基于SOLIDWORKS的齿轮泵设计.doc

目 录1 引言12 齿轮泵的设计12.1 齿轮泵概述12.2齿轮泵设计要求12.2.1 齿轮泵工作参数要求12.2.2 齿轮几何参数的要求32.3 齿轮泵主要部件参数的确定42.4 Solidworks建模62.4.1 齿轮建模62.4.2 箱体建模72.4.3 Solidworks建模基本原则72.4.4 装配体初步建模与后盖建模82.4.5 轴、短轴的建模及后盖和箱体模型的编辑82.4.6 键的建模及轴及箱体模型的编辑92.4.7 连接件的选择和螺纹生成112.4.8 密封件的选择133 齿轮的校核154 齿轮泵的闭死容积和卸荷槽194.1 闭死容积194.2 卸荷槽195 结束语206 致 谢207 参考文献211 引言随着信息技术在各领域的迅速渗透，CAD/CAM/CAE技术已经得到了广泛的应用，从根本上改变了传统的设计、生产、组织模式，对推动现有企业的技术改造、带动整个产业结构的变革、发展新技术、促进经济增长都具有十分重要的作用。Solidworks是一套基于Windows的CAD/CAM/CAE桌面集成系统，是由美国Solidworks公司在总结和继承了大型机械CAD软件的基础上，在Windows环境下实现的第一个机械三维CAD软件，于1995年11月研制成功。Solidworks市场份额增长最快、技术发展最快、市场前景最好、性能价格比最优的软件。随着Solidworks版本的不断提高、性能不断提高，Solidworks已经能满足一般企业的一般需求了。动画演示形象、直观，能表达文字或者叙述不易讲解清楚的复杂产品的内部结构，模拟产品的工作情况，达到与非专业人士交流设计思想的目的。建立运动机构模型，进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等，并用动画、图形、表格等多种形式输出结果，其分析结果可指导修改零件的结构设计或调整零件的材料。设计的更改可以反映到装配模型中，再重新进行分析，一旦确定优化方案，设计更改就可直接反映到装配模型中。此外还可以将零部件在复杂运动情况下的复杂载荷情况直接输出到主流有限元分析软件中以作出正确的强度和结构分析5。2 齿轮泵的设计2.1 齿轮泵概述齿轮泵是靠相互啮合旋转的一对齿轮输送液体，分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵。泵工作腔由泵体、泵盖及齿轮的各齿槽构成。由齿的啮合线将泵吸入腔和排出腔分开。随着齿轮的转动，齿间的液体被带至排出腔，液体受压排出。齿轮泵适用于输送不含固体颗粒的液体，可作润滑油泵、重油泵、液压泵和输液泵。所输送液体的粘度范围为,齿轮泵结构简单，维修方便82.2齿轮泵设计要求2.2.1 齿轮泵工作参数要求（1）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，以q表示。外啮合齿轮泵，一般两齿轮的齿数相同，所以 (1)式中： b齿宽D齿顶圆直径a齿轮中心距t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： (2) 式中：m齿轮模数 z齿轮齿数 齿轮压力角理论流量： (3)式中n泵转速，单位 （r/min）实际流量： (4)式中泵的容积效率，一般取0.750.9，小流量泵取小值。（2）转速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，以至流量减小并引起气蚀，增大噪声和磨损，对高粘性液体的输送影响更大，转速可按表1选取。（3）效率 (5)表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：P泵进出口压力差Q流量轴功率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。容积损失主要式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齿侧接触线的泄露损失，其中轴向间隙泄露约占总泄露量的75%80%。机械效率，大流量泵低。2.2.2 齿轮几何参数的要求(1) 齿数z、模数m和齿宽齿数多，泵的外形尺寸大，但压力和流量脉动小。