齒輪泵設計及加工

-大學畢業(yè)設計（論文）題目： 齒輪泵的設計及加工 函 授 站： 專 業(yè)： 機械設計制造及自動化 學生姓名： 指導教師： 20 年 月 日摘 要1計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助工程（CAE）是實現(xiàn)創(chuàng)新設計的關鍵手段，它在工程設計中的應用大大提高了設計質(zhì)量，縮短了設計周期，減少了設計費用。本課題以廣泛應用于各種行業(yè)中的液壓動力元件外嚙合齒輪泵為研究對象，在新產(chǎn)品的設計過程中，通過分析國內(nèi)外現(xiàn)階段的研究成果，以solidworks 繪圖為主要繪圖手段，解決以前手工繪圖及二維 CAD 繪圖難以解決的問題。本文應用三維軟件（solidworks）的繪圖技術對產(chǎn)品的各零部件進行三維繪圖，并對各零部件進行裝配，使齒輪泵更直觀的展現(xiàn)出來。并通過圖形分析和擬出加工工序，制作工序卡。關鍵詞：CAD；solidworks；齒輪泵；工藝2目 錄1 緒論 .11.1 課題的來源及意義 .11.2 以常規(guī)方法為基礎研究的工作 .11.3 采用優(yōu)化設計理論選擇出齒輪泵的最佳參數(shù) .22 外嚙合齒輪泵的運動和幾何尺寸設計 .32.1 設計依據(jù) .32.1.1 齒輪泵的工作原理及主要結構特點 .32.1.2 設計參數(shù) .32.2 主要零件的幾何尺寸設計 .42.2.1 齒輪的幾何尺寸設計 .42.2.2 軸的設計 .42.2.3 軸承的選擇及潤滑 .52.4 齒輪泵的常見問題及解決措施 .62.4.1 困油問題及解決措施 .62.4.2 徑向不平衡問題及解決措施 .82.4.3 泄漏油問題及解決措施 .82.4.4 齒輪泵的噪聲及降低的措施 .82.5 齒輪泵的噪聲及其解決措施 .82.5.1 齒輪泵的噪聲 .82.5.2 降低齒輪泵噪聲的措施 .93 外嚙合齒輪泵的泵體及端蓋的設計及排量、流量的計算 .103.1 泵體的設計 .1033.2 前端蓋的設計 .103.3 后端蓋的設計 .113.4 排量和流量的計算 .124 外嚙合齒輪泵的主要零部件加工工藝的設計 .144.1 數(shù)控加工工藝簡介 .144.1.1 工件的裝夾： .154.1.2 加工要求 .154.2 齒輪的加工工藝 .164.2.1 圓柱齒輪加工工藝過程的內(nèi)容和要求 .164.2.2 齒輪加工工藝過程分析 .164.3 軸的加工工藝 .184.3.1 軸類零件的功用、結構特點及技術要求 .184.3.3 軸的加工 .204.4 泵體的加工工藝 .204.4.1 泵體的加工設備及裝夾簡介 .204.4.2 外嚙合齒輪泵泵體孔的加工工藝規(guī)程 .214.5 泵蓋的加工工藝 .224.4.1 泵蓋簡介 .224.4.2 泵蓋的工藝性分析 .234.4.3 選擇刀具和工藝卡片 .23小 結 .26參考文獻 .27致 謝 .28附 錄 .2911 緒論1.1 課題的來源及意義齒輪泵作為一種典型的液壓元件，被廣泛運用于機床工藝、農(nóng)用機械、工程機械、航空航天和船舶工藝等眾多工藝領域。其中外嚙合齒輪泵是開發(fā)的比較早，結構簡單，應用廣泛，主要工作部件只有主被動齒輪，較之葉片泵（葉子、轉(zhuǎn)子及其它附件）及各種型式的柱塞泵（斜盤、柱塞、缸體和回程盤等部件） ，在原始設計、制造工藝和加工手段等方面有著無法比擬的優(yōu)越性。同時齒輪泵的工作部件是軸對稱的旋轉(zhuǎn)體，故其高速性能很好（一般高轉(zhuǎn)速可達3000r/min，飛機用齒輪泵的最高轉(zhuǎn)速達到 8000r/min） 。它具有良好的自吸性能齒輪對油液污染的敏感性遠遠低于葉片及柱塞等部件，在齒輪泵的運行故障中很少是由于液壓油污染所致。但是我們也知道齒輪泵具有流量脈動率較大、噪聲高、效率相對較低以及個別零件受力情況惡劣等特點?