齿轮泵高压化的途径7。从目前的研究状况看，关于内啮合齿轮泵大流量方向的的研

5、究比较少，这也是此次研究的原因所在。希望通过此次的研究，进一步扩大内啮合齿轮泵的应用范围。课题研究内啮合齿轮泵有两种，渐开线内啮合齿轮泵和内外转子式摆线泵。下面以渐开线内啮合齿轮泵为例说明内啮合齿轮泵的工作原理。内啮合齿轮泵工作原理如图1所示。在一对相互啮合具有共扼齿形的小齿轮和内齿圈2之间有月牙隔板1将吸油腔和压油腔隔开。当小齿轮按箭头所示方向旋转时，内齿圈也以相同方向旋转，左半部轮齿脱开啮合的地方齿间容积逐渐扩大，形成真空，液体在大气压力作用下进人吸油腔并填满各齿间。而右半部轮齿进人啮合处齿间容积逐渐缩小，油液被挤压出去，轮齿不停地转动，齿轮泵就不停地吸油和压油。考虑到渐开线齿轮比摆线齿轮

6、的加工工艺简单，制造成本低，本次研究中选用渐开线内啮合齿轮泵。图1内啮合齿轮泵工作原理图1-月牙板2-齿圈3-小齿轮2.1研究内容关于渐开线内啮合齿轮泵已有不少作者进行研究，但多数是研究泵的性能参数优化，比如流量特性的研究、减小噪声、强度分析。而此次的研究有所不同，主要突出在两点：大流量和泵，不仅要研究增大泵流量的方法，还有完成整个泵的设计。整个研究过程中，既要突出“大流量”，又要考虑到“泵”这个整体。基于以上分析，整个研究工作主要解决一下问题：如何增大内啮合齿轮泵的流量，这是此次研究与以往研究的不同之处，也是研究的重点；如何提高泵的承载能力。径向压力的不平衡是所有泵面临的共性问题，且工作压力

7、越大，这种不平衡越明显。提高泵的承载能力，主要是解决“径向压力不平稳”问题；如何提高泵的容积效率，主要解决如何实现“侧向、径向间隙的自动补偿”；兼顾泵的其他方面的性能，比如足够的强度、合适的尺寸、工作噪声流量和压力的脉动性等；提高设计效率。2.2研究路线和技术方案此次研究中主要解决的问题已在上文中提出，下文将逐条给出对应的解决思路或具体措施。机械科学与工程学院一一毕业设计(开题报告)机械科学与工程学院一一毕业设计（开题报告）第 页第 页增大内啮合齿轮泵的流量泵的理论流量q：tqV(1)t式中，为泵的角速度，V为泵的排量。从式(1)知，要从根本上增大泵的流量，需要增加泵的排量。泵的排量是指，泵每

8、转一弧度，由其几何尺寸计算而得到的排出液体的体积。因而，要改变泵的排量就要改变泵的结构尺寸。关于内啮合齿轮泵的排量公式已有作者推到过，且从不同角度推到可以得出不同的公式，此处我们采用如下公式：V=“BR2-(R-a)2(2)a1a2式中，B为齿轮宽度，a变位后中心距，R、R分别为小齿轮和齿圈的齿a1a2顶圆半径9。由式(2)知，要增加泵的排量须改变小齿轮和齿圈的相关参数，比如增加齿宽，增加小齿轮的齿顶圆半径，减小齿圈的齿顶圆半径。在对式(2)和齿轮相关参数进一步研究之后，还可以得出如下结论：排量随着模数的增大而增大，并且与模数的平方成正比；随着压力角的增大而减小，压力角从20o增大到30o时，

9、排量减小0.38%；随着小齿轮齿数的增大而增大，当小齿轮的齿轮数由12增加到14时，内啮合齿轮泵的排量增加17.78%；随着齿圈齿数的增大而减小，当齿圈齿数由19增加到21时，齿轮泵的排量减小0.62%；随着齿顶高系数的增大而增大，当齿顶高系数由0.80增加到1.00时，内啮合齿轮泵的排量增加2.58%；与顶隙系数的取值无关；随着变位系数或变位系数差的增大而增大10。依据以上结论，改变齿轮的相关参数，从而增加泵的流量。但在增加泵流量时，不能忽略流量的脉动性。因为改变齿轮的参数会影响到流量的脉动，这点在设计时要注意。增加泵的承载能力内啮合齿轮泵在工作时，齿圈由泵体内表面支撑，齿圈受到齿轮副的啮合

