齒輪泵設(shè)計(jì)步驟

1、第2章 液壓泵的設(shè)計(jì)與計(jì)算2.1齒輪泵的設(shè)計(jì)與計(jì)算設(shè)計(jì)齒輪泵時(shí)，應(yīng)該在保證所需性能和壽命的前提下，盡可能使泵的尺寸小、重量輕、制造容易、成本低，以求技術(shù)上先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)上合理。因此，合理選擇齒輪泵的各項(xiàng)參數(shù)及有關(guān)尺寸是非常關(guān)鍵的，設(shè)計(jì)時(shí)通常給出泵的額定壓力p和排量V作為原始設(shè)計(jì)參數(shù)?，F(xiàn)以?xún)蓚€(gè)齒輪基本參數(shù)相同的高壓齒輪泵為例來(lái)說(shuō)明其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。齒輪泵各參數(shù)的選擇原則齒輪泵各參數(shù)的主要關(guān)系式是平均流量計(jì)算公式，即： () （21） () （22）式中：泵的理論流量；泵的實(shí)際流量； 流量修正系數(shù)；值通常為1.051.15；低壓齒輪泵齒數(shù)一般為1319，推薦；高壓齒輪泵齒數(shù)一般為613，推薦；B齒寬(mm)

2、；Z齒數(shù)；m模數(shù)(mm)；n轉(zhuǎn)速(r/min)；容積效率，般=0.850.95。流量是設(shè)計(jì)參數(shù)，只要確定B、Z、m、n后泵的結(jié)構(gòu)尺寸就大體確定了，然后參考有關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn)。下面來(lái)討論如何確定B、Z、m、n這些參數(shù)。1.確定轉(zhuǎn)速n：從流量公式可知，齒輪泵的流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，轉(zhuǎn)速越高，則流量越大。但轉(zhuǎn)速不能太高，因?yàn)檗D(zhuǎn)速太高時(shí)，油液在離心力的作用下，不能填滿(mǎn)吸油腔的工作容積，并且對(duì)吸油腔的吸油也造成阻力，這時(shí)很容易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，使泵的容積效率降低，特別是當(dāng)油液粘度高時(shí)，齒輪節(jié)圓的線(xiàn)速度就受一定限制。在各種油液粘度下，允許最大節(jié)圓線(xiàn)速度見(jiàn)表2-1。此外，液壓泵的轉(zhuǎn)速也不能太低，

3、因?yàn)楫?dāng)工作壓力一定時(shí)，液壓泵的泄漏量也接近于一定值，它與轉(zhuǎn)速的關(guān)系不大；但轉(zhuǎn)速越低，流量越小，則液壓泵的泄漏量與輸油量的相對(duì)比值將越大，也就是液壓泵的容積效率越低。當(dāng)轉(zhuǎn)速低至液壓泵的理論流量和泄漏量相等時(shí)，則液壓泵就不能出油。最低節(jié)圓圓周速度可按下列經(jīng)驗(yàn)公式確定： （） （23）式中：液壓泵的工作壓力(bar)； 油液在50時(shí)的恩氏粘度。當(dāng)齒輪泵的轉(zhuǎn)速低于200300 r/min時(shí)，泵已不能正常工作了。若齒輪泵采用交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，轉(zhuǎn)速一般為：750 r/min、1000 r/min 、1500 r/min，在航空上用到3000 r/min或更高。表2-1 齒輪泵齒輪節(jié)圓極限速度和油的粘度關(guān)系油

4、的運(yùn)動(dòng)粘度124575152300530760齒輪節(jié)圓極限線(xiàn)速度543.732.21.61.252.確定齒數(shù)Z：齒數(shù)Z的確定，應(yīng)根據(jù)液壓泵的設(shè)計(jì)要求從流量、壓力脈動(dòng)、機(jī)械效率等方面綜合考慮。從泵的流量方面來(lái)看，在齒輪分度圓直徑不變的條件下，齒數(shù)越少，模數(shù)越大，泵的流量就越大。從泵的性能來(lái)看，齒數(shù)減少后，對(duì)改善困油及提高機(jī)械效率有利，但使泵的流量及壓力脈動(dòng)增加。目前齒輪泵的齒數(shù)Z一般為619。對(duì)于低壓齒輪泵，由于應(yīng)用在機(jī)床方面較多，要求流量脈動(dòng)小，因此低壓齒輪泵齒數(shù)Z一般為1319。齒數(shù)1417的低壓齒輪泵，由于根切較小，般不進(jìn)行修正。對(duì)于高壓齒輪泵，要求有較大的齒根強(qiáng)度。此外為了減小軸承的受力

