基于solidworks的齿轮油泵设计说明

PAGE.PAGE.中国矿业大学XX学院本科毕业设计〔2014届题目基于solidworks的齿轮油泵设计系别机电动力与信息工程系专业机械工程及自动化年级10级机械2班学生姓名张为林指导教师张超20XX4月14日..济源职业技术学院毕业设计设计任务书设计题目：基于Solidworks的齿轮油泵设计设计要求：收集关于齿轮油泵的资料,并详细了解齿轮油泵的各个组成部分及其作用；知道齿轮油泵的工作原理；了解三维软件Solidworks的发展历程,并能熟练运用Solidworks进行零件建模设计,装配设计,仿真设计；提交毕业论文,完成毕业设计。设计进度要求：一：选择课题,勾勒基本的设计思路二：查找与其有关的资料,确定总体方案设计三：进行齿轮油泵的设计和计算四：写出草稿,画出草图,让老师检查五：撰写毕业论文六：修改论文、定稿、打印七：提交论文并准备答辩八：参加答辩指导教师〔签名：..摘要本课题是依据齿轮油泵的装配图为基础进行完善设计,应用SolidWorks进行总体造型和部分零件的造型测绘及分析以及使用Autocad2007进行两个齿轮油泵组成零件的绘制,完成齿轮油泵重要零件的设计,绘制出齿轮油泵的零件图,并对齿轮油泵材料的选择,齿轮的计算,公差配合,粗糙度及技术条件与原则综合分析,对机械零部件的绘制进行详细的测绘和说明。SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统,Solidworks功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点,使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量,并已经成功地应用为最广泛的中、高端CAD产品,逐步成为其他三维CAD软件追赶和仿效的标准。SolidWorks不仅提供如此强大的功能,同时对每个工程师和设计者来说,操作简单方便、易学易用。本论文就是以齿轮油本为理论支撑,以计算零部件尺寸为主要内容,应用SolidWorks对齿轮油泵各零件进行三维建模,充分利用SolidWorks的参数、关系式、零件库等知识对各组成零、部件进行建模,再完成各部件装配和总装配,最后对总体机构进行运动仿真。通过一系列操作的完成,真实地模拟实现齿轮油泵的工作,对零部件的设计有很大的帮助。关键词：齿轮油泵,Solidworks,齿轮,参数化齿轮计算零件设计..目录设计任务书Ⅰ摘要Ⅱ1齿轮油泵的概述21.1齿轮油泵的发展形势21.2齿轮油泵的工作原理22齿轮油泵的反求设计42.1绘制装配示意图43齿轮油泵的设计要求63.1齿轮油泵的工作参数要求63.2齿轮几何参数的要求83.3齿轮泵的工艺材料及要求技术93.4齿轮泵主要部件参数的确定104齿轮泵结构的几个问题134.1困油现象134.2卸荷措施134.3径向作用力不平衡144.4泄漏145齿轮油泵建模的设计165.1齿轮泵体的设计165.2后端盖的设计215.3传动轴的设计过程285.4其他零部件的设计305.5装配体的实现32结论35致谢36参考文献371齿轮油泵概述1.1齿轮油泵的发展形势齿轮油泵是一种常见的液压泵。它的主要优点是：结构简单,制造方便,造价低,外形尺寸小,重量轻,自吸性好,对油的污染不敏感,工作可靠。由于齿轮泵中的啮合齿轮是轴对称的旋转体,故允许转速较高。其缺点是流量不均匀和困油现象比较突出,噪声高,排量不能调节。齿轮油泵是机械中常用的一种传动机构,其传递功率大,传动效率高,可以传递任何两轴之间的动力和运动。