毕业设计（论文）-基于SolikWorks的齿轮泵设计与仿真

PAGE郑州工程技术学院毕业设计基于Solidworks的齿轮泵设计与仿真PAGEPAGEI郑州工程技术学院毕业设计题目基于Solidworks的齿轮泵设计与仿真类别毕业设计专业机械电子工程班级姓名学号指导教师日期副教授济源职业技术学院毕业设计设计任务书设计题目：基于SolidWorks的齿轮泵设计与仿真设计要求：1.设计并确定齿轮泵参数，包括工作参数（流量、效率和速度）、几何参数（齿数、模数和齿宽）和主要部件参数（分度圆直径、齿顶圆直径和齿根圆直径）。2.根据算出的数据应用软件SolidWorks对齿轮泵的各个部件进行建模，包括泵盖，泵体，齿轮轴。最后熟练掌握SolidWorks的建模方法。3.正确使用SolidWorks正确组装齿轮泵的所有零件，理解并掌握SolidWorks组装方法。4.对已经装配好的装配体进行干涉检查和校核，随后对齿轮泵装配体进行运动分析。设计进度要求：1．2021.10.18-2021.11.30：熟悉设计任务，收集设计资料，撰写设计任务书。2．2021.12.01-2021.12.31：翻译外文文献，撰写开题报告。3．2022.01.01-2022.01.31：设计方案的分析、讨论，确定设计方案、总体设计。4．2022.02.01-2022.03.30：受力分析及相关计算，绘制工程图、三维建模并进行仿真，中期检查。5．2022.04.01-2022.04.30：编写设计说明书，完成查重，准备答辩。6．2022.05.01-2022.05.30：毕业设计最终修改，定稿，终稿查重，胶装，资料归档。指导教师（签名）：PAGEPAGEII摘要齿轮泵是一个普遍使用的机械转移装置，其工作是借助两个相互排列有一定规律的齿轮，齿轮将原动机所输出来的机械能按要求转换为液压能，随后使转换得到的液压能在低压液压系统中为机械装置提供一定具有流量和压力的液压能源，最终使机械正常运行。齿轮泵广泛存在并运用在各大生产行业，减轻个人工作量，提高生产效率，促进行业发展。主要应用于塑料和橡胶加工企业，纺织企业，纺织厂，食品工业和其他行业，其机器组成结构非常简单轻松，却能为行业发展发挥巨大作用。尽管国内的齿轮泵技术处于更大的发展阶段，但与国外的类似产品相比仍然存在很大的差异，这主要表现为低级保质期、低级的办公时间、后退的生产过程等等。本文通过SolidWorks软件的应用，对齿轮油泵的各个部件进行实体建模、虚拟装配、拆卸动画和运动仿真，真实、具体地展示齿轮油泵的实际装配和工作过程，及时发现设计中存在的问题，从而降低成本，提高设计效率。“SolidWorks"是一个具有强大的多组件3d设计仿真软件并且其拥有强大的参数模型功能，在其“外观预览"中提供了一些专门的设计选项，运用其自带的这些功能建模技术在其三维模型安装后创建出一个虚拟的齿轮泵模型。关键词：齿轮泵；SolidWorks，设计，装配，仿真

AbstactGearpumpisamechanicaldevice,thewidespreaduseoftheworkiswiththeaidoftwomutualarrangementhascertainregularityofgears,geartransmitstheoutputtothemechanicalenergyintohydraulicenergybytherequirement,thenmaketheconversionofhydraulicenergyinlowpressurehydraulicsystemsformechanicaldevicesmusthaveflowandpressureofthehydraulicenergy,eventuallymakethenormaloperationofmachinery.

Gearpumpsarewidelyusedinvariousproductionindustriestoreducepersonalworkload,improveproductionefficiencyandpromotethedevelopmentoftheindustry.

Mainlyusedinplasticandrubberprocessingenterprises,textileenterprises,textilemills,foodindustryandotherindustries,itsmachinestructureisverysimpleandeasy,butcanplayahugeroleinthedevelopmentoftheindustry.

Althoughthedomesticgearpumptechnologyisinagreaterstageofdevelopment,buttherearestillgreatdifferencescomparedwithsimilarproductsabroad,whichismainlymanifestedaslowshelflife,lowofficehours,backwardproductionprocessandsoon.Inthispaper,throughtheapplicationofSolidWorkssoftware,eachpartofthegearoilpumpentitymodeling,virtualassembly,disassemblyanimationandmotionsimulation,real,concretedisplayoftheactualassemblyandworkingprocessofthegearoilpump,timelyfindtheproblemsexistinginthedesign,soastoreducecosts,improvethedesignefficiency."SolidWorks"isapowerfulmulti-component3Ddesignsimulationsoftwarewithpowerfulparametricmodelingcapabilities.Inits"AppearancePreview",itprovidessomespecialdesignoptionstousethesefunctionalmodelingtechniquestocreateavirtualgearpumpmodelafterits3Dmodelinstallation.Keywords:gearpump;

SolidWorks,design,assembly,simulationPAGEPAGE50目录TOC\o"1-3"\h\u19279摘要 I3446Abstact II8331目录 193751绪论 4170491.1研究背景及意义 48851.2齿轮泵国内外研究现状 5256551.3本文研究内容 6155872齿轮泵的设计 7213032.1齿轮泵的概述 7152662.2齿轮泵的工作原理 868762.3齿轮泵的分类及特点 991322.3.1齿轮泵的结构分类 915212.3.2齿轮泵的特点 9226432.4齿轮泵设计要求 10262832.4.1齿轮泵工作参数要求 1055612.4.2齿轮设计要求 1131389第三章齿轮泵的传动计算 14143923.1齿轮的基本设计方案 14131233.1.1齿轮的基本参数确定 14318693.1.2齿轮泵的流量确定 15122723.1.3电机的选型 16280653.2传动方式的选择 17235883.2.1机械传动方式 17191423.2.2皮带的定型 17321473.3带传动参数的确定 1885773.3.1带轮参数的确定 1859903.3.2带的基本参数的确定 1932283.3.3V带轮的设计 20298173.4齿轮的基本参数确定 20168493.5齿轮的强度校核 22308913.5.1选精度等级、材料及齿数 22118843.5.2按齿面接触疲劳强度设计 2265133.5.3按齿根弯曲疲劳强度校核 2486963.6本章小结 2582744轴系的结构设计及校核 26162304.1轴的结构设计与校核 26117674.1.1主轴最小轴径的确定 26287464.1.2轴的结构设计 26273734.1.3轴的强度校核 27130914.1.4轴的安全系数校核计算 29315684.2校核键连接的强度 3094224.3弹簧部件分析及选型 31135574.3.1弹簧的作用 31262514.3.2弹簧设计计算 31214624.3.3弹簧的参数校核 33197804.4沉头螺钉的强度校核 3317254.5卸荷槽的设计 34276385基于SolidWorks的齿轮泵建模 36160165.1SolidWorks建模概述 36231425.2齿轮泵的装配图 36155255.3各零部件的建模 37252335.3.1主轴的设计 372615.3.2支架的设计 37211035.3.3泵壳的设计 38326565.4齿轮泵的运动仿真 38238125.4.1齿轮泵的干涉检查 38315705.4.2运动算例的建立 3932905.5爆炸图的分析 4086005.6基于有限元的主轴分析 4169935.6.1有限元分析简介 4126835.6.2静力学模型网格确定 42234045.6.3基于主轴的有限元分析 42130565.7基于Solidworks泵体的模态分析 4471675.7.1电动汽车变速箱振动问题 44258555.7.2模态分析理论基础 45175245.7.3泵体的模态分析 4625449总结 4818553参考文献 499647致谢 50

1绪论研究背景及意义齿轮泵以其系统结构简单、紧凑、体积小、易于加工生产、耐腐蚀、耐污染等优点被广泛应用于农业机械、汽车制造、工程机械、航空航天等领域[1]，也是液压系统中的核心动力装置。齿轮泵的工作原理是通过两个齿轮的啮合操作，不断改变两个封闭容积腔的容积，形成压差，实现吸油和排油。图1-1显示了齿轮泵的结构原理。图1.1齿轮泵的结构原理但齿轮泵也存在许多问题，如存油严重、泄漏、流量脉动大、径向液压不平衡等。其中，径向液压不平衡会导致齿轮轴弯曲变形，影响齿轮泵的工作性能：齿轮啮合松动会增加密封空间，导致泵损失增加，容积效率降低。由于沿齿宽接触不良，会产生部分负载。泵体内壁和齿轮齿刮摩。（4）轴承加速失效导致齿轮泵提前报废。此外，径向液压的不平衡极大地限制了工作压力的增加，使用范围受到限制[1]。在解决齿轮泵径向液压不平衡问题的过程中，研究人员从传动结构的角度对平衡复合齿轮泵、无啮合齿轮泵和行星齿轮泵进行了研究。由于这些齿轮泵的传动部件数量众多，其结构相对复杂。在生产过程中，精度和装配误差会增加对齿轮泵性能的影响。因此，考虑到这些因素，本文设计一款新型变位齿轮的齿轮泵。1.2齿轮泵国内外研究现状随着科技的发展，机械在我们的生活中越来越普遍。出现了大量的机械产品用来帮助人们解放劳动力，加快社会发展，提高生产力，替人完成危险的事。随之也就出现了大批的机械零件需要发展，其中就包括齿轮泵。