外嚙合齒輪泵的設(shè)計(jì) (2)

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1、圖1 是外嚙合齒輪泵的工作原理圖。由圖可見(jiàn)，這種泵的殼體內(nèi)裝有一對(duì)外嚙合齒輪。由于齒輪端面與殼體 端蓋之間的縫隙很小，齒輪齒頂與殼體內(nèi)表面的間隙也很小，因此可以看成將齒輪泵殼體內(nèi)分隔成 左、右兩個(gè)密封容腔。當(dāng)齒輪按圖示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，右側(cè)的齒輪逐漸脫離嚙合，露出齒間。因此這 一側(cè)的密封容腔的體積逐漸增大，形成局部真空，油箱中的油液在大氣壓力的作用下經(jīng)泵的吸油 口進(jìn)入這個(gè)腔體，因此這個(gè)容腔稱為吸油腔。隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)齒間中的油液從右側(cè)被帶到 了左側(cè)。在左側(cè)的密封容腔中，輪齒逐漸進(jìn)入嚙合,使左側(cè)密封容腔的體積逐漸減小，把齒間的油 液從壓油口擠壓輸出的容腔稱為壓油腔。當(dāng)齒輪泵不斷地旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪泵的吸

2、、壓油口不斷地吸油 和壓油，實(shí)現(xiàn)了向液壓系統(tǒng)輸送油液的過(guò)程。在齒輪泵中，吸油區(qū)和壓油區(qū)由相互嚙合的輪齒和泵體分隔開(kāi)來(lái)，因此沒(méi)有單獨(dú)的配油機(jī)構(gòu)。 齒輪泵是容積式回轉(zhuǎn)泵的一種，其工作原理是：齒輪泵具有一對(duì)互相嚙合的齒輪，齒輪（主動(dòng)輪）固定在主動(dòng)軸上，齒輪泵的軸一端伸出殼外由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，齒輪泵的另一個(gè)齒輪（從動(dòng)輪）裝在另一個(gè)軸上，齒輪泵的齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，液體沿吸油管進(jìn)入到吸入空間，沿上下殼壁被兩個(gè)齒輪分別擠壓到排出空間匯合（齒與齒嚙合前），然后進(jìn)入壓油管排出。 ?? 齒輪泵的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、造價(jià)低。但與其他類型泵比較，有效率低、振動(dòng)大、噪音大和易磨損的缺點(diǎn)。齒輪泵適合于輸送黏稠

3、液體 外嚙合齒輪泵的設(shè)計(jì) 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。 我們已知某潤(rùn)滑油泵工作壓差=７０（bar）和排量q=62582(ml/r)用Y132S-4電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵的正常工作。 一． 定刀具角和齒頂高系數(shù) 采用標(biāo)準(zhǔn)刀具，，齒頂高系數(shù) 二． 選齒數(shù)Z 排量與齒數(shù)，查資料《液壓文件》中查得（1-1）考慮到實(shí)際上齒間的容積比輪齒的有效體積稍大，所以齒輪泵的理論排量應(yīng)比按式（1-1）計(jì)算的值大一些，并且齒數(shù)越少差值越大?？紤]到這一因素，就在公式（1-1）中乘以系數(shù)K以補(bǔ)償其誤差，則齒輪泵的排量

4、為 通常K=1.06～1.115，即．齒數(shù)少時(shí)取最小值（當(dāng)Ｚ＝６時(shí)，可取K=1.115,而當(dāng)Ｚ=20時(shí)，可取K=1.06）反映齒輪泵結(jié)構(gòu)大小的尺寸---齒輪分度圓直徑(Df=Mz).若要增大排量,增大模數(shù)的辦法比增加齒數(shù)更為有利.若要保持排量不變,要使泵的體積很小,則應(yīng)增大模數(shù)并減少齒數(shù).減少齒數(shù)可減小泵的外形尺寸,但齒數(shù)也不能太小,否則不僅會(huì)使流量脈動(dòng)嚴(yán)重,甚至?xí)过X輪嚙合的重迭系數(shù)<1,這是不允許的.一般齒輪泵的齒數(shù)Z＝６～３０．用于機(jī)床或其它對(duì)流量的均勻性要求較高的低壓齒輪泵，一般取Z＝１４～３０；用于工程機(jī)械和礦上極限的中高壓和高壓齒輪泵，對(duì)流量的均勻性要求不高．但要求結(jié)構(gòu)尺寸小，作