，F(xiàn)在大多的設計圖都還是二維的 CAD 繪制，甚至還有手工繪制圖紙，這導致設計的時間增加，而利用三維設計，更直觀的體現(xiàn)了產(chǎn)品的形狀，并且有利于加工工藝的編寫。外嚙合齒輪泵是一種開發(fā)早，結構簡單，應用十分廣泛的液壓元件。早期的齒輪泵效率低，壓力低，隨著研究的深入，齒輪泵的一些新技術和結構形式的發(fā)展，外嚙合齒輪泵也朝著高壓、高轉(zhuǎn)速、低噪音的方向發(fā)展。齒輪泵的發(fā)展現(xiàn)狀在提高齒輪泵工作性能、優(yōu)化零部件結構、延長使用壽命方面，國內(nèi)外的專家學者及企業(yè)中的設計人員做了大量的研究工作，對于減小影響齒輪泵性能的幾個特點，在實際應用中，起到了一定的效果。歸納起來，這些工作主要分一下幾個方面：1.2 以常規(guī)方法為基礎研究的工作以齒輪泵的各零件結構改進為開展研究的出發(fā)點，針對關鍵部件做結構上的調(diào)整，從部分著手到整體性能的提高。這是傳統(tǒng)常規(guī)機械設計的思路，這方面的研究可大體概括為以下幾點：1.對非對稱齒形的研究和應用。非對稱齒形齒輪具有雙模數(shù)、雙壓力角漸開線非對稱齒形，其齒頂圓和分度圓較一般對稱齒輪大，且齒頂圓弧齒厚較短，從而增大了齒輪與殼體間的工作腔容積，提高了泵的排量及功率，相同外形尺寸情況下，此兩項指標增大約 20%。這種齒輪的齒輪兩側(cè)重合度不等，以重合度較小一側(cè)作為工作側(cè)，可減小困油現(xiàn)象、降低噪聲、改善齒輪受力及延長齒輪泵的壽命。另外其輪齒兩側(cè)壓力角不等，以壓力角大的一側(cè)承載，改善了齒輪受力狀況。但非對稱齒輪齒形需用不同的刀具加工，而且由于工作側(cè)和非工作側(cè)之間工精度也不同，加工起來不方便，工藝性差。2.齒輪的設計也可結合 CAD 三維造型技術通過參數(shù)化設計能力，找出適合于實際工作的理想齒形參數(shù)。2卸荷槽的結構形式與參數(shù)的合理與否對困油引起的液壓沖擊振動影響很大，設計要求卸荷槽在高轉(zhuǎn)速下能泄油通暢，不會因困油產(chǎn)生高壓和氣穴的現(xiàn)象。合肥工業(yè)大學與原機械部通用研究所聯(lián)合研制的齒輪泵卸荷槽面積計算程序?qū)侠碓O計齒輪泵卸荷槽提供很好的參考。另外，武漢冶金科技大學研究的一種同時適用于無齒側(cè)間隙和有齒側(cè)間隙的通用阻尼槽式卸荷槽，結構新穎，很好地解決了因卸荷槽的存在容積效率隨齒側(cè)間隙增大而降低的問題。改善體內(nèi)流場邊界條件，使流道壁面盡量圓滑，采用高阻尼材料或采取附加阻尼等辦法會對泵的降低噪聲有所幫助。也有些廠家通過改進泵體材料。采用經(jīng)擠壓工藝形成的拉伸形材，可使泵體在強度、剛度都有一定改善。3.高壓齒輪泵中的滑動軸承往往是決定泵的壽命的重要環(huán)節(jié)。浙江大學通過對齒輪泵的軸撓曲變形對其軸承承載能力的研究，提出了一個近似公式計算撓曲變形軸的滑動軸承的方法，為軸承設計提供了有價值的借鑒。較新的齒輪檔次一般采用鋼背塑料復合滑動軸承，其自潤滑功能好，摩擦系數(shù)低。在此基礎上適當加大軸徑尺寸，改善潤滑槽結構，可有效延長軸承壽命。通過合理設計摩擦副的油膜厚度使其形成功壓平衡，也可提高軸承的壽命。4.從密封方面考慮，采用在齒輪泵的軸端部和軸徑處真空密封的方法，從二次壓力密封腔經(jīng)泄漏孔引到吸油腔，有效根治了軸向泄漏，降低了軸徑處旋轉(zhuǎn)摩擦力，減少了泵體和兩端蓋間軸端和軸徑處的軸向推力。5.通過對外嚙合齒輪泵軸套兩端受力的精確計算，給出一套切實可行的補償計算機輔助設計方法，以提高泵的機械效率、容積率和機械平穩(wěn)性。1.3 采用優(yōu)化設計理論選擇出齒輪泵的最佳參數(shù)優(yōu)化設計是 60 年代開始發(fā)展起來的一門新的學科。這種設計方法是數(shù)學劃和現(xiàn)代電子計算機技術相結合的產(chǎn)物。