在此阶段，针对齿轮泵存在的问题，有能力的学者主要开展了以下工作：针对普通齿轮泵径向液压不平衡的问题。利用FLUENT软件对齿轮泵的内部流场进行了仿真分析。结合理论分析，得出了径向液压力的计算方法和降低径向液压力的措施。从开槽的角度出发，设计了一种新型的牙形卸荷槽结构+双静压平衡槽，以实现径向力的作用。其他学者在整体结构上进行了创新，开发了谐波齿轮泵、无啮合齿轮泵、行星齿轮泵和平衡复合齿轮泵等。针对齿轮泵的困油现象，研究人员以斜齿轮泵为研究对象，探讨了困油现象发生时的重合度，并计算了避免困油现象的合理螺旋角度。为了彻底缓解齿轮泵存油环现象造成的冲击破坏，从设计角度来看，应以困油量和困油力的最小值为设计目标，建立基于困油性能的优化模型。为了证明齿轮泵中存在气穴现象，对一种用于油气输送的齿轮泵进行了实验，得到了齿轮泵的困油压力，并推导了计算公式。针对齿轮泵泄漏，在端面间隙和轴向间隙方面进行优化，通过齿轮泵顶部与泵体之间的径向距离来研究[2].不仅改善了齿轮泵的油损失问题，而且对齿轮泵的端面设计、径向和轴向距离也有一定的参考价值。轴向损失问题可以通过改变轴承结构来解决，国外一些学者也对其进行了探索温度对径向间隙和轴向间隙的损失的影响。针对减小齿轮泵的流量脉动，提高齿轮泵的流量质量。从减小流量脉动系数的角度出发，可以减小齿轮泵的流量脉动，如增大齿轮间的径向距离、增大负载压力等。齿轮泵的几何参数和齿形也可以减小流量脉动。例如，使用非对称齿形不仅改善了齿轮泵的流量，还降低了流量脉动和噪声；研究基于流量脉动系数的齿轮泵齿形设计方法，减小了齿轮泵的流量脉动。为了研究泵的噪声控制，研究人员分析了齿轮泵振动和噪声产生的原因，改进了影响噪声的结构因素，有效地降低了振动和噪声的产生。通过计算流体力学（CFD）仿真，得到了齿轮泵的噪声特性，为噪声控制提供了理论依据。噪声产生的原因很多，一些学者分析了噪声产生的不同原因，并提出了有针对性的降噪或防噪措施。从提高齿轮泵高压性能的研究来看，目前大多数齿轮泵仅限于中低压环境。随着齿轮泵的发展和进步，齿轮泵在工作环境中承受的负载压力也越来越大，因此提高齿轮泵的工作压力是使齿轮泵在市场上长期使用的重要因素之一。然而，齿轮泵工作压力的增加也会伴随一些问题，如容积效率降低和泄漏增加导致的径向液压升高。因此，有必要从齿轮泵的结构上对高压齿轮泵进行研究。齿轮泵排量的研究。排量是评价齿轮泵质量的重要指标，是工作效率的直接体现。提高齿轮泵排量可以通过减少泄漏和优化齿轮泵结构参数来考虑。它还可以提高齿轮泵的运行速度或增加进油口和出油口的数量，如谐波齿轮泵。固定排量限制了齿轮泵的工作范围，因此变排量也是齿轮泵的重要研究内容之一。1.3本文研究内容本课题的目的是设计齿轮泵的结构，主轴总成作为齿轮泵的执行元件，需要完成运动传递并满足相关技术指标的要求，本文的主要研究内容如下:多方文献查阅，在充分了解齿轮泵的结构形式下，提出最佳设计方案。完成齿轮泵主轴部分的设计，包括电机的选型、参数的计算、齿轮传动的基本计算。完成齿轮泵运动所需的结构设计和驱动装置，利用三维软件对所设计的齿轮泵进行三维建模，并对模型进行材料的选择和质量设定，为下一步机械部分设计提供基础。完成机械部分设计，并基于三维模型，完成二维总装配图和相关重要零件图的绘制。

2齿轮泵的设计2.1齿轮泵的概述齿轮泵一直被机械行业中机器的动力原件液压泵的液压系统广泛应用，齿轮泵主要有两种结构形式，分别为外啮合和内啮合两种形式。能够被动力系统的液压泵广泛应用，其优点不容小觑。齿轮泵主要优点包括其组成结构简单紧凑、对于工厂也制造方便、维修也简单方便、对使用者而言价格便宜，成本低、而且齿轮泵与其他零件相比，其体积更小、质量轻、转速较高、自吸能力比较好、对工作产生的污垢不敏感、不易坏、且工作能力可靠；当然，任何事物都有其缺点，齿轮泵其主要缺点是流量和压力的脉动大，排量也无法进行调节，工作时产生的噪音大（只有内齿轮泵噪音小），容易对工人造成影响。齿轮泵是液压系统中广泛使用的一种液压泵。它通常由定量泵制成。根据结构的不同，齿轮泵分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵，其中外啮合齿轮泵应用最为广泛。齿轮副两侧的上齿顶圆柱和端面靠近泵壳内壁，在每个齿槽和泵壳内壁之间环绕着一系列K个互不连通的密封工作腔。由干啮合轮齿隔开的腔D和G分别是与泵的吸入和排出口相连的吸入室和排气室，如图2.1（外啮合）所示。图2.1齿轮泵的内部结构简图当齿轮按图所示方向旋转时，由于啮合轮齿逐渐退出啮合状态，使吸入室D的容积逐渐增大，压力降低。在吸液池液面压力和D腔内低压之间的压差作用下，液体自吸入池经吸液管和泵吸入口进入吸入室D。随后又进入封闭的工作空间K，并由齿轮的转动被带至排出室G。因两齿轮轮齿从上侧开始逐渐进入啮合状态，一个齿轮的轮齿逐渐占据另一个齿轮的齿槽空间，使位于上侧的排出室容积逐渐减小，室内液体压力升高，于是从泵排出口排出泵外。齿轮连续转动，上述吸、排液过程就连续不断进行了。齿轮泵最基本的形式是两个大小相同的齿轮在一个紧密匹配的壳体中相互啮合和旋转。外壳的内部类似于“8”形。两个齿轮安装在内部，齿轮的外径和两侧与壳体紧密配合。挤出机材料在吸入门处进入两个齿轮的中间并填充该空间，随着齿的旋转沿着壳体移动，最后在两个齿啮合时排出。2.2齿轮泵的工作原理齿轮泵的工作原理如图2.1所示。齿轮泵壳体由两个齿数相同的外齿轮组成。齿轮两侧都有一个端盖（图中未显示）。它可以在壳体、终盖和泵齿轮之间形成一个密封腔，以便两个齿轮的锯齿面之间的接触线可以与侧腔分离，从而形成一个吸入室和一个压力室。