5、用在齒輪上的徑向力小，從而延長(zhǎng)軸承的壽命，就采用較少的齒數(shù)（Z＝９～１５）而近來(lái)新設(shè)計(jì)中高壓齒輪泵時(shí)，都十分注意降低齒輪泵的噪聲，因此所選齒數(shù)有增大的趨勢(shì)（取Z＝１２～２０）．只有對(duì)流量均勻性要求不高，壓力有很低的齒輪泵（如潤(rùn)滑油泵）才選用Z＝６～８．所以我們初選齒數(shù)為＝11．齒輪泵所用的兩個(gè)齒輪等大 ，固傳動(dòng)比ｉ＝１所以 三． 確定齒輪的模數(shù)m 　　　　由齒寬與齒頂圓的比值，得，即 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪Ｃ＝２，對(duì)于“增一齒修正法”修正的齒輪Ｃ＝３將Ｂ的表達(dá)式代入排量近似公式得所以式中Ｋ=1.06～1.115齒數(shù)少時(shí)取大值，齒數(shù)多時(shí)取小值． 查資料知：

6、 表１ ３５ ７０ １０５ １４０ １６０ １ ０.８ ０.６ ０.４ ０.３５ 得模數(shù)m2.4,經(jīng)查課本《機(jī)械設(shè)計(jì)》中表2我們應(yīng)選取與該值接近的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)值m=2.5 四． 確定齒寬　 （mm）所以 五． 確定齒輪的其它參數(shù) 　　　　壓力角我們?nèi)?biāo)準(zhǔn)值 選取標(biāo)準(zhǔn)值 分度圓直徑d　　 齒頂高 　　　　齒根高 　　　　齒全高h(yuǎn) 　　　　齒頂圓直徑　 齒頂高系數(shù) 　　　　頂隙系數(shù) (1).我們選用一般的齒輪材料，軟齒面的閉式傳動(dòng)，查課本《機(jī)械設(shè)

7、計(jì)基礎(chǔ)》表12.1和表12.2選用45鋼，正火處理齒面硬度HBS230。齒輪油泵為一般機(jī)械中的齒輪傳動(dòng)，我們處選8級(jí)精度。 (2).確定許用應(yīng)力：由圖12.11c、圖12.14c分別查得 由表12.5查得和故 六． 選定工作油液 　　　　我們所用的工作油液為礦物油型（石油基）液壓油，普通液壓油。這種油液是以石油的精練物為基礎(chǔ)，加入各種改進(jìn)性能的添加劑而成。 七． 確定齒輪泵的轉(zhuǎn)速n 齒輪泵一般都和原動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等）直接連接，我們所用的電動(dòng)機(jī)為Y132S-4型功率P=5.5kw,滿載轉(zhuǎn)速，所以其轉(zhuǎn)速n應(yīng)于原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一致。由流

8、量公式可知，轉(zhuǎn)速愈高，流量愈大。但轉(zhuǎn)速過(guò)高，由于離心力的作用，使油液不能完全充滿齒間，吸油不足導(dǎo)致了容積效率下降，產(chǎn)生氣蝕、震動(dòng)和噪聲。因此就有最高的轉(zhuǎn)速限制。允許的最高轉(zhuǎn)速與工作油液的粘度有關(guān)，粘度越大，允許的最高轉(zhuǎn)速就愈低。 一般用限制齒輪頂圓圓周速度的辦法來(lái)確定最高轉(zhuǎn)速，以保證在工作中不產(chǎn)生氣蝕。不同粘度的油，起允許的圓周速度如表3所示。然后將允許的頂圓圓周極限速度換算成允許的極限轉(zhuǎn)速 表3 液體的運(yùn)動(dòng)粘度 齒頂圓周極限速度 5 4 3.7 3 2.2 1.6 1.25

9、 式中 ---頂圓直徑（mm）;---頂圓圓周極限線速度（m/s）. 另一方面齒輪泵的轉(zhuǎn)速也不能太低，因當(dāng)工作壓力一定時(shí)，泵的泄露量也接近于一定值，它與轉(zhuǎn)速的關(guān)系不大，但轉(zhuǎn)速愈低，流量愈小，泄露量與理論流量比值愈大，溶劑效率愈低。所以還應(yīng)對(duì)齒輪泵的最低轉(zhuǎn)速加以限制，其允許的最低頂圓圓周速度，可按以下經(jīng)驗(yàn)公式選取 式中　---齒輪泵高低壓腔差（bar）;---工作油液恩式粘度。 為了避免容積效率嚴(yán)重下降，在實(shí)際工作中都不允許泵的轉(zhuǎn)速低于300rpm. 八.校核排量是否符合原始設(shè)計(jì)參數(shù)中提出的要求 九．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （一） 結(jié)構(gòu)形式的確定 在確定結(jié)構(gòu)形式時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)內(nèi)容