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。中低压齿轮模数按表2选取。对工作压力大于10mP的高压泵，应考虑齿轮强度，需适当增大模数。齿宽按表3确定。表2 流量与模数流量Q模数m4101.52>10322.53>32633.54>631254.55 (4) 齿轮修正齿轮泵采用压力角标准渐开线齿轮，齿数少于17时均有根切现象产生，使齿轮强度减弱，工作情况变坏，须作齿轮修正，修正方法与通常的齿轮修正方法略有不同，两齿轮的刀具移距取正值（即离开中心），修正后节圆处的齿侧间隙为0.08m,刀具切入齿轮的深度即齿高h=2.3m(0.5)m，修正齿轮的主要数据见表4。表3 工作压力与齿宽工作压力P齿宽b<2m210m10m表4 齿轮修正几何参数几何参数计算公式齿数z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2.3 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=20,模数m=2.5,齿宽定为b=20,电机转速2000r/min2500r/min，工作压力P=10。以上参数可能由于不符合（1）中要求。现回代以验证： 由公式（2），（3），（4）： 流量、排量和模数的关系符合表2的要求。齿轮分度圆直径由表4可得：齿顶圆直径故顶圆点的线速度要想通过表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。对于本设计中的液压油的选定：依据以上确定的工作参数，可以看出比较符合市场上的CBG1016液压泵，只不过CBG1016液压泵的工作压力为16，高于设计的工作压力，所以选择CBG1016的液压油可以很好满足工作要求。依据手册可以确定液压油的型号：HM46，推荐黏度20，适当减小黏度值可以大致符合表1对于齿顶圆最大线速度的要求。齿宽的验证可以直接从表中看出符合要求。2.4 Solidworks建模2.4.1 齿轮建模首先安装Toolboxbrowser插件。从工具菜单插件中选择Toolboxbrowser选项，单击确定完成。通过该插件可以方便的进行参数化设计，对于一些标准件或参数标准化的零件无需重复大量的工作。下面用此插件进行齿轮的设计。打开界面右侧的Toolboxbrowser,首先选择标准，在每个标准里面都有一系列标准件。由于软件版本的实际限制，标准系列里面没有GB，现选择与GB相近，且通用性强的ISO标准。打开此标准,选择传动零件里的齿轮传动，从列表里右键单击直尺圆柱齿轮，选择生成零件，弹出对话框，从此对话框里设定参数便可生成所设计的齿轮。见图1和图2。图1 齿轮参数化设计界面图2 齿轮两次保存齿轮，并分别命名“齿轮_1”、“齿轮_2”。2.4.2 箱体建模第二步是箱体的设计，参照齿轮的尺寸，并按照通常齿轮泵箱体的形状设计如下：草图如图所视，然后建立“拉伸”特征，这里用了选择拉伸的方法，选择一定的轮廓进行拉伸，并且在不同的轮廓处选择不同的拉伸高度。这样可以用一个草图建立不同的拉伸特征组合起来。在后面上绘制草图，并建立拉伸切除特征,深度尺寸为齿轮厚度。 如图3所示。图3 箱体2.4.3 Solidworks建模基本原则基于三维设计的Solidworks采用全相关技术，并在设计思路上支持自下而上和自上而下的方式。传统的设计方法往往从零件开始设计，画零件图，然后按尺寸把零件图画入装配体图，若设计零件较多，则尺寸数据太多容易出错。当零件在装配体中不合理时，需要返回更改，工作量很大，且容易有疏漏。基于Solidworks的设计可以这样进行：首先大致确定装配体形状和其中的主要关键零件，初步设计出表现装配体形状的基体零件，比如箱体，基座等零件，然后初步设计出关键零件，如本设计中的齿轮。运用Solidworks的虚拟装配功能把以上初步设计的零件装配起来。然后在装配体中确定剩余零件的粗略尺寸和数量。在新建的零件图中作出零件模型，导入装配体中，在装配体中编辑零件尺寸和特征，使各部分配合完善，然后通过干涉检查确认各尺寸的配合是否干涉。以上操作均可视化,非常直观方便,省去了头脑中建模和图纸中表达这一间接过程，直观准确且不易出错。2.4.4 装配体初步建模与后盖建模按照以上思路，新建一个装配体，命名为“齿轮泵装配体”，把箱体设为固定零件，然后把齿轮装入装配体。