当轴顺时针旋转时，主齿轮右侧腔室中的压力将降低，并产生局部真空。油池中的油由大气压力引起，并进入泵孔。随着齿轮的旋转，槽中的油不断输送到油的左侧。机油出口压力需要润滑。图2.1齿轮泵的工作原理图齿轮泵是一种旋转泵，依靠泵缸和齿轮之间形成的工作容积的变化和移动来输送液体或对其加压。封闭空间由两个齿轮、泵体和前后盖组成。当齿轮旋转时，齿轮脱开侧的空间体积由小变大，形成真空以吸入液体，齿轮啮合侧的空间体积由大变小，以将液体挤压到管道中。吸入室和排气室由两个齿轮的啮合线隔开。齿轮泵的排放压力完全取决于泵出口处的阻力。2.3齿轮泵的分类及特点2.3.1齿轮泵的结构分类1.根据齿轮啮合的形状，可分为外啮合型和内啮合型2.根据齿廓曲线可分为渐开线齿形和摆线齿形3.根据齿面形状可分为直齿轮式、斜齿轮式、人字齿轮式和圆弧齿轮式；4.根据啮合齿轮的数量：二齿轮式和多齿轮式5.根据齿轮的级数，可分为单级齿轮泵和多级齿轮泵齿轮泵具有结构简单、加工方便、体积小、重量轻、自吸能力强、对油污染不敏感等优点，因此得到了广泛的应用。国内齿轮泵行业有两个竞争优势：一方面，它具有低成本的竞争优势；另一方面，国内建筑、石油、石化和环保市场以及大型调水项目的快速增长也为国内齿轮泵行业的发展提供了重要支持。国内不断增长的市场空间是国内齿轮泵行业保持优势的前提。然而，齿轮泵径向力不平衡、流量脉动大、噪声高、轴承寿命短、零件互换性差、磨损后难以修复、排量不可调等缺点限制了齿轮泵的应用范围。2.3.2齿轮泵的特点齿轮泵具有以下特点：1.良好的自吸性能。2.吸入和排出的方向完全取决于泵轴的旋转方向。3.泵流量小且连续，但有脉动和高噪音；脉冲频率为11%～27%，其不规则性与齿轮齿数和齿形有关，斜齿轮的不均匀度度小于斜齿轮，而人字齿轮的不均匀度度小于斜齿轮。4.理论流量由工作部件的尺寸和速度决定，与排放压力无关；排放压力与负载压力有关。5.具有结构简单、价格低廉、易损件少（无需进排气阀）、抗冲击、运行可靠等优点，可以直接连接到电机（不需要减速装置）。6.有许多摩擦面，因此不适合排出含有固体颗粒的液体，适合排送油类。2.4齿轮泵设计要求2.4.1齿轮泵工作参数要求（1）流量对于无损失的外啮合齿轮泵，每转排出的液体体积称为泵的理论排量，用q表示。外啮合齿轮泵通常是两个齿数相同的齿轮，因此(2-1)式中：t——基圆节距；D——齿顶圆直径；——基圆柱面上的螺旋角b——齿宽；a——齿轮中心距；标准齿轮不修正的齿轮泵的理论排量：(2-2)式中：z——齿轮齿数m——齿轮模数а——齿轮压力角理论流量：(2-3)式中，n——齿轮泵的转速，单位（r/min）实际流量：(2-4)式中——泵的容积效率，一般取0.75-0.9，小流量泵取小值。转速齿轮泵的转速不应过高。由于离心力，高速液体无法填满整个齿腔。由于流动和空化的减少，噪声和磨损的增加对高粘度流体的输送有很大影响。可根据表2.1选择速度。（3）效率(2-5)表2.1流体粘度与齿顶圆线速度液体粘度124576152300520760线速度543.732.21.61.25式中：——轴功率P——泵进出口压力差；Q——流量；齿轮泵的能量损失主要是机械损失和容积损失，而容积损失主要是由于齿轮端面和侧板之间的轴向距离、齿轮顶部和泵体孔之间的径向距离，以及齿轮接触线的泄漏损失，容积损失很小，可以忽略不计。其中轴向损失约占总容积体积损失的75%-80%，机械效率约为。2.4.2齿轮设计要求(1)齿数z、模数m和齿宽如果齿太多，泵的整体尺寸会很大，但压力和流量脉冲会很小。中低压齿轮泵对压力和流量脉动有严格要求，通常z=12-25。为了减小高压泵的整体尺寸，通常使用z=6-14。对于具有低流量脉动要求的粘性液体分配泵，可采用z=6-8。应根据表2.2择中低压齿轮模数。对于工作压力大于10MPa的高压泵，应考虑齿轮的阻力，适当增加模数，齿宽按表2.3确定。表2.1流量与模数流量Q模数m<101.52>10-322.53>32-633.54>63-1254.55表2.3工作压力与齿宽工作压力P(Mpa）齿宽b<2m≥210m＞10m齿轮修正齿轮泵采用带压力角的标准螺旋齿轮。当齿数小于17时，会发生二次根切，从而削弱齿轮的阻力，恶化工作条件。齿轮修正方法与通常的齿轮修正方法略有不同。两个齿轮的刀具位移距离为正（即远离中心），修正后的变位齿轮主要计算数据见表2.4。表2.4齿轮修正几何参数几何参数计算公式实际中心距节圆直径顶圆直径根圆直径基圆直径基圆节距啮合角移距系数重叠系数齿顶厚度

第三章齿轮泵的传动计算3.1齿轮的基本设计方案3.1.1齿轮的基本参数确定1.齿宽系数的选择对于低压齿轮泵k=6~10,对于高压齿轮泵k=3~6，本文取齿轮泵的齿宽系数k=6选取齿数Z齿轮齿数的确定必须充分考虑流量脉冲、压力脉冲、机械效率等因素。从流动角度来看，当齿轮分度圆直径不变时，齿数越小，模数越大，输出流量越大；从工作性能出发，减少齿数有利于改善隔油现象，提高机械效率。流量和压力脉动增大，一般z=14~30。本文取齿数泵的啮合齿数为16，齿数较少时，会产生根切现象，对于标准齿轮（齿顶高系数ha=1）不产生根切的最少齿数Zmin如下：表3-1压力角与不产生根切的最少齿轮的关系要求齿数Z≥Zmin，否则会发生根切；因此，有三种选择：为了改善标准齿轮的上述缺点，必须克服标准齿轮的限制，并对齿轮进行必要的调整。改变齿轮的压力角；采用变位齿轮传动；改用斜齿轮进行啮合；本文选择第二种方案；现在最广泛使用的是修正方法，即使用变位齿轮。