齿轮油泵是借一对相互啮合的齿轮,将原动机输出的机械能换为液压能的转换装置,分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵,在低压液压系统中作为提供一定流量,压力的液压能源。它结构简单,工作可靠,自吸能力好,在低压液压系统中被广泛采用。适用于塑料橡胶加工工业,纺织印染工业,涂料工业,木材加工工业,食品工业、造纸印刷等液态热载体加热等各种工业,齿轮泵结构简单,方便维修。泵工作腔由泵体、泵盖及齿轮的各齿槽构成。由齿轮的啮合线将吸入腔和排出腔分开,随着齿轮的转动,齿间的液体将被带至排出腔,液体受压排出。现在我国的油泵油嘴虽然有了较大的发展,但整体产品水平与国外同类产品相比存在较大的差异。主要表现在产品的可靠性,使用寿命低,制造工艺落后,装备精度低,自动化程度低等。正是出于产品的可靠性差,因此经常发现某些零件出现早期失效导致整个油泵无法正常工作。本论文是针对这一问题进行研究,其目的是找出齿轮轮轴断裂的原因并采取相应的措施,最终解决齿轮轮轴断裂的问题。由于齿轮轴的受力情况比较复杂,国内外对齿轮轴的失效分析甚少,且分析的不全面。本文将对齿轮轴的受力情况及断裂情况运用失效分析学作一全面的分析,以找齿轮轴的断裂原因,从而提高产品质量,保证柴油机的正常运转。1.2齿轮油泵的工作原理齿轮泵的概念是很简单的,即它的最基本形式就是两个尺寸相同的齿轮在一个紧密配合的壳体内相互啮合旋转,这个壳体的内部类似"8"字形,两个齿轮装在里面,齿轮的外径及两侧与壳体紧密配合。来自于挤出机的物料在吸入口进入两个齿轮中间,并充满这一空间,随着齿的旋转沿壳体运动,最后在两齿啮合时排出。齿轮油泵在泵体中装有一对回转齿轮,一个主动,一个被动,依靠两齿轮的相互啮合,把泵内的整个工作腔分两个独立的部分.A为吸入腔,B为排出腔.齿轮油泵在运转时主动齿轮带动被动齿轮旋转,当齿轮从啮合到脱开时在吸入侧<A>就形成局部真空,液体被吸入.被吸入的液体充满齿轮的各个齿谷而带到排出侧<B>,齿轮进入啮合时液体被挤出,形成高压液体并经泵排出口排出泵外。图1.1齿轮油泵工作原理图2齿轮油泵的设计本课题就是以齿轮油泵理论为基础,利用计算器,直尺,圆规等工具画出零件草图和装配草图,为以后的Solidworks设计过程进行数据准备。2.1绘制装配示意图拆卸零件前,先弄懂齿轮油泵的工作原理和全部零件的装配关系用符号绘制装配示意图,编制零件明细表。装配示意图是拆卸过程中所画的记录图样。零件之间的真实装配关系只有在拆卸后才能显示出来,因此需边写边画,记录各零件间的装配关系,作为绘制装配图和重新装配的依据。装配示意图是用单线条和机构运动简图符号画出来的。画装配示意图时,可把装配体看成是透明的,这样就可以把它的内、外、前、后结构按需要表达在一个或两个视图上。画装配示意图的顺序是先画主要零件的轮廓,然后按装配顺序把其他零件逐个画出。为了节省时间,示意图已经给出,要求结合装配体看懂示意图,熟悉表达方法。齿轮油泵未拆装前的示意图见图2.1。图2.1实物图拆装后的零件包括齿轮泵体、齿轮泵盖、齿轮轴、齿轮、轴、填料等部分,实体图见图2.2。图2.2零件图在齿轮泵体的拆装过程中,需要表示各个零部件的位置和配合关系,为以后的再装配提供指导说明。在本课题的拆装过程中绘制了装配示意图,边拆边绘,表明了齿轮油泵壳体,齿轮油泵盖,齿轮轴,齿轮,轴,销子,螺栓的位置和装配关系,见图2.3。图2.3装配示意图3齿轮油泵的设计要求设计齿轮泵时,应该在保证所需性能和寿命的前提下,尽可能使泵的尺寸小、重量轻、制造容易、成本低。