在这之后设计出齿轮泵体的后盖，新建一个零件草图，命名为“后盖”，并保存。建立一个较大的拉伸形成的矩形板并保存。把后盖插入装配体中，并建立平行配合。在装配体中编辑“后盖”草图，选定箱体相平行面上的轮廓，单击“转换实体引用”按钮即可在草图上绘制和箱体配合的轮廓相同的草图。退出草图，然后从新编辑拉伸的轮廓就可生成需要的形状的轮廓。然后在后盖的另一面绘制草图并拉伸特征，最终完成零件的建模。单击“编辑零件”按钮退出零件编辑，并且注意及时保存，弹出的对话框提示确认装配体中相关联的零件已修改，见图4。图4 后盖图4 后盖这里体现了全相关设计的优点和特征，在设计中任一处关于零件或装配体的修改都将保存在相应的零件或装配体中，无需逐个修改，这保证了准确性和快捷性，省去了反复修改的枯燥和易出现的疏漏3。2.4.5 轴、短轴的建模及后盖和箱体模型的编辑 新建一个零件，并命名为“轴”。其径向尺寸，按参数化设计齿轮时设定的毂直径作为设计参考尺寸。轴向各部分轴向尺寸不必精确，轴插入装配体后，调整其余零件的透明度后观察轴的装配状态，然后在装配体中编辑轴的各部分轴向长度即可。另外切出退刀槽以利于润滑和装配。此轴结构较简单，不用作出轴肩。因为齿轮泵中齿轮与箱体内壁间隙为保证泵能正常吸油和排油，间距值很小，由装配误差来保证，故轴向移动靠箱体内壁即可约束。另外轴的径向力也作用在箱体和后盖上，所以箱体和后盖内壁需在加工时作一些特殊处理，保证硬度、强度和表面粗糙度,必要时加上轴瓦以使与轴接触处有滑动轴承的形式。轴的零件模型见图5。图5 主动齿轮的轴轴的尺寸完全确定下来后在装配体中编辑后盖零件，在其中建立基准面，位置由轴插入后盖的尺寸确定。在此基准面上绘制草图并建立“拉伸切除”特征切出内孔以容纳轴。同样的做法，根据轴的径向尺寸确定箱体前面凸台上容纳轴的通孔尺寸。效果见图3。建立一个新的零件，并命名为“短轴”，此轴作为从动齿轮的轴。把其设计为一个没有阶梯的光轴，这是为了加工方便，其直径定为25。拉伸特征的特征类型选为两侧对称，拉伸长度由后盖内孔深度尺寸作为参考。零件模型见图6。2.4.6 键的建模及轴及箱体模型的编辑“轴的模型确定之后确定键的选用。此处选择键 GB/T 10962003。按GB建立键的模型，并分别保存两次分别命名为“键_1”和“键_2”键选定之后在轴上切出键槽，首先确定基准面位置，然后建立“拉伸切除”特征，选择“完全贯穿”的切除条件，特征表现在图5和图6中。键的零件模型见图7。新建一个装配体，命名为“装配体3”，把轴和键装配在一起，此举无建模意义，在于验证：在装配体中可以插入子装配体。至此，齿轮泵的主要设计部分基本完成，由于箱体是铸件，故需要有铸件方面的要求。模具工具栏提供了常用的模具分析工具。最常用的有“拔模分析”和“拔模”工具。确定中性面后利用“拔模分析”工具确定需要拔模的面，然后利用“拔模”工具在相应面确定拔模角度。图6 从动齿轮的轴图7 键图7 键2.4.7 连接件的选择和螺纹生成在各棱处建立“圆角”及“倒角”特征，以完成圆角和倒角，效果及作法见图3。下面选择连接件6：1紧固螺栓：螺栓 ，见图8。2垫片： 垫片 。3销：销 。进行箱体前端盖和端盖螺母的设计。其中端盖螺纹画法同前，见图12。图8 螺栓图8 螺栓 图9 端盖端盖螺母螺纹画法：草图建立方法同前，螺纹用“扫描凸台”特征建立。特征超出螺母端面的部分处理方法：在垂直于端面的基准面和端面的交线处生成一直线草图，然后用“拉伸切除”命令切除即可。见图10。下面建立与紧固螺栓外螺纹配合的箱体内螺纹，方法如下：更改紧固螺栓零件的拉伸特征长度和草图中圆的直径，然后更改螺旋线长度，螺距不变，把生成螺纹形状的草图中的正三角形的边长增大以符合内螺纹的尺寸，完成重建并另存为“紧固螺栓shiyan”。见图11。在箱体零件模型中用“插入零件”命令，完成定位后单击“插入特征组合”，选择删除选项，从箱体中删除交叉部分以外的螺栓实体，这相当于AutoCAD中的“布尔运算”。见图12。图10 端盖螺母图11紧固螺栓shiyan2.4.8 密封件的选择最后进行密封件的设计。密封装置历来是液压传动设备中的关键部分，密封装置的作用是用来阻止压力工作介质的泄漏和外界灰尘污垢和异物的侵入，液压系统原件中，工作介质的内泄漏会迅速降低容积效率，恶化设备的技术性能甚至被迫停止工作。工作介质的外泄漏导致工作介质的浪费，污染环境，造成危险，因素。