5、，要減小齒頂圓直徑，這樣勢(shì)必要增大模數(shù)，減少齒數(shù)，因此高壓齒輪泵的齒數(shù)較少，一般取Z=614。為了防止根切，削弱了齒根強(qiáng)度，齒形均須進(jìn)行修正。3.確定齒寬B：齒輪泵的流量與齒寬成正比。增加齒寬可以相應(yīng)地增加流量。而齒輪與泵體及蓋板間的摩擦損失及容積損失的總和與齒寬并不成比例地增加，因此，齒寬較大時(shí)，液壓泵的總效率較高。但對(duì)高壓齒輪泵，齒寬不宜過(guò)大，否則將使齒輪軸及軸承上的載荷過(guò)大，使軸及軸承設(shè)計(jì)困難。一般對(duì)于高壓齒輪泵，。對(duì)于低壓齒輪泵，。這里為齒輪模數(shù)。泵的工作壓力越高，上述系數(shù)應(yīng)取得越小。4.確定齒輪模數(shù)：對(duì)于低壓齒輪泵來(lái)說(shuō)，確定模數(shù)主要不是從強(qiáng)度方面著眼，而是從泵的流量、壓力脈動(dòng)、噪聲以

6、及結(jié)構(gòu)尺寸大小等方面考慮。從流量公式(21)可以看出，模數(shù)越大，泵的流量就越大。并且當(dāng)齒輪節(jié)圓直徑一定時(shí)，對(duì)流量來(lái)講，增大模數(shù)比增加齒數(shù)有利。因此為了減小泵的體積，希望在可能的條件下盡量增大模數(shù)，減少齒數(shù)。但齒數(shù)太少將使液壓泵的流量及壓力脈動(dòng)增加，因此模數(shù)選擇要適當(dāng)。模數(shù)的粗略估算可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式： （mm） （24）式中：Q泵的實(shí)際流量()。上述計(jì)算公式中，假定；容積效率；當(dāng)這些參數(shù)不在此范圍內(nèi)時(shí)，系數(shù)值也要變化。目前中低壓齒輪泵所用的模數(shù)值如表2-2所示。表2-2 中低壓齒輪泵的模數(shù)值Q (L/min) m (mm) 4 6 10 1.52 12 25 32 2.53 40 50 63

7、3.54 80 100 125 4.55當(dāng)工作壓力大于10MPa時(shí)，應(yīng)考慮到齒輪強(qiáng)度須適當(dāng)增大模數(shù)。齒輪泵精確流量計(jì)算公式為(見(jiàn)式(25) （）(25)當(dāng)齒頂高等于模數(shù) (即齒頂高系數(shù))的標(biāo)準(zhǔn)齒輪，其 ，式中：齒頂圓半徑；節(jié)圓半徑；齒輪基節(jié)；將上式代入流量公式得 （） (26)式中：標(biāo)準(zhǔn)壓力角，。 令B=Km，經(jīng)整理后得 （mm） (27)式中：泵的理論流量，()； n泵的轉(zhuǎn)速，(r/min)； K齒寬系數(shù)，對(duì)于低壓齒輪泵K=610，對(duì)于高壓齒輪泵K=36； Z齒數(shù)，Z=619。對(duì)于齒數(shù)Z13的齒輪泵，齒形須修正，其模數(shù)的精確計(jì)算公式為： （mm） （28）2.1.2齒輪泵的設(shè)計(jì)步驟齒輪泵的流

8、量、壓力為已知的設(shè)計(jì)參數(shù)。1.確定泵的理論流量為 （29）式中：泵的容積效率，一般=0.850.95。2.選定轉(zhuǎn)速：由原動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即為泵的轉(zhuǎn)速，或?qū)⒃瓌?dòng)機(jī)減速后作泵的轉(zhuǎn)速。若采用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，一般轉(zhuǎn)速為750、1000、1500、3000r/min。3.選取齒寬系數(shù)K：對(duì)于低壓齒輪泵K=610，對(duì)于高壓齒輪泵K=36。壓力高取小值，壓力低取大值。4.選取齒數(shù)Z：對(duì)于中低壓齒輪泵：Z=1319；對(duì)于高壓齒輪泵： Z=614(須齒形修正)。5.計(jì)算齒輪模數(shù)m：當(dāng)為標(biāo)準(zhǔn)齒輪時(shí)： （mm） （210）當(dāng)為修正齒輪時(shí)： （mm） （211）選取不同的K值及Z代入上式可以得到不同的m值，