因此,合理选择齿轮泵的各项参数及有关尺寸非常关键,设计时通常给出泵的工作压力p和排量V作为原始设计参数。3.1齿轮油泵工作参数要求流量外啮合齿轮泵在没有泄露损失的情况下,每一转所排出的液体体积叫做泵的理论排量,用表示。外啮合齿轮泵,一般两齿轮的齿数相同,所以〔3.1式中:b——齿宽——齿顶圆直径a——齿轮中心距——基圆节距——基圆柱面上的螺旋角不修正的标准直齿圆柱齿轮的齿轮泵的理论排量：〔3.2式中：m——齿轮模数z——齿轮齿数a——齿轮压力角理论流量：〔3.3式中n——泵转速,单位〔r/min实际流量：〔3.4式中——泵的容积效率,一般取0.7509,小流量泵取小值转速齿轮泵一般都和原动机〔电动机、内燃机等直接相连,所以其转速应和原动机的转速一致。转速越高,流量越大。齿轮泵的转速不宜过高,由于离心力的作用,转速高液体不能充满整个齿间,以至于流量减少并引起气蚀,增大噪声和磨损,对高粘性液体的输送影响更大因此必须限制齿轮泵的最高转速。允许的最高转速与工作油液的粘度有关,粘度越高,允许的最高转速就越低。一般用限制齿轮节圆速度的方法来确定最高转速,以保证在工作中不产生气蚀。不同粘度的油液,其允许的齿顶节圆极限速度可按表3.1选取。另一方面,齿轮泵的转速也不能太低,因为当工作压力一定时,泵的泄漏量也接近于一定值,它与转速的关系不大,但转速愈低,流量愈小,泄漏量与理论流量的比值愈大,容积效率愈低。为了避免容积效率严重下降,在实际工作中都不允许泵的转速低于300r/min。表3.1流体粘度与齿顶圆线速度液体粘度v〔mm/s124576152300520760线速度u<m/s>543.732.21.61.25效率〔3.5式中：P——泵进出口压力差〔Q——流量〔l/s——轴功率〔kw齿轮泵的能量损失主要是机械损失和容积损失,水力损失很小,可忽略不计。容积损失主要是通过齿轮端面与侧板之间的轴向间隙,齿顶与泵体内孔之间的径向间隙和侧齿接触线的泄露损失,其中轴向间隙泄露约占总泄露量的75%-80%,机械效率=0.8-0.9,大流量泵机械效率低。3.2齿轮几何参数的要求齿数z、模数m和齿宽B我们知道只要确定了z、m、B,泵的结构尺寸就大体确定了。泵的结构尺寸确定后,再进行有关的机构设计和强度校核。〔1齿数z的确定齿数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。从增大泵的排量考虑,在齿轮分度圆直径不变的条件下,齿数越少,泵的外形尺寸小,模数越大,泵的排量就越大。从泵的性能考虑,齿数越少,对改善困油现象及提高机械效率有利,但是泵的流量及压力脉动增加。目前齿轮泵的齿数一般为z=6~20。由于低压齿轮泵多应用在机床上,故要求流量均匀,因此低压齿轮泵的齿数多取为13~20。齿数为14~17的低压齿轮泵由于根切较小,一般不需要进行修正。对于高压齿轮泵,要求有较大的齿根强度。为了减少轴承的受力,要减少齿顶圆的直径,这样势必要增大模数、减少齿数,因此高压齿轮泵的齿数较少,一般z=6~14。为了防止根切而削弱齿根强度,齿形要按照要求进行修正。中低压齿轮泵对压力和流量脉动要求较严,通常取z=1225,高压泵为减小外形尺寸,一般取z=614,对流量脉动要求不高的粘性液体输送泵可取z=68。〔2齿轮模数m的确定对于低压齿轮泵来说,确定模数m主要不是从强度方面着眼,而是从泵的流量、压力脉动、噪声以及机构尺寸等方面考虑。我们知道,模数m越大,泵的排量就越大,并且当齿轮节圆直径一定时,对排量来讲,增大模数比增加齿数有利。因此为了减少泵的体积,希望在可能的条件先尽量增大模数,减少齿数。但齿数太少将使液压泵的流量和压力脉动增加,因此模数选择要适当。