本文首先初步拟定齿轮泵的流量q=16ml/r，采用交流电动机,转速为2000r/min或2500r/min，取转速2500r/min进行计算最大流量。则齿轮泵的理论流量（3-1）对于齿轮泵模数的确定主要是通过齿轮泵的流量、压力脉动、噪声和结构尺寸综合考虑确定。模数越高，泵流量越高。当节距一定时，增加模数比齿数能提高更多的流量。而齿数过少会增加输油量和流量压力脉冲增加，因此模数选择应适当。（3-2）本文将模数圆整取3；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、壳体和泵板之间的摩擦损失和容积损失之和不随齿宽成比例增加。因此，在高压下齿宽不应太大以减少轴承负载。同时增加齿宽意味着增加轴向空间对液体流动的阻力，从而减少内部泄漏。（3-3）本文齿宽取整选为20mm。3.1.2齿轮泵的流量确定校验齿轮泵的流量（3-4）则齿轮泵的实际式中——泵的容积效率，一般取0.75-0.9；计算齿轮泵节圆线速度：齿轮泵与电机通过带传动相连，因此根据流量公式，其速度n应与主齿轮电机的速度n一致，速度越高，流量越大，但转速过高。由于离心力的作用，油不能完全填满齿。吸油不足会导致容积效率下降、会引起汽蚀、振动和噪音。因此，最大速度是有限制的。最大允许转速与工作油的粘度有关；粘度越高，最大允许转速越低。（3-5）式中，--节圆直径，mm；（3-6）表3-2工业齿轮油粘度与节圆极限速度关系根据表格数据油液的粘度v=12mm2/s对于本设计中的液压油的选定：CBS1016液压泵更符合本文的工作参数，因此cbg1016液压油的选择能很好地满足工作要求，但CBS1016液压泵的工作压力为16Mpa，高于设计工作压力，液压油的型号可根据手册确定：HM46，粘度为20。适当降低粘度值可以满足表2.1中关于齿尖圆最大线速度的要求，齿宽可从表2.3中进行校核。3.1.3电机的选型Y系列电动机是一种全封闭式的三相异步笼型电动机，具有防灰、铁屑或其他零件侵入电动机内部的特点，工作间温度不超过+40，相对湿度不超过95%，额定电压380V，频率50Hz。适用于无特殊要求的机器，如机床、泵、输送机等。选择电机时，必须满足额定功率≥运行所需功率。（3-7）¾电动机输出功率，kW；¾工作机所需输入功率，kW；根据齿轮泵的输入转速及带传动的传动比要求，选取电机型号为Y100L-2，功率3kW，转速为2880r/min，其参数如下：表3-3Y系列异步电机选型表3.2传动方式的选择3.2.1机械传动方式常见的机械传动方式有皮带传动：链条传动、齿轮传动、蜗杆传动、齿轮齿条传动和皮带传动。其中，皮带传动具有结构简单、中心距大、传动功率小等特点。根据这一特点，在多功能脱粒机上使用皮带传动。3.2.2皮带的定型确定计算功率：式中——计算功率（kw）；——传递的额定功率（例如电机的额定功率kw）——工作情况系数查手册[13]表14.1-12得知则此处机械设计手册选用A型皮带。3.3带传动参数的确定3.3.1带轮参数的确定(1)所选的V带型号为A型，为了减少运行中带过度弯曲的应力集中采用较大的皮带轮直径，通常取≥dmin，查阅资料可得：A型带的V带最小基准直径为75mm，选择小带轮的基准直径取75mm[3]。(2)计算V带的速度（3-9）V带传动速度不宜过高，一般在5-25m/s,此处为14.87m/s，符合要求。(3)计算大带轮的基准直径根据传动比，本文指定输入转速为2000r/min和2500r/min，此处取2500r/min；大带轮的直径计算：1.15×75=86.4mm（3-10）查阅《机械设计手册》确定大带轮的基准直径为85mm。所以，（3-11）式中，——滑动率，本文取0.01。则传动比误差为（3-12）与上述计算误差在5%内，满足要求。(4)确定中心距a和带的基准长度：根据0.7（d1+d2）<a0<2（d1+d2），（3-13）则初取中心距a0=200m，（3-14）查文献[3]取基准长度则实际中心距a：（3-15）所以,取中心距取整为215mm(6)验算主动轮上的包角:主动轮包角合适。3.3.2带的基本参数的确定1.计算V带的根数z:（3-16）式中——包角系数；——长度系数；——单根V带的基本额定功率；——单根V带的额定功率的增量已知,,=1.15，查表[13]得：，，，代入公式，计算得:Z=1，所以根数取1（带轮的槽数为1）；2.通过计算求出带作用在带轮轴上的预紧力查文献[3]表得单位带上的质量（3-17）7.计算作用在轴上的压轴力（3-18）式中——带的根数——单根带的预紧力N——主动轮的包角(°)代入数值计算得3.3.3V带轮的设计1、V带轮的材料：HT150和HT200是V型皮带轮最常用的材料，当电机转速较高（即皮带轮尺寸较大）时，可在冲压后焊接钢板。本文多功能脱粒机的设计要求载荷小。本文选用HT150作为滑轮材料。2、带轮的结构形式：由于本文小带轮的d1小于2.5d，大带轮的d2小于400mm，应其中d是实际安装皮带轮时的轴直径，由于尺寸太小，均采用实心型。采取措施减轻其重量，选择腹板式。3、V带轮的轮槽设计V带轮的槽尺寸与选择的型号相对应。3.4齿轮的基本参数确定分度圆直径（3-19）齿条刀具移动的距离xm称为径向变位量，其中m为模数，x为经向变位系数。据此得最小变位系数（3-20）同时考虑齿顶不过薄，选择变位系数为0.6。理论中心距（3-21）本文采用正传动，由于齿轮泵啮合的一对齿轮齿数相同，故选择正传动即则啮合角（3-22）经计算可得啮合角实际中心距（3-23）齿顶高（3-24）齿根高（3-25）式中，--齿顶高系数，取1。