我們知道對于一種工程設計問題可能有許多解決方案，如何確定最優(yōu)方案，實現(xiàn)設計參數(shù)的最優(yōu)化是優(yōu)化設計要解決的問題。優(yōu)化設計的原理的不同分為數(shù)學規(guī)劃法和推測法。數(shù)學規(guī)劃法以嚴格的數(shù)學規(guī)劃理論為基礎，保證結果收斂到問題的最優(yōu)解。其算法平穩(wěn)、成熟，但迭代次數(shù)多、收斂時間長，對于大型復雜的設計問題有一定的缺陷。但現(xiàn)在計算機硬件的發(fā)展十分驚人，以前許多計算速度和容量約束的問題現(xiàn)在已受到越來越少的限制。準則法是以一些基本概念出發(fā)，建立一些準則的可行方案，即為最優(yōu)或金絲最優(yōu)方案。與前一方法相比缺乏嚴格數(shù)學理論依據(jù)，有時還需要憑直覺做近視處理，結果比較粗糙。但這種方法能較快的出優(yōu)化結果，往往用于較復雜的工程設計問題，然而其應用面較窄。目前一般只能作工程結構的最小體積或最輕重量的優(yōu)化設計。根據(jù)占有的文獻資料，國內(nèi)外在齒輪優(yōu)化設計方面有一些研究先例，傳動裝置的齒輪優(yōu)化有些可借鑒的資料，例如關于齒面接觸強度最佳齒廓的設計；最佳油膜或其它條件下齒輪幾何參數(shù)的最優(yōu)化設計；傳動參數(shù)的最優(yōu)化及滿足強度要求等約束條件下單位功率或體積最小的變速器的優(yōu)化；齒輪副及其傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能的最優(yōu)化等。對于齒輪泵中的齒輪做專業(yè)上要求的優(yōu)化設計很少，只有一些文章簡單地提出以等排量下體積最小為目標函數(shù)的優(yōu)化思路。波蘭的 W.kollek 在這方面有過論述，他通過窮舉的方法求的最優(yōu)變向量，提出可借鑒的思路和模型。32 外嚙合齒輪泵的運動和幾何尺寸設計2.1 設計依據(jù)2.1.1 齒輪泵的工作原理及主要結構特點外嚙合齒輪泵如圖（2.1）所示。結構上主要由泵體、一對嚙合齒輪、傳動軸、前蓋和后蓋組成。工作腔是由齒槽、泵體、前后蓋密閉而成。有 Z 個齒，就有 2Z 個工作腔。配油機構是由齒頂和泵體內(nèi)表面、齒輪端面和前后蓋兩齒輪嚙合而自然形成的。一般情況下，外嚙合齒輪泵的兩個齒輪具有相同的參數(shù)。兩齒輪齒廓與泵體和前后蓋板形成若干密封容積，密封線（嚙合線）把吸油腔隔開。當齒輪按照圖示方向旋轉(zhuǎn)時，嚙合點下側(cè)的輪齒逐漸退出嚙合，密封體積增大，形成局部真空，液體在大氣壓力的作用下進入密封容積，形成吸油腔。嚙合點上側(cè)的輪齒逐漸進入嚙合，容積減小，壓力升高，液體被擠壓出去形成排油腔。這就是齒輪泵的吸、排油過程。齒輪不停的旋轉(zhuǎn)，齒輪泵就可以連續(xù)不斷的吸油和排油圖（2.1）2.1.2 設計參數(shù)目前齒輪泵的流量范圍為 =2.5Lmin-750 L min,最高工作壓力 = pH31.5MPa,齒輪工作壓力為 P=12MPa20MPa, =0.80.95,總效率V=0.750.92。 n=1450r/min4為了使齒輪流量均勻性最好，即流量脈動系數(shù)最小，并且流量脈動頻率最高，齒數(shù)可選為偶齒數(shù)，可選主、從動齒輪均為 Z=14。確定齒輪的模數(shù) m 和齒寬 B2.2 主要零件的幾何尺寸設計2.2.1 齒輪的幾何尺寸設計考慮到綜合因素的作用，可選 m=3（標準數(shù)） ，則 d=mz=14齒寬 b= =0.5742=24（硬齒面時可取 =0.57）d確定齒輪的其他參數(shù)齒輪少時會產(chǎn)生根切現(xiàn)象,對于標準齒輪(齒頂高系數(shù) =1),在壓力角 =ha時 ,不產(chǎn)生根切的最小齒數(shù) =17.若產(chǎn)生根切,將會使 1,其結果是(1)破20。 Zmin 壞了傳動的連續(xù)性,產(chǎn)生撞擊和噪聲.