当今世界，液压技术的设计理论和金属加工工艺设备均十分成熟，金属液压元件的加工精度已不再成问题。所以液压设备的压力等级、档次、可靠性及使用寿命的提高在很大程度上起决定作用的是密封装置和密封件。图12螺纹配合建模实际上，密封件是通用基础元件，大多数类型产品的尺寸系列、公差、材质以及安装沟槽尺寸与公差及设计计算均已标准化，在使用前可根据相应的国家或行业标准选择。为了胜任密封件耐压、耐高温、耐摩擦的要求，具有弹性等良好性能的合成橡胶一直是用量最多的主要密封材料。由于工程中用于高压高温的场合日益增多，因此，在超过合成橡胶的耐用温度、压力时，合成树脂（塑料）如聚四氟乙烯、尼龙、聚甲醛、工程塑料是较为理想的密封材料。考虑密封需要注意零件是静密封还是动密封，这是决定所选密封的基本原则。静密封只需要考虑压力等因素，而动密封的要求更高，要求密封件与运动件之间的良好配合。图13 垫圈具体作法本设计中，主要有两处需要密封，一是后盖和箱体之间的密封，二是轴和箱体轴孔之间的密封。现分别讨论之。后盖与箱体之间的密封采用常见的平垫圈密封，垫圈厚度为3mm。垫圈的建模采用与后盖相同的建模方式，由于前面并没有图形表示，这里来说明，见图13、图14。 图14 垫圈轴与箱体轴孔之间的密封采用软填料密封，软填料材料通常有：油浸石棉、聚四氟乙烯石棉、塑料、半金属盘根。这里选用聚四氟乙烯石棉。由工作压力确定填料根数为三根，每根厚度为6mm。见图15图15 填料把以上各确定的零件装配起来，并用移动和旋转零部件的方法调整零部件使各部件之间不发生干涉。见图16。图16 装配体3 齿轮的校核设齿轮泵功率为，流量为Q，工作压力为P，则 (6) 由齿轮泵的工作形式可知其中的流场大致是对称的，主动齿轮和从动齿轮所在流场流动情况大致相同，而流体所获得的能量是由齿轮提供的，这就是说两个齿轮大致提供了相同的能量给流体，两齿轮的能量又最终由电机提供。由以上分析可知能量传递情况，见表6。故，每个齿轮功率为 (7)现考虑一个齿轮的受力情况，转矩 (8)切向力： (9)手册中齿轮校核方法主要是校核其强度条件，见表7。表6 齿轮泵能量分析表7 齿轮校核条件强度条件计算接触应力 计算接触应力基本值 许用接触应力 接触强度计算的计算安全系数表8 使用系数原动机工作特性工作机工作特性均匀平稳轻微转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1.251.501.752.0强烈振动1.501.752.02.25或大更下面确定几个参数。使用系数表示齿轮的工作环境（主要是振动情况）对其造成的影响，使用系数的确定：液压装置一般属于轻微振动的机械系统所以按上表中可查得可取为1.35。齿轮精度选为69较为合理，此处取7。动载系数表示由于齿轮制造及装配误差造成的不定常传动引起的动载荷或冲击造成的影响。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轮齿速度，偏于安全考虑，此设计中取为1.1。齿向载荷分布系数是由于齿轮作不对称配置而添加的系数，此设计齿轮对称配置故取1。一对相互啮合的齿轮当在啮合区有两对或以上齿同时工作时，载荷应分配在这两对或多对齿上。但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=1弹性系数 单位，数值列表见表9表9 弹性模量 弹性模量齿轮材料配对齿轮材料灰铸铁球墨铸铁铸钢锻钢夹布塑料灰铸铁1180001730002020002060007850球墨铸铁162.0181.4188.9189.8铸钢161.4180.5188锻钢156.6173.9夹布塑料143.7此设计中齿轮材料选为40，调质后表面淬火，由上表可取。 (10)表5中的校核系数过于复杂。可按西北工业大学第八版机械设计中的方法简化为具体过程： (11) (12) (13)对接触疲劳强度计算，由于点蚀破坏发生后只引起噪声、振动增大，并不立即导致不能继续工作的后果，故可取疲劳强度安全系数=1。寿命系数： (14)其中，n齿轮转速 j齿轮每转一圈时，同一齿面啮合的次数。齿轮的工作寿命，此处定为4500h。根据所选齿轮材料查表可得 (15)由以上数据可得 (16)代入校核公式中得 (17)所以，按齿面接触疲劳强度校核，所选齿轮参数符合要求。按齿根弯曲疲劳强度校核亦符合，在此不在赘述。到此，齿轮泵关键零件齿轮的校核已完成。