齿轮泵的排量公式：〔3.6根据上式可以计算出齿轮的模数,其中B/m可按推选数值进行选取,计算得到的m值要圆整到标准数值。中低压齿轮模数按表3.2选取。对工作压力大于10mPa的高压泵,应考虑齿轮强度,需适当增大模数。表3.2流量与模数流量Q〔l/min>模数m<mm>4101.52>10322.53>32633.54>631254.55〔3齿宽B的确定齿轮泵的流量与齿宽成正比,增加齿宽也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的增加,因此,齿宽较大时液压泵的总效率较高。但对于高压齿轮泵,齿宽不宜过大,否则将使齿轮轴及轴承上的载荷过大,使轴及轴承设计困难。一般对于高压齿轮泵,B=〔3~6m;对于低压齿轮泵,B=〔6~10m。泵的工作压力越高,上述系数应取得越小。齿宽按表3.3确定。表3.3工作压力与齿宽工作压力P<mPa>齿宽b<mm><2〔6-10m>210〔4-8m>10〔3-6m3.3齿轮泵的工艺、材料及要求技术目前使用的齿轮泵中,齿轮和轴通常做成整体。其优点是结构紧凑,装配方便。对于尺寸较大的齿轮泵,齿轮和轴可以做成分离式,齿轮和轴之间采用键联接,这样的结构工艺性好,加工齿轮侧面较容易,在平面磨床上加工相同的齿宽很容易得到保证。齿轮泵通常采用的零件材料有：泵体和端盖采用铸铁或铝合金,齿轮和轴采用45钢、40Cr、20CrMnTi、20Cr、38CrMoAl等材料〔前面两种用于低压齿轮泵,后面三种用于高压齿轮泵。材料经渗碳氮化处理,表面硬度达60~62HRC,心部硬度28~44HRC,使齿轮具有较高的耐磨性和冲击韧性；淬火后的工作表面必须磨光。轴套一般采用40钢、40Cr和青铜。齿轮泵主要零件的技术要求如下：①泵体内孔锥度和圆度小于0.01mm;②齿顶圆和泵体配合；③泵径向间隙一般为0.02~0.06mm；④一对齿轮宽度误差小于0.005~0.01mm,一对齿轮同侧轴套宽度误差小于0.005~0.01mm；⑤齿轮轴孔和齿顶圆之间的偏心量小于0.01mm;⑥用涂色法检查,在齿高方向上齿轮啮合长度大于65%,在齿宽方向上齿轮啮合长度大于60%；⑦齿轮表面粗糙度为0.2μm,齿轮两侧面表面粗糙度为0.2μm,轴颈的表面粗糙度为0.1μm,泵的其他主要密封滑动面〔如轴套内孔面、轴套侧面、齿顶圆表面及泵壳体内表面等的表面粗糙度一般为0.4μm；⑧轴圆度及锥度小于0.005mm;⑨泵体中心便心距偏差小于0.03~0.04mm,中心线平行度小于0.01~0.02mm。3.4齿轮泵主要部件参数的确定本设计将设计一个直齿圆柱中低压齿轮泵由以上要求,综合考虑现初步确定一对啮合的齿轮齿数z=16,模数m=3,齿宽定为b=20,电机转速2000r/min2500r/min,工作压力P=10mP.以上参数可能由于不符合〔3.1中要求。表3.4渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸公式表名称符号计算公式齿数z根据工作要求确定模数m由强度计算确定分度圆直径dd=mz齿顶高齿根高全齿高hh=齿顶圆直径基圆直径齿距pp=πm齿厚ss=πm/2齿槽宽ee=πm/2标准中心距a齿隙c基圆齿距法向齿距压力角α国家标准α=20°现加以验证：由公式〔3.2,〔3.3,〔3.4：流量、排量和模数的关系符合表3.2的要求。齿轮分度圆直径齿顶圆直径所以顶圆点的线速度要想通过表3.1确定是否符合要求,就要先确定液压油的型号。在液压泵,液压控制阀,液压缸〔液压马达以及油管等连接起来的密封液压系统中,能量的传递是通过液压油在流动过程中压力、流量变化来实现的。