--顶隙系数，取0.25齿顶圆直径（3-26）齿根圆直径（3-27）3.5齿轮的强度校核3.5.1选精度等级、材料及齿数（1）选择主动变位齿轮的材料为40Cr，经调质处理，齿面硬度为280HBS，从动齿轮材料为45#（调质），齿面硬度为280HBS。（2）两个齿轮的精度选择7级精度。3.5.2按齿面接触疲劳强度设计（1）试算主动齿轮分度圆直径，即（3-28）1）确定公式中的各参数值。①试选载荷系数KHt=1.3②主动齿轮传递的转矩（3-29）式中，——带传动效率，取0.9；③主动齿轮看作悬臂布置，选取齿宽系数（3-30）④由图查取区域系数ZH=2.4⑤查表得材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa1/2⑥计算重合度系数（3-31）（3-32）（3-33）则重合度系数为（3-34）⑦计算接触疲劳许用应力[H]查机械设计手册得主从齿轮的接触疲劳极限分别为Hlim1=600MPa、Hlim2=550MPa。根据作业时间计算齿轮应力循环次数：（3-35）式中，——作业时间，假设工作10年，每年工作360天，每天工作16小时；——主动齿轮轴转速，查《机械设计》取接触疲劳寿命系数:（3-36）取齿轮的本身特性的失效概率为1%,安全系数S=1,得:（3-37）（3-38）取和中的较小者作为齿轮副的接触疲劳许用应力，即（3-39）确定主动齿轮分度圆直径（3-40）（2）根据实际载荷系数调整小齿轮分度圆直径1）圆周速度及齿宽的确定①圆周速度v（3-41）②齿宽b（3-42）2）计算实际载荷系数KH①由表查得使用系数KA=1。②根据v=5.9m/s、7级精度，由《机械设计》查得动载系数KV=1.05。③根据齿轮的受力大小齿轮的圆周力（3-43）（3-44）查表得齿间载荷分配系数KHα=1.2。④由《机械设计》表用插值法查得7级精度、小齿轮悬臂布置时，KH=1.184。则载荷系数为：（3-45）3）按实际负载系数算得分度圆直径（3-46）则齿轮的最小模数（3-47）根据标准化的设计准则，本文取模数为标准值m=3mm。（3-48）3.5.3按齿根弯曲疲劳强度校核由《机械设计》得齿根弯曲疲劳强度条件（3-49）查《机械设计》表得主、从齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为本文为了节省篇幅，仅给出计算结果则主从齿轮齿根疲劳弯曲疲劳极限：（3-50）（3-51）齿根抗弯曲疲劳强度满足要求，从动齿轮承受弯曲疲劳损伤的能力大于齿轮。3.6本章小结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，工作压力P=10。

4轴系的结构设计及校核4.1轴的结构设计与校核4.1.1主轴最小轴径的确定由于本文传输功率小，对质量和结构尺寸没有特殊要求，出于经济考虑，选择45#钢普通材料进行调质处理。在齿轮泵的设计中，最重要的部分是轴的设计，轴用于支撑整体结构并使主轴旋转，具有扭矩传递功能。根据前文可知主轴的参数为：n=2515r/min，输入功率（4-1）扭矩所选轴的材料为45#，进行调质处理，查表取，得：（4-2）主轴的最小直径用于安装驱动主动齿轮，但由于键的存在，将轴的最小直径增加5%。在本文中，主轴上安装了两个键，因此轴的直径增加了10%。（4-3）故本文考虑最小轴端需要攻丝，取最小轴径为15mm。4.1.2轴的结构设计图4.1轴的结构尺寸图轴段1：作为轴的前头支撑部分，用作支撑在泵盖内孔，取其直径为20mm，长度为14mm；轴段2：用作周向及轴向定位，由于齿轮的分度圆直径为48mm，故取其孔径（轴段直径）为20mm，长度选择为齿轮的宽度，即20mm，同时采取A型双圆头普通平键，其截面尺寸B×H=5×5mm，长度L为12mm，同时两端开槽，槽宽2mm，槽深为1mm，直径为18mm，用于安装轴用弹性挡圈对齿轮两端进行定位；轴段3：仅用作主轴在齿轮泵内的支撑轴段，其直径为20mm，长度选择为42mm；轴段4：用于与外套的泵壳相互配合，对止动垫圈及圆螺母进行定位，直径选择为30mm，长度为23mm；轴段5：用于对带轮的轴向定位，直径略大与带轮孔径（15mm），选择为20mm，长度为20mm。轴段6：用于安装带轮，同时开键槽，对带轮进行轴向定位，带轮左端通过轴段5的轴肩进行定位，右端通过垫圈螺母进行定位，故选择轴径为15mm，总长度为40mm，同样采用A型双圆头普通平键，其截面尺寸B×H=5×5mm，长度L为10mm，对于螺母，需要对轴段进行开螺纹处理，而对于轴的螺母，可以选择攻外丝或者内丝，由于轴径为15mm，采用M15的外螺纹，若使用板牙进行攻内丝，由于轴径太小容易造成折断，故采用外丝螺纹。4.1.3轴的强度校核轴段1和4用作在泵壳中支撑，而轴段2及轴端6上安装键分别带动齿轮与带轮传递扭矩，则轴的受力分析图如下：图4.2轴的受力分析图1）外部载荷的确定由于齿轮传递的扭矩则齿轮所受的圆周力及径向力为（4-4）（4-5）带轮的压轴力为2）计算支撑反力在水平面上（4-6）（4-7）在垂直平面上（4-8）（4-9）支撑Ⅰ上的总支承反力（4-10）支撑Ⅱ上的总支承反力（4-11）画弯矩图由于支撑II受力降低，故B和C截面相比，B截面为危险截面，则仅考虑B截面，在B-B剖面左侧：（4-12）B-B剖面右侧：(4-13)4）校核轴的强度B-B段的右侧是危险段，因为键造成了很大的弯矩、扭矩和应力集中。