9、這樣可以獲得許多組齒輪泵的參數(shù)，可以從其中選擇一組比較理想方案，作為所要設(shè)計(jì)的齒輪泵的參數(shù)，并把計(jì)算模數(shù)圓整為標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。6.校驗(yàn)齒輪泵的流量。該流量與設(shè)計(jì)理論流量相差5%以?xún)?nèi)為合格。當(dāng)為標(biāo)準(zhǔn)齒輪時(shí)： （） （212）當(dāng)為修正齒輪時(shí)： （） （213）當(dāng)泵流量與設(shè)計(jì)理論流量相差很小時(shí)，可以修改齒寬系數(shù)來(lái)調(diào)整流量，當(dāng)相差大時(shí)，則需重新修改選定的參數(shù)。7.校核齒輪節(jié)圓線(xiàn)速度。 （214）式中：節(jié)圓直徑，(mm) n轉(zhuǎn)速，(r/min) 齒輪節(jié)圓許用線(xiàn)速度，其值見(jiàn)表2-1。若輪周速度太大，須減少節(jié)圓直徑，辦法是減少齒數(shù)或增加齒寬，有時(shí)也可以修改轉(zhuǎn)速n。8.確定困油卸荷槽尺寸。(1)兩卸荷槽之間的距離式

10、中：齒輪基節(jié)（mm）齒輪嚙合角（）分度圓壓力角（）兩齒輪實(shí)際中心距（mm）模數(shù)（mm）齒數(shù)(2)卸荷槽寬度：式中：重疊系數(shù)。(3)卸荷槽深度：卸荷槽深度的大小，影響困油排出的速度，一般取。式中：齒輪模數(shù)（mm）。圖2-1 困油卸荷槽尺寸計(jì)算圖9.計(jì)算齒輪各部分尺寸：、等，對(duì)于修正齒輪，則還須計(jì)算中心距A，移距系數(shù)、嚙合角等。修正后的實(shí)際中心距A為標(biāo)準(zhǔn)值： （215）修正后的齒頂圓直徑為標(biāo)準(zhǔn)值： （216）嚙合角由下式?jīng)Q定： （217）式中：齒輪模數(shù)（mm）Z齒數(shù)齒輪分度圓直徑，；齒根圓直徑；齒輪嚙合角齒輪壓力角保證齒側(cè)間隙為0.08m的移距系數(shù)可以通過(guò)下式計(jì)算： （218）式中：漸開(kāi)線(xiàn)函數(shù) 。

11、上述修正方法稱(chēng)為“增一齒修正”，采用此種修正方法所求得的值是大于為消除根切所需的最小移距系數(shù)值。按值可以求出加工時(shí)刀具的切削深度，即全齒高。經(jīng)修正后的齒形不僅消除了根切現(xiàn)象，增加了齒根的強(qiáng)度，而且使齒面接觸更緊密，減小了齒面的滑移，提高了泵的機(jī)械效率和容積效率。10.參考有關(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)齒輪泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，邊計(jì)算、邊繪圖、邊修改。例如根據(jù)工作壓力的高低確定是否需要采用徑向液壓平衡及軸向間隙的自動(dòng)補(bǔ)償；采用何種徑向力平衡措施；當(dāng)壓力時(shí)，一般采用軸向間隙的自動(dòng)補(bǔ)償。是采用三片式結(jié)構(gòu)（由前泵蓋、泵體、后泵蓋）還是采用兩片式結(jié)構(gòu)（由殼體和前蓋組成）。三片式結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 毛坯制造容易，甚至可用型材切

12、料；(2)便于機(jī)械加工；(3)便于布置雙向端面間隙自動(dòng)補(bǔ)償，從而改善補(bǔ)償性能和提高壽命；(4)便于雙出軸布置，根據(jù)需要可以串接另一個(gè)齒輪泵。11.確定液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率 （kW） （219）式中：p齒輪泵壓力，()； Q齒輪泵輸出流量，(L/min)； 齒輪泵總效率，一般取=0.750.90。12.強(qiáng)度校核和軸的剛度計(jì)算。對(duì)低壓齒輪泵，齒輪強(qiáng)度不必驗(yàn)算，般均能滿(mǎn)足要求；對(duì)高壓齒輪泵，必須進(jìn)行齒輪強(qiáng)度校驗(yàn)。采用滾動(dòng)軸承時(shí)，精確地計(jì)算軸頸的撓度非常重要。因?yàn)榧词馆S的撓曲并不顯著，也會(huì)引起滾針或滾柱滾道邊緣接觸應(yīng)力劇烈增加，導(dǎo)致這些表面很快就會(huì)損壞。采用滑動(dòng)軸承時(shí)，軸的撓曲也會(huì)使局部接觸應(yīng)力劇烈增加并