10、1. 減輕徑向力的結(jié)構(gòu)設(shè)施。 2. 是采用三片式結(jié)構(gòu)（有前泵蓋、泵體、和后泵蓋組成，）還是采用兩片式結(jié)構(gòu)（由殼體和前蓋組成）。 近年來(lái)其所以三片式結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)槿浇Y(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)： （1） 毛坯制造容易，甚至可用型材切料； （2） 便于機(jī)械加工； （3） 便于布置雙向端面間隙的液壓自動(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)需要可以串聯(lián)另一個(gè)齒輪泵。 3. 齒輪與軸做一個(gè)整體還是做成分離式通過(guò)鍵（或花鍵）連接 將齒輪和軸做成整體，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，裝配方便；將齒輪和軸作成分離式，其優(yōu)點(diǎn)是加工工藝性好，齒輪側(cè)面加工較容易，在平面磨床上很容易加工

11、相同的齒寬，這種結(jié)構(gòu)在大排量泵中常見(jiàn)。 （二） 確定高低壓腔尺寸（包括壓出角、吸入角和吸壓油管道直徑） （三） 軸承負(fù)荷（徑向力）的計(jì)算 （四） 軸的計(jì)算 （1） 從我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上看，采用的是齒輪軸，固齒輪軸也采用的是45鋼并作正火處理，由表14.1（課本---《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》）。查得。再由表14.5查得。 （2） 初步估算軸的最小直徑 由式 式中 C--- 由軸的材料和受載情況所決定的計(jì)算常數(shù)，見(jiàn)表14.4取Ｃ＝118。mm考慮該處軸徑尺寸應(yīng)當(dāng)大于高速級(jí)軸頸處直徑，取根據(jù)軸上零件的定位、裝配和軸的工藝性要求，參考液壓元件中齒輪油泵（裝配表如上）初步確定中間軸的結(jié)構(gòu)如下圖

12、 表14.4 軸常用材料的值和C值 軸的材料 Q235，20 35 45 40Cr,35SiMn 12～20 20～30 30～40 40～52 C 160～135 135～118 118～106 107～97 　注：當(dāng)作用在軸上的彎矩比轉(zhuǎn)矩小或只受轉(zhuǎn)矩時(shí)，取較大值，Ｃ值取較小值；反之，取較小值，Ｃ值取較大值。 （3） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、繪制草圖　根據(jù)估算所得的直徑，齒輪寬度和安裝情況等條件，對(duì)軸的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)。 各軸段直徑的確定 初選滾動(dòng)軸承下，型號(hào)為6202 d=15 D=35 B=11 ；；；額定動(dòng)負(fù)荷；額定靜負(fù)荷；極限轉(zhuǎn)速/（

13、）脂潤(rùn)滑為17000、油潤(rùn)滑為22000；軸頸直徑 退刀槽處直徑,, 齒輪1處直徑 軸7與電動(dòng)機(jī)相連所以我們?nèi)∫詽M足電動(dòng)機(jī)與齒輪軸之間的傳動(dòng)。 2. 各軸段軸向長(zhǎng)度的確定 按軸上零件的軸向尺寸和零件間相對(duì)位置，參考上表，確定出軸向長(zhǎng)度，如圖所示。 　　　　?。ǎ矗┬：溯S的強(qiáng)度 a. 計(jì)算齒輪受力： 齒輪分度圓直徑：直齒齒輪軸所以 齒輪所受轉(zhuǎn)矩： 齒輪作用力： 圓周力： 徑向力： b. 畫(huà)出軸的受力簡(jiǎn)圖：軸受力的大小和方向如圖所示 c. 畫(huà)出軸的垂直面受力圖，計(jì)算水平面內(nèi)的約束力 和 ，如圖所示，并作出垂直面內(nèi)的彎矩 圖，如圖所示。 （五） 從動(dòng)軸的計(jì)算 1. 強(qiáng)

14、度計(jì)算（計(jì)算危險(xiǎn)斷面C—C的強(qiáng)度（如圖） （1）.求支點(diǎn)反力 在計(jì)算中一般當(dāng)作可動(dòng)鉸鏈雙支點(diǎn)的梁。這種假設(shè)對(duì)于一個(gè)支座中只裝有一個(gè)滾動(dòng)軸承或雖裝有兩個(gè)軸承但能自動(dòng)調(diào)心是足夠精確的。如果同一支座中裝有兩個(gè)滾動(dòng)軸承，但不能自動(dòng)調(diào)心時(shí)，則不考慮外面的那個(gè)軸承，而將靠里面的軸承當(dāng)作鉸鏈支承。 對(duì)于滑動(dòng)軸承，這個(gè)假定性鉸鏈與齒輪端面的距離取為 。 由于齒輪兩端面的軸頸和滑動(dòng)軸承的尺寸完全相同，所以兩個(gè)假象鉸鏈的支反力為 式中 q — 齒輪部分單位長(zhǎng)度上的載荷（N/m）; B — 齒寬（m）； — 作用在從動(dòng)齒輪上的總徑向力（N） （2）