根据弯曲力和扭转力的组合计算，根据参考公式9.3[1]，有(4-14)式中：——I-I截面处转矩；——I-I截面处弯矩；——抗弯剖面模量，由参考文献[1]表9.6;(4-15)式中，B截面的直径为20mm；——根据转矩性质而定的折合系数，对于脉动的转矩，；——对称循环的许用弯曲应力，由参考文献[1]表9.7，=120Mpa；因此，校核通过4.1.4轴的安全系数校核计算主轴的弯曲应力：(4-16)则，主轴的扭转应力：由参考文献[1]式9.4、9.5、9.6，(4-17)(4-18)(4-19)式中：——转矩安全系数； ——弯矩安全系数；——有效应力集中系数，由《机械设计手册》附表9.10、附表9.11，；、——材料对称循环的弯曲疲劳极限和扭转疲劳极限，由《机械设计手册》表9.3，45号钢调质处理，；——绝对尺寸系数，由《机械设计手册》附图9.12，；——表面质量系数，，由《机械设计手册》附图9.8、附表9.9，；——弯曲应力的应力幅和平均应力；——扭转剪应力的应力幅和平均应力；——应力幅的等效系数，；——许用疲劳强度安全系数，由《机械设计手册》表9.13，；经校核安全系数满足要求。4.2校核键连接的强度普通平键连接的强度条件为：(4-20)式中：——传递的转矩；k——键与轮毂键槽的接触高度，，此处h为键的高度，mm；d——轴的直径，mm；l——键的工作长度，mm；——键、轴，轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，，见下表：表4-1许用挤压应力许用挤压应力连接工作方式键或毂、轴的材料载荷性质静载荷轻微冲击冲击静连接钢120-150100-12060-90铸铁70-8050-6030-45（1）带轮处键连接的挤压应力(4-21)带轮和齿轮键的材料为钢，如《机械设计》得，根据，故强度足够。齿轮处键连接的挤压应力(4-22)带轮、齿轮处键的材料都为钢，查表6.1得。显然，，故强度足够。4.3弹簧部件分析及选型4.3.1弹簧的作用用于齿轮泵轴封的弹簧提供密封的预压缩力。一方面，它使齿轮传动表面靠近曲轴部分。另一方面，它还保证了齿轮的横向空间，从而保证了润滑油输出的流量和压力。工作过程中，弹簧始终受力压缩，对弹簧受力大小作如下分析：为了确保在齿轮泵工作时，外弹簧仍对密封件施加一定的压力，需要弹簧预紧力假设弹簧密封所需的力为5N，则为弹簧的最大工作载荷；最低工作载荷。4.3.2弹簧设计计算弹簧类型：圆柱螺旋压缩弹簧弹簧外径D2：工作行程：弹簧类别：Ⅱ级荷载（）端部结构：端部扁平狭窄，两端支撑环分别为圆形弹簧材料：B级碳弹簧钢丝①参数计算工作极限载荷：因是Ⅱ类载荷：故（4-23）初算弹簧刚度：（4-24）根据PJ和D2从表4-2中选择弹簧材料直径D、弹簧中径D和相关参数表4-2弹簧钢丝参数材料直径弹簧中径工作极限载荷单圈变形量单圈刚度0.8mm9mm24.74N2.098mm11.8N/mm弹簧外径D2：（4-25）弹簧内径D1：（4-26）总圈数n1：有效圈数n：（4-27）参照《机械设计表取标准值n=8弹簧刚度P’：（4-28）自由高度H0：（4-29）取标准值H0=33mm工作极限载荷下的变形量Fj：（4-30）节距t：（4-31）本文取标准螺距为4mm螺旋角α：（4-32）展开长度L：（4-33）4.3.3弹簧的参数校核弹簧最小载荷时的高度H1：（4-34）弹簧最大载荷时的高度H2：（4-35）弹簧预压缩时的高度H3：（4-36）弹簧实际工作行程h：（4-37）工作区范围：（4-38）高径比：,（4-39）故不必进行稳定性验算。4.4沉头螺钉的强度校核本文设计的齿轮在泵盖头部通过增设螺纹孔，采用M6沉头螺钉，中心距离为37.5mm，根据螺杆组合的受力分析，可按扭矩作用下铰制孔螺栓的受力计算公式进行校核，由力矩平衡的条件得：（4-40）又因为，i=1，2，…，z（4-41）联解以上两式，可求得受力最大的工作剪力为：（4-42）受变载荷时，安全系数，取；（4-43）本文选取性能等级为6.8级的45#螺钉，查《机械设计手册》可知，屈服强度极限480。，所以许用工作剪力：（4-44）所以满足要求。4.5卸荷槽的设计为了消除齿轮泵困油现象，可以在与齿轮端面接触的两侧板上开两个困油出口槽，卸荷槽有两种布置，对称布置和关于节点P的不对称布置，应确保在体积达到最小位置之前，截留的液体空间连接到排放室，并连接到吸入室，本文选择对称式布置的卸荷槽：对称布置卸荷槽尺寸，卸荷槽间距(4-45)本设计卸荷槽采用对称布置。当，中心距为标准值时：（4-46）（4-47）（4-48）卸荷槽最小宽度：（4-49）式中ε——齿轮重叠系数，此处取一般机械制造业中的值1.4。一般c>2.5m，以保证卸荷槽畅通，取卸荷槽宽度为6.85mm。对标准齿轮，卸荷槽深度见表3.1。表4-2卸荷槽深度齿轮模数m2345678卸荷槽深度1.01.52.54.05.57.510取卸荷槽深度值为1.5mm。