国内外的统计资料表明,液压系统的故障70%85%是由于液压油方面的原因引起的。在液压系统中,液压油的主要作用是：作为对系统中的能量进行控制、转换和传递的工作介质。此外,液压油还具有其他一些重要作用：润滑液压元件、减少机器的摩擦和磨损、防锈、传热、冲洗粉末等作用。一般情况下,液压设备选用液压油时,应从工作压力、温度、工作环境、液压系统及元件的结构和材质、经济性等方面综合考虑。齿宽的验证可以直接从表中看出符合要求。4齿轮泵结构的几个问题4.1困油现象为保证齿轮泵能连续输液,必须使齿轮的重叠系数ε>1,即要求在一对齿啮合行将脱开前,后面一对就进入啮合,因此在一段时间内同时啮合的就有两对齿,留在齿间的液体被困在两对啮合齿后形成一个封闭容积〔称闭死容积内,当齿轮继续传动时,闭死容积逐渐减小,直至两啮合点处于对称于节点P的位置时,闭死容积变至最小,随后这一容积又逐渐增大,至第一对齿开始脱开时增至最大。当闭死容积由大变小时,被困在里面的液体受到挤压,压力急剧升高,远大于泵排出压力,可超过10倍以上的程度。于是被困液体从一切可以泄露的缝隙里强行排出,这时齿轮哈轴承受到很大的脉冲径向力,功率损失增大,当闭死容积由小变大时,剩余的被困液体压力降低,里面形成局部真空,使溶解在液体中的气体析出,液体本身产生气化,泵随之产生噪声和振动,困油现象对齿轮的工作性能和寿命均造成很大的危害。4.2卸荷措施产生困油现象的根本原因是重合度ε>1。从理论上讲,只要取ε=1就会消除困油现象。事实上,由于制造和安装误差,往往会出项ε<1的现象,这就造成齿轮传动不连续,高低压油腔瞬时串通导致高压油腔向低压油腔倒流。所以ε的减少应受到限制,设计时通常要求ε不小于1.05。消除困油现象的常用办法,是在与齿轮端面接触的两侧板上开两个用来引出困油液的沟槽,即卸荷槽。尽管卸荷槽的结构形式较多,有相对于节点P对称布置和非对称布置两种,但其卸荷原理是相同的,即在保证高低压腔互不沟通的前提下,设法使困油容积与高压腔或低压腔相通。它的位置应保证困液空间在容积达到最小位置以前与排出腔相连,过了最小位置后与吸引腔相连通。本设计卸荷槽采用对称布置。对标准齿轮,卸荷槽深度见表4.1。表4.1卸荷槽深度齿轮模数m2345678卸荷槽深度h'1.01.52.54.05.57.5104.3径向作用力不平衡齿轮泵工作时,液体作用在齿轮外缘上的压力是不均匀的,由于在压油腔和吸油腔之间存在着压差,又因泵体内表面与齿轮齿顶之间存在着径向间隙,可以认为压油腔压力逐渐分级下降到吸油腔压力。这些液体压力的合力就是作用在轴上的径向不平衡力为：F=KΔpBDa〔4.1式中：K——系数,对于主动轮,K=0.75;对从动轮,K=0.85;Δp——泵进出口压力差；Da——齿顶圆直径。作用在泵轴上的径向不平衡力,能使轴弯曲,从而引起齿顶与泵壳体相接触,从而降低了轴承的使用寿命,这种危害会随着齿轮泵压力的提高而加剧,所以应尽量减少径向不衡量,其方法如下：〔1缩小压油口的直径,使压力油仅作用在一个齿到两个齿的范围内;〔2增大泵体内表面与齿轮齿顶圆的间隙,避免因径向不平衡力使齿顶与泵体内表面相接触；〔3开压力平衡槽,开两个压力平衡槽分别与高、低压油腔相通,这样吸油腔与压油腔相对应的径向力得到平衡。但此种方法会使泵的容积效率降低,目前很少使用。4.4泄漏外啮合齿轮泵压油腔的压力油主要通过三条途径泄露到低压腔中去。1.泵体内表面和齿顶径向间隙的泄漏由于齿轮转动方向与泄漏方向相反,压油腔到吸油腔通道较长,所以径向间隙泄漏量相对较小,约占总泄漏量的10%~15%左右。2.