15、.作用在危險(xiǎn)斷面C—C處的彎曲扭矩 （3）.斷面C—C的抗彎斷面系數(shù) 式中 d 、—空心軸的外徑和內(nèi)徑（m）。 當(dāng)為實(shí)心軸時(shí)， （4）.斷面C—C的彎曲應(yīng)力 （5）.求強(qiáng)度安全系數(shù) 從動(dòng)軸上的彎曲應(yīng)力是對(duì)稱循環(huán)的，即軸頸承受著變負(fù)荷。我們假定軸頸的彎曲是由于經(jīng)常作用著平均彎曲力矩所產(chǎn)生的。 對(duì)稱循環(huán)的彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)為 式中 — 材料的彎曲疲勞極限，對(duì)20CrMnTi =4900 bar; —彎曲的有效應(yīng)力集中系數(shù)，值要根據(jù)、和值在“機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)”中選?。ㄆ渲蠨—從動(dòng)齒輪節(jié)圓直徑，d

16、—軸頸直徑，r—軸頸與齒輪端面交接處的圓角半徑，—材料的抗拉強(qiáng)度）； —絕對(duì)尺寸對(duì)疲勞極限影響系數(shù)，值要根據(jù)材料和軸頸d值在“機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)”中選取。 2. 從動(dòng)軸的剛度計(jì)算 由于從動(dòng)軸上沒(méi)有扭矩作用，所以只計(jì)算它的彎曲剛度（撓度） 在采用滾動(dòng)軸承的場(chǎng)合下，精確地計(jì)算軸頸的撓度是很重要的，因?yàn)槭馆S產(chǎn)生并不顯著的撓曲，就會(huì)引起在滾針或滾珠滾道邊緣上單位壓力的劇烈增加，很快就會(huì)損壞這些表面。 在采用滑動(dòng)軸承的場(chǎng)合下，軸的撓曲使局部單位壓力劇增并使?jié)櫥湍ぴ獾狡茐?，造成軸承的撓傷。 為了防止這種破壞，首先必須盡可能減少軸的撓度。 在計(jì)算軸的撓度時(shí)，我們假定：a）對(duì)于滑動(dòng)軸承或滾針軸承，軸

17、頸上所受的載荷可視為均布載荷；b) 載荷加在軸承的軸線上；c）從軸頸外端至齒輪端面，軸頸的直徑不變；d) 齒輪部分的變形可以忽略。其受力簡(jiǎn)圖如圖所示。 則軸頸長(zhǎng)度的中心A相對(duì)于齒輪端面C的撓度為 將和代入上式得 式中 E —彈性模量，對(duì)于鋼； I — 截面A的軸慣性力矩，； d、l—軸頸的直徑和長(zhǎng)度（mm）; —作用在從動(dòng)輪上的總頸向力（N）。 （六） 輪齒的強(qiáng)度（包括齒面接觸強(qiáng)度和輪齒彎曲強(qiáng)度）的計(jì)算 (1). 驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 由式校驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度： 查課本《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》圖12.13查得查表12.4載荷系數(shù)K，原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，工作機(jī)械載荷特性比較平穩(wěn)K=1。代入上式得，<{} 安全。 （2）.驗(yàn)算圓周速度： 2.45（m/s） 查課本12.3知，選8級(jí)精度合適。 精度等級(jí) 圓周速度（直齒圓柱齒輪） 應(yīng)用舉例 8（中等精度） 小于等于5 一般機(jī)械中的齒輪傳動(dòng)，如機(jī)床、汽車(chē)和拖拉機(jī)中一般的齒輪；起重機(jī)中的齒輪；農(nóng)業(yè)機(jī)械中的重要齒輪 （七） 軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 （八） 卸荷槽尺寸的計(jì)算 （九） 浮動(dòng)軸承（或浮動(dòng)側(cè)板、撓性側(cè)板）軸向液壓平衡的計(jì)算 （十） 泵提強(qiáng)度計(jì)算 （十一） 連接（泵蓋與泵體）螺釘（或螺栓）的計(jì)算 第 9 頁(yè)