5基于SolidWorks的齿轮泵建模5.1SolidWorks建模概述本文通过齿轮泵各零部件的选型，然后对其进行Solidworks三维建模，在对齿轮泵进行三维建模时主要有标准建模、简单建模、复杂建模3种主要类型。5.2齿轮泵的装配图通过Solidworks的装配图特征，如镜像、线性阵列等，再配以相应的配合关系，最终的齿轮泵的三维模型如图所示。（a）主视图（b）轴侧视图（c）内部剖视图图5.1齿轮泵的Solidworks三维模型5.3各零部件的建模5.3.1主轴的设计通过电机的动力，传动给主动皮带轮，通过平键键连接，然后将动力传递给从动带轮，从动带轮带动主轴转动，完成本文齿轮泵的工作。建模通过Solidworks的凸台、倒角特征，对主动轴倒角1mm，带轮轴端选择螺旋线命令，然后利用切除扫描完成建模，如图5.2所示。图5.2主轴的设计5.3.2支架的设计底座支架是齿轮泵作为的机架结构，其作为整个齿轮泵的基础，承受着整个机身的重量，在运动过程中，各传动部分会发生振动，不仅要求稳定性和坚固性，还要满足其与传动系统的频率不会发生共振，底座通过螺栓进行连接固定。图5.3支架的模型建立5.3.3泵壳的设计泵壳需要满足良好的结构工艺性，应根据不同的铸造方法及其特征进行相应的铸造结构设计，如图5.4所示，本文选用铸造45#作为泵壳的材料，重量轻，强度高，其与具体尺寸见零件图。图5.4泵壳的结构工艺性5.4齿轮泵的运动仿真5.4.1齿轮泵的干涉检查利用Solidworks首先建立泵盖、齿轮、轴系的模型，然后通过协作建立自由度运动，在建立齿轮泵的三维模型后，进行干涉检查，以确保部件在装配过程中不会“合并”在一起。在发生干涉的情况下，需要调整干涉零件的配合和尺寸，以便运动仿真能够顺利运行。图5.5齿轮泵的干涉检查5.4.2运动算例的建立SolidWorks的Motion运动插件是一个虚拟样机仿真工具，通过运动学和动力学仿真，可以实现系统各部分的运动，包括位移、速度、加速度、力和反作用力，并以动画、图形和表格等多种形式获得结果，进行阻力和结构分析，指导结构的优化设计。首先通过SolidWorks建立了一个新的运动示例，如图5.6所示。图5.6Solidworks运动算例根据第三章的计算设置相应的转速和持续时间，对输入轴添加“旋转马达”，转速为2515r/min，仿真时间为10s，经过测试，本文设计的齿轮泵结构相对较好，因为机构没有干涉，机构的运动范围比较理想。由于从动齿轮是决定齿轮泵工作的关键部件，因此本文对其仿真结果进行了分析，如图5.7、5.8所示。首先，选择分析类型，包括从动齿轮速度、位移等。图5.7从动齿轮的角速度图5.8从动齿轮的角位移5.5爆炸图的分析Solidworks的爆炸视图可以详细清楚的表明装配体的装配结构和零部件的详细位置，在爆炸视图的建立有两种方法，一种是利用自身软件的爆炸功能，另一种是通过运动算例去除配合关系后进行示意，本文选择第二种方法，可以更加形象、直观的的表示，爆炸图及运动算例如下：图5.9爆炸视图的运动算例图5.10齿轮泵的爆炸视图5.6基于有限元的主轴分析5.6.1有限元分析简介静力分析是在三维软件中使用绘制的三维实体模型，根据其受力情况，通过软件的模拟算法，将整体模型形成网格。在负载最大的情况下，然后进行应力分析和扰动分析（此处，扰动可以理解为变形变量）。结构静力分析是指结构模型的定义、材料的添加、模型单元的网格划分、边界条件的添加、外荷载作用下的加载和求解。由于本文主轴所受的扭矩最大，故对其的强度进行分析是必要的，本文夹头的材料为45#，查阅《机械设计手册》，材料的弹性模量、泊松比和密度如表5.1所示。表5.1主轴材料属性参数材料弹性模量泊松比密度45#207GPa0.37800kg/m35.6.2静力学模型网格确定网格是建立有限元模型结构的重要组成部分。网格的各种形式将很简单。它影响了实际计算量和准确性。利用Solidworks中Simulition进行静力学分析，给主轴模型赋予材料（45#），然后划分网格单元，将主轴网格划分方法设置为自动分割，将网格单元大小设置为默认大小，并将关联度设置为100。网格单元数为53062，节点数为79038。主轴的网格结构如图5.11所示。图5.11齿轮泵主轴的网格划分结构5.6.3基于主轴的有限元分析对其施加将加载力在主轴上，对主轴泵壳轴头段与螺母安装段施加固定约束，然后分别对带轮安装段与齿轮安装段施加扭矩，经前文计算约为（及）的扭矩，加载后如下所示。图5.12主轴的加载模型由图5.12可知，主轴的最大应力发生在主轴带轮段边缘部分，其最大应力为43.4MPa，因为选择的材料是45#，所以根据数据，最大屈服应力是345MPa。43.4MPa<355MPa，最大应力远小于屈服应力，主轴设计强度满足设计要求，如图5-13所示，主轴最大变形发生在带轮安装段以及轴段螺纹段，最大变形为6.8um，与主轴本身尺寸相关的变形可以忽略。因此，主轴的强度和刚度满足设计要求。（a)应力变形图(b)位移图（c)应变图图5.13受载主轴的分析结果5.7基于Solidworks泵体的模态分析5.7.1齿轮泵振动问题齿轮泵的振动主要是齿轮在动力激励作用下产生的，因此需要对齿轮泵泵体进行模态振动分析。由于轮齿啮合刚度随时间变化，齿轮传动实际上是一个随时间变化的动态系统；此外，齿轮传动是由多个齿轮副同时连接的传动系统；从结构分析来看，首先，齿轮安装在轴上，轴与泵体相互连接具有弹性，然后泵体是一个弯曲、扭转和横向轴向耦合的动力系统。如果泵体与齿轮传动发生共振，不仅会引起齿轮传动系统的弯曲振动，还会引起整个系统的扭转振动和轴向振动。5.7.2模态分析理论基础模式分析是动态分析的基础。例如，通过使用瞬态动态分析、响应分析和光谱分析来分析结构的振动特性，即结构的固有振动特性。这是结构动态设计的重要指标。另外，模态分析也是谱分析或响应分析和瞬态力学分析的必要部分REF_Ref6822\r\h[19]。（1）模态分析理论根据振动理论，多自由度系统以固有频率振动时的振动形态为模态。此时系统各点的位置具有固定的比例关系，称为本征振动模型。而且，无论使用什么衰退，机械结构的外力响应都是本征频率的响应。所有模型都由频率、衰退比、振动类型等模型参数组成。模态分析是结构振动特性设计的中心。主要应用于复杂结构的多