轴和连接件的校核省略，因为所选零件在装配体中虚拟装配时尺寸都较盈余，能很宽裕地符合力学要求。下面来讨论与齿轮泵本身特点密切相关的一些结构和现象。4 齿轮泵的闭死容积和卸荷槽4.1 闭死容积为保证齿轮泵能连续输液，必须使齿轮的重叠系数>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，当齿轮继续转动时，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，这时齿轮和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，使容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 卸荷槽为消除困油现象，可在与齿轮端面接触的两侧板上开两个用来引出困液的沟槽，即卸荷槽。卸荷槽有相对于节点P对称布置和非对称布置两种。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。（1）对称布置卸荷槽尺寸，卸荷槽间距 (18)本设计卸荷槽采用对称布置。当，中心距为标准值时： （19） （20） （21）卸荷槽最小宽度： （22）式中齿轮重叠系数，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5。表5 卸荷槽深度齿轮模数 m2345678卸荷槽深度 1.01.52.54.05.57.510用插值法取卸荷槽深度值为1.25mm 。（2）非对称布置卸荷槽尺寸齿侧间隙很小（接近无齿侧间隙）时，采用非对称布置卸荷槽，其位置向吸入腔一方偏移一段距离，这样不仅可以解决困液问题，还可以回收一部分高压液体。非对称布置的卸荷槽尺寸，除了外，其尺寸的计算公式与对称布置相同。5 结束语本设计根据外啮合齿轮泵的工作原理，运用Solidworks绘制了齿轮泵的零件，进行了虚拟装配，并采用传统方法进行了校核。结果表明：该设计过程具有可视化、生成模型快捷、虚拟装配精确、在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，大大简化了传统设计中的繁复工作并且能在实际产品造出之前完成优化设计，极大地节约了成本，减少了资源的浪费。6 致 谢经过几个月的学习，现在毕业设计终于完成了！在这几个月的时间里，我的导师给了我极大的帮助，使我对与设计有关的知识有了深入的了解。在设计的过程中我遇到了许多困难，并且常常有不知所措的冲动，因为涉及行业标准和知识，单凭自己的直观理解和做法常常会出错犯下不合实际的荒唐错误。而这种想法也往往会束缚设计人员的思维，因此机械设计确实是一项考验人的工作。老师给我提出了很多非常宝贵的建议，让我受益匪浅，也改变了我以前对机械设计的浅薄认识。7 参考文献1濮良贵，纪名刚.机械设计.北京：高等教育出版社，20062孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理.北京：高等教育出版社，20063Solidworks公司.Solidworks基础教程：零件与装配体.北京：机械工业出版社，20064刑启恩.Solidworks2007零件设计与案例精粹.北京：机械工业出版社，20065江洪，陆利锋，魏峥.Solidworks动画演示与运动分析实例解析.北京：机械工业出版社，20056王兰美.机械制图.北京：高等教育出版社，20047机械工程手册编辑委员会机械工程手册传动设计卷北京：机械工业出版社，19978机械设计手册编委会机械设计手册第二卷北京：机械工业出版社，20049王守城液压元件及选用北京：化学工业出版社，200710李晓文英汉液压气动科技词汇哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，200111刘鸿文. 材料力学. 北京.高等教育出版社. 200412哈工大力学教研室. 理论力学. 北京：高等教育出版社.200413郑竹林. 液压与气动. 成都：电子科技大学出版社.200014杨天明，陈杰. 电机与拖动. 北京：中国林业大学出版社.200615宋爱平. 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