13、破壞潤(rùn)滑油膜，造成軸承的燒傷。為了防止這種破壞，必須盡可能采取措施減少軸的撓度。13.軸承的設(shè)計(jì)與選擇。由于兩齒輪的軸線(xiàn)距離較小，往往不能安裝所需的球軸承，因此在傳統(tǒng)齒輪泵中一般采用徑向尺寸較小的滾針軸承或滑動(dòng)軸承。當(dāng)采用滑動(dòng)軸承時(shí)，計(jì)算出滑動(dòng)軸承的尺寸d、。當(dāng)采用滾針軸承時(shí)，選擇合適的滾針軸承并算出軸承壽命。目前一般齒輪泵軸承的計(jì)算壽命不低于1000小時(shí)。滾針軸承的優(yōu)點(diǎn)：工作時(shí)摩擦系數(shù)小，起動(dòng)摩擦力矩小，機(jī)械效率高；承載能力強(qiáng)；既適用低轉(zhuǎn)速也適用于高轉(zhuǎn)速；能在較大溫度范圍內(nèi)工作；抗污染能力強(qiáng)。其缺點(diǎn)是：工作中噪聲大；軸承尺寸較大，結(jié)構(gòu)布置不便；當(dāng)采用長(zhǎng)的滾針軸承時(shí)，對(duì)制造和裝配誤差較敏感；在

14、高壓齒輪泵中，值較大，對(duì)滾針精度要求較高以及熱處理工藝規(guī)程要嚴(yán)格控制。近來(lái)趨向于選取短而粗的滾針?；瑒?dòng)軸承的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；安裝方便；工作中噪聲低；抗沖擊性能好；價(jià)格便宜；只要材質(zhì)和加工精度選擇恰當(dāng)，潤(rùn)滑條件良好，就能承受相當(dāng)高的負(fù)載。其缺點(diǎn)是：抗污染能力差；在高溫時(shí)油膜強(qiáng)度低，易燒壞；起動(dòng)時(shí)摩擦力矩大；當(dāng)轉(zhuǎn)速很低時(shí)不易形成油膜，易燒壞。復(fù)合材料軸承由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、過(guò)載能力強(qiáng)、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前在齒輪泵中得到應(yīng)用。與金屬軸承相比，復(fù)合材料軸承的摩擦、磨損性能有以下特點(diǎn)：(1)工作負(fù)荷與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系不像金屬那樣決定于彈性接觸變形或塑性接觸變形，而是決定于摩擦對(duì)偶材料之間的工

15、作狀態(tài)；(2)相對(duì)滑動(dòng)速度和摩擦系數(shù)之間的關(guān)系決定于聚合物基體材料的蠕變特性、纖維的方位及相對(duì)滑動(dòng)的方向。因而復(fù)合材料軸承對(duì)相配的軸頸材料、硬度、表面粗糙度等有相應(yīng)的要求，與軸頸的配合間隙必須嚴(yán)格按廠家推薦的公差進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。齒輪泵是可逆元件，從原則上來(lái)講，一般的齒輪泵都可以作為齒輪馬達(dá)來(lái)使用，因此齒輪馬達(dá)的設(shè)計(jì)方法和步驟與齒輪泵是相同的，但考慮到馬達(dá)工作的特殊性，如帶載起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)，沖擊等，齒輪馬達(dá)在結(jié)構(gòu)上有如下特點(diǎn)：(1)考慮到馬達(dá)要正反轉(zhuǎn)，因此馬達(dá)具有左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，采用外泄油口。(2)為了改善起動(dòng)性能，馬達(dá)一般不宜采用端面間隙自動(dòng)補(bǔ)償裝置，并選用滾針軸承。(3)要求馬達(dá)尺寸小，輸出轉(zhuǎn)矩

16、脈動(dòng)小，齒輪馬達(dá)齒數(shù)Z取1014。齒輪泵的工藝、材料及技術(shù)要求目前使用的齒輪泵中，齒輪和軸通常做成整體。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，裝配方便。對(duì)于尺寸較大的齒輪泵，齒輪和軸可以做成分離式，齒輪和軸之間采用鍵聯(lián)接，這樣結(jié)構(gòu)工藝性好，加工齒輪側(cè)面較容易，在平面磨床上加工相同的齒寬很容易獲得。齒輪泵通常采用的零件材料是：泵體和端蓋采用鑄鐵或鋁合金，齒輪和軸采用45號(hào)鋼、40Cr、18CrMnTi、20Cr、38CrMoAl等材料(前面兩種材料用于低壓齒輪泵，后面三種材料用于高壓齒輪泵)，材料經(jīng)滲碳氮化處理，表面硬度達(dá)HRC=6062，心部硬度HRC=2844。使齒輪具有較高的耐磨性和沖擊韌性。淬火后的工作表面必須磨光。軸套般采用40號(hào)鋼、40Cr和青銅。下面給出齒輪泵典型零部件的工藝要求，僅供參考。齒輪泵的主要零件的技術(shù)要求如下：(1) 泵體內(nèi)孔錐度和橢圓度小于0.01mm；(2) 齒頂圓和泵體配合H7/f7；泵徑向間隙一般為0.020.06mm；(3) 一對(duì)齒輪寬度差小于0.00