齿面啮合处间隙的泄漏由于齿形误差会造成沿齿宽方向接触不好而产生间隙,使压油腔与吸油腔之间造成泄漏,这部分泄漏量很少。3.齿轮端面间隙的泄漏齿轮端面与前后盖之间的端面间隙较大,此端面间隙封油长度又短,所以端面间隙泄漏量,可占总泄漏量的70%~75%。从上述可知,要想提高齿轮泵的额定压力并保证较高的容积效率,减少端面间隙的泄漏是关键。5齿轮油泵零件建模的设计图5.1齿轮油泵建模5.1齿轮泵体的设计〔1选择前视基准面为草绘平面。使用草图工具栏中的矩形,直线,圆和剪切实体完成所示图5.2的绘制,标注尺寸,拉伸40mm,然后退出草图,见图5.3。图5.2齿轮泵体的设计图5.3齿轮泵体的设计<2>在所示平面内绘制所示草图,单击拉伸切除按钮,深度值完全贯穿,见图5.4、图5.5所示。图5.4齿轮泵体的设计图5.5齿轮泵体的设计〔3选取其中一个侧面,绘制草图。利用拉伸切除切割一个圆柱孔,深度完全贯穿,见图5.6,图5.7,图5.8、图5.9所示。图5.6齿轮泵体的设计图5.7齿轮泵体的设计图5.8齿轮泵体的设计图5.9齿轮泵体的设计完成齿轮泵体的设计,见图5.10图5.10齿轮泵体的设计5.2后端盖的设计〔1选取前视基准面为草绘平面,并绘制草图。拉伸上述草图,深度为15mm,见图所示5.11,图5.12所示。图5.11后端盖的设计图5.12后端盖的设计〔2选取其中一个表面绘制草图,并拉伸上述草图10mm,如图5.13,见图5.14所示。图5.13后端盖的设计图5.14后端盖的设计选取大端面作为草绘平面,绘制凸台草图,并拉伸草图40mm,如图5.15,图5.16所示,并对拉伸凸台进行扫描切除,拉伸切除,如图5.17,图5.18所示。图5.15后端盖的设计图5.16后端盖的设计图5.17后端盖的设计图5.18后端盖的设计在端面绘制草图,如图5.19所示,并将草图拉伸切除11mm,然后再在大端面上绘制草图,如图5.20所示,然后将草图完全贯穿,如图5.21,图5.22所示。图5.19后端盖的设计图5.20后端盖的设计图5.21后端盖的设计图5.22后端盖的设计选取圆角工具,设置半径3mm,绘制圆角,完成后端盖的设计,如图5.23所示。图5.23后端盖的设计5.3传动轴的设计过程〔1在前视基准面上绘制草图,同时对草图进行依次拉伸,拉伸深度分别是10mm,2mm,40mm,2mm,40mm,80mm。选取倒角工具,对边线进行1mm的倒角,结果如图5.24所示。图5.24传动轴的设计〔2构造基准面1,与右视基准面的距离为14.50mm,并在基准面1上进行草图绘制。见图5.25。构造基准面2,与右视基准面的距离10.00mm,并在基准面2上进行草图绘制。见图5.26。图5.25传动轴的设计图5.26传动轴的设计〔3分别对草图进行3mm、2mm的拉伸切除,做出键槽,完成传动轴的设计,结果如图5.27所示。图5.27传动轴的设计5.4其他主要零部件的设计图5.28齿轮1图5.29齿轮2图5.30齿轮3图5.31前端盖5.5装配体的实现〔1对齿轮1,3、传动轴、键1,2、进行装配,完成传动轴的装配,结果如图5.32所示。图5.32传动轴的装配〔2对齿轮2、支承轴进行装配,结果如图5.33所示。图5.33支承轴的装配〔3完成齿轮泵的总装配体,结果如图5.34所示。图5.34总装配体结论本设计画的齿轮油泵,借用了比较先进的三维工具——Solidworks。详细介绍了从零件建模、零件装配设计到机构仿真的几个步骤。其中齿轮及齿轮轴的设计还进行了参数化,并重点描述了齿轮油泵工作原理的动画设计,再装配中对零件可以直接编辑、对模型直接进行的各种力学和运动学分析等特点,通过直观的三维