10、力和高压腔对齿圈的压力，二者的合力使齿圈和泵体内表面之间构成滑动轴承副11。内啮合齿轮泵泵体内表面材料一般为铸铁或铝合金，承载能力相对较低。随着泵工作压力的提高，合力增大，使滑动轴承副负荷加大，相对滑动表面逐渐由油膜润滑过渡为边界摩擦，最终造成泵体表面的咬合破坏。因此，要提高泵的承载能力必须对合力进行补偿。初步设想通过如下方案解决这一问题：在齿圈外加一个半圆形支撑块，支撑块选择硬度比齿圈小的材料制造。这样一来，齿圈与支撑块摩擦时，可以减少齿圈的磨损，通过更换支撑块来减小更换齿圈带来的高成本。同时，为尽可能减少二者的摩擦，在支撑块内设置一个空腔，将高压油引进，从而形成静压油腔。该静压力可以抵消一

11、部分力，从而提高泵的承载能力。提高泵的容积效率泵经过容积损失后的实际输出功率和理论输出功率之比，称为容积效率。容积损失主要是由泄露造成的。因此，为提高内啮合齿轮泵的容积效率，应使泵具有较强的抵抗泄露的能力。可以通过内啮合齿轮泵的侧向、径向间隙自动补偿实现泵的高容积效率。在齿轮两侧布置两个带有孔的浮动侧板，将泵出口处的高压油通过油孔引入浮动侧板上的压力腔，在静压力作用下，两个浮动侧板紧贴在齿轮、齿圈和月牙板的两侧面，使齿轮副的侧向间隙大大减小，从而抑制出口高压油通过侧向间隙向泵的进口泄露，由此实现侧向间隙的自动补偿。径向间隙的自动补偿，是通过支撑块的结构实现的。支撑块的CAD图（2）所示。其径向

12、间隙补偿原理：内齿轮的外圆支承在径向支承块的内表面上。由于内齿轮的高速旋转，使两者配合表面磨损，间隙将逐渐变大。但因径向半圆支承块的下面也有两个背压室，各背压室均与压油腔相通，在背压作用下，径向半圆支承块推动内齿轮，内齿轮又推动填隙片（月牙板）与小齿轮齿项相接触，形成高压区的径向密封12。OO图2支撑块CAD图兼顾泵的其他性能设计过程中，要不时从泵这个整体去看待设计，不能顾此失彼。泵的性能参数是相互关联的，一方面的变动会对另一方面产生影响。例如泵的排量随着压力角的增大而减小，但从增大泵流量的角度考虑，应该选用较小的压力角。但是，流量脉动却随压力角的减小而增大，大的流量脉动会损坏液压系统。因此，

13、选择压力角时，要考虑两方面的影响。设计时，要从局部和整体两方面着手。提高设计效率随着计算机技术和软件工程的发展，设计效率大为提高。设计时，尽可能采用现代设计方法，加快设计过程。用AutoCAD绘制工程图，Solidworks建三维模型，Ansys进行机械强度的校核和流体分析。工作进度安排第一阶段：第1周第2周，完成查阅资料；第二阶段：第2周第5周，完成外文文献翻译、文献综述及开题报告第三阶段：第4周第6周，完成理论分析研究；第四阶段：第5周第9周，完成设计计算；第五阶段：第7周第15周，完成工程图设计；第六阶段：第15周第17周，完成撰写毕业论文。参考文献张国贤.文章.流体传动与控制.高压内啮

14、合齿轮泵,2011(6)：57-58.李志华，顾广华齿轮泵齿轮基本参数的优化设计江西农业大学学报，199719(3)：132136栾振辉.齿轮泵研究的现状与发展起重运输机械，2005(6)：l1-13杜昌义齿轮泵困油现象及卸荷措施的分析，四川农机，2002，6：24李岚，马云齿轮泵唆声的机理分析与控制组合机床与自动化加：技术，2002，(11)：65-66秦山，崔建昆，杨林齿轮泵的快速修复方法研究机床与液压，2002(3)162-163ValentiMichael.ImprovingGearPumpLoadCapacity.MechanicalEngineering,1994.116(3):42杨曙东，何存兴