(2)在出現(xiàn)不連續(xù)轉(zhuǎn)動的瞬時,還會使高壓區(qū)的油液流回到低壓區(qū)去,使泵的容積效率下降.(3)削弱了齒根的強度,為了避免根切,對齒輪進行修正.目前國內(nèi)外廣泛采用“增一齒修正法”來修正.1) 理論中心距: = m( + )=42Ao2122) 齒輪節(jié)圓直徑: = =m(Z+1)=45D13) 齒輪齒頂圓的直徑:= =mz+2 m=48e12ha*4)齒根圓直徑= =d-2.5m=34.5df1f22.2.2 軸的設計軸 的 結 構 和 形 狀 取 決 于 下 面 幾 個 因 素 ： （ 1） 軸 的 毛 坯 種 類 ； （ 2） 軸上 作 用 力 的 大 小 及 其 分 布 情 況 ； （ 3） 軸 上 零 件 的 位 置 、 配 合 性 質(zhì) 以 及 連 接固 定 的 方 法 ； （ 4） 軸 承 的 類 型 、 尺 寸 和 位 置 ； （ 5） 軸 的 加 工 方 法 、 裝 配方 法 及 其 他 特 殊 要 求 。 可 見 影 響 軸 的 結 構 與 尺 寸 的 因 素 很 多 ， 設 計 軸 時 要 全面 綜 合 地 考 慮 各 種 因 素 。5對 軸 的 結 構 進 行 設 計 主 要 是 確 定 軸 的 結 構 形 狀 和 尺 寸 。 一 般 在 進 行 結 構設 計 時 的 已 知 條 件 有 ： 機 器 的 裝 配 簡 圖 ， 軸 的 轉(zhuǎn) 速 ， 傳 遞 的 功 率 ， 軸 上 零 件的 主 要 參 數(shù) 和 尺 寸 等 。軸直徑的計算公式：dC =16(為標準直徑系列)，考慮到齒輪寬3/npb=24，也即是鍵槽的長度 L=24，同時軸上需安裝軸承，故可取短軸長度為 64，長軸長度為 112。軸上開有鍵槽，鍵槽兩邊開有卡簧槽。鍵的設計 由齒輪寬 b=24,可知鍵的長度為 24，再由軸徑查鍵的深度和寬度，可知為55。pm。齒輪泵的設計過程如 4 軸承的設計由軸徑 d=16 可查軸承的數(shù)據(jù)為內(nèi)圈直徑 d=16,外圈直徑 D=20，寬度為 12軸承的選擇及潤滑2.2.3 軸承的選擇及潤滑1.采用滾針軸承，滑動軸承還是滾動軸承 滾針軸承的優(yōu)點是:工作時一摩擦系數(shù)小，起動摩擦力矩小，機械效率高 :既適用低轉(zhuǎn)速也適合高轉(zhuǎn)速;能在較大的溫度范圍內(nèi)工作 ;抗雜質(zhì)和污染能力強;但由于滾針軸承在工作時噪聲大且軸承尺寸較大，結構布置不便等缺點，不宜選用滾針軸承。滾動軸承的優(yōu)點：1） 滾動軸承的摩擦系數(shù)比滑動軸承小,傳動效率高。一般滑動軸承的摩擦系數(shù)為 0.08-0.12,而滾動軸承的摩擦系數(shù)僅為 0.001-0.005;2） 滾動軸承已實現(xiàn)標準化、系列化、通用化,適于大批量生產(chǎn)和供應，使用和維修十分方便；3） 滾動軸承用軸承鋼制造,并經(jīng)過熱處理,因此,滾動軸承不僅具有較高的機械性能和較長的使用壽命,而且可以節(jié)省制造滑動軸承所用的價格較為昂貴的有色金屬;4） 滾動軸承內(nèi)部間隙很小,各零件的加工精度較高,因此,運轉(zhuǎn)精度較高。同時,可以通過預加負荷的方法使軸承的剛性增加。這對于精密機械是非常重要的;5） 某些滾動軸承可同時承受徑向負荷和軸向負荷,因此,可以簡化軸承支座的結構;6） 由于滾動軸承傳動效率高,發(fā)熱量少,因此,可以減少潤滑油的消耗,潤滑維護較為省事;7） 滾動軸承可以方便地應用于空間任何方位的鈾上。故本設計中選用滾動軸承。2.軸承的潤滑6軸承的潤滑方式有高壓潤滑和低壓潤滑兩種。一.高壓潤滑方式有：1）利用泄漏高壓油進行潤滑用于滾動軸承中；2）向軸承連續(xù)供給高壓油；3）由壓油腔向軸承脈沖供油；4）利用困油容積縮小時向軸承脈沖供油；5）將高壓油直接引入軸承孔內(nèi)承載處進行潤滑。由于高壓油溫度較高，粘度較低，使軸承的承載能力降低，并損耗一部分高壓油，而使容積效率下降，故一般不宜采用高壓潤滑。二.低壓潤滑方式有：1