內嚙合齒輪泵畢業(yè)設計說明書

1、<p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　二〇〇八年六月</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　由于我國生產(chǎn)力以及經(jīng)濟的不斷發(fā)展，客觀上對內嚙合齒輪泵的需求量正在不斷的增加。但是我國對于內嚙合齒輪泵的研究和探索起步晚，起點低，這就嚴重制約

2、了我國在內嚙合齒輪泵領域的發(fā)展速度。相對于國外知名產(chǎn)品，我國自主生產(chǎn)的內嚙合齒輪泵無論在容積效率，輸出壓力和性能穩(wěn)定性等方面都存在很大的差距。本文主要主要內容是通過Pro/E對內嚙合齒輪泵進行了建模過程，然后又利用ANSYS軟件對內嚙合齒輪泵的主要組成部件進行了有限元分析，并根據(jù)分析結果提出了相應的優(yōu)化建議。</p><p>　　關鍵詞 內嚙合齒輪泵；三維建模；有限元分析；優(yōu)化建議；Pro/E</p&

3、gt;<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, Chinese have began to do the research of high-pressure internal gear pumps. But we lack research of internal gear pumps in parametric des

4、ign,</p><p>　　performance and other aspects of basic analysis. So there is a large gap between the current domestic internal gear pumps witn the products of foreign countries in output</p><p>　　

5、pressure, volumetric efficiency and the stability of the products. And China's internal gear pumps have low production and few species. We first drawed the three-dimensional Pro/E of the main structures of the intern

6、al gear pump and the assembly drawing. Those draws were saved as the format of IGES,then they were imported into ANSYS. This method of analysis and optimization also has an important significance to design and analyze ot

7、her parts of pumps, which can make the pump have the best overal</p><p>　　Key words internal gear pump；finite element analysis；Pro/E</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b

8、>　　引 言</b></p><p><b>　　第 一 章 緒論</b></p><p>　　1.1內嚙合齒輪泵的概述</p><p>　　在液壓系統(tǒng)中，經(jīng)常用到的泵主要是齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。而齒輪泵又由于有重量輕、結構較緊湊、體積小、成本低、對污染不敏感、自吸性能比較好、壽命長、工作可靠等優(yōu)點，所以在液壓系統(tǒng)中得到了

9、廣泛的應用，而其中又尤為內嚙合齒輪泵的應用范圍最為廣泛。</p><p>　　內嚙合齒輪泵是將機械能轉化成液壓能的一種能量轉換裝置, 為液壓系統(tǒng)提供有壓力的油液, 是液壓傳動系統(tǒng)中常用的動力元件。隨著相關科學技術的快速發(fā)展，機械傳動在很多的場合被液壓傳動所代替，因為齒輪泵價格比較便宜，結構簡單，尤其是它的對油液污染的不敏感性和自吸性能比較好的特點使齒輪泵的應用非常廣泛。此外內嚙合齒輪泵還有很多優(yōu)點，它的尺寸小、結

10、構比較緊湊、重量輕。內嚙合齒輪泵齒輪同向旋轉, 因此齒面的相對滑動速度較小，磨損比較輕微，使用的壽命長，噪聲和壓力脈動也都比較小。由于流量脈動小，內嚙合齒輪泵在電液比例控制系統(tǒng)和室內機械，特別是艦船等要求噪音很低的場合有著廣泛的應用。內嚙合齒輪泵的轉速可以達到較高的值, 使得內嚙合齒輪泵的容積效率比較高。由于以上這些優(yōu)點，內嚙合齒輪泵在今后的機械工業(yè)中會有更大的需求和廣闊的發(fā)展應用前景。</p><p>　　1.

11、1.1內嚙合齒輪泵的工作原理</p><p>　　如圖1-1所示，內嚙合齒輪泵的主體結構由一對內嚙合的漸開線齒輪組成, 采用軸向間隙和徑向間隙自動補償?shù)拿芊庋b置，提高了齒輪泵的容積效率, 輸出壓力和輸出功率也隨之得到大幅度提高。在漸開線內嚙合齒輪泵中，小齒輪和內齒圈之間要安裝一對活動的月牙塊和密封棒，以便把吸油腔與壓油腔隔開。當小齒輪按某一方向旋轉時，內齒輪也以相同的方向旋轉，輪齒脫開嚙合的部分，齒間容積逐漸增大

12、形成真空，油液在大氣壓力作用下，進入吸油腔， 填滿各齒間，而輪齒進入嚙合的地方，齒間容積逐漸縮小，形成高壓腔，油液被擠壓出去，從而將主動齒輪輸入的機械能轉換為油液的液壓能。</p><p>　　1-小齒輪 2-齒輪環(huán) 3-月牙塊</p><p><b>　　圖1-1</b></p><p>　　1.1.2內嚙合齒輪泵的主要組成

13、部件及作用</p><p><b>　　1.齒輪軸</b></p><p>　　齒輪軸即小齒輪是內嚙合齒輪泵中非常重要的關鍵零部件，齒輪軸設計的好壞對于內嚙合齒輪泵的工作壓力、穩(wěn)定性、噪聲以及整體的工作性能都有非常大的影響。內嚙合齒輪泵所能達到的最高壓力與齒輪軸的剛度以及齒輪軸和齒圈的輪齒強度均有密切的關系。</p><p><b>

14、　　2.殼體</b></p><p>　　殼體是內嚙合齒輪泵的一個主要零部件，通過它將齒輪軸、齒圈、密封裝置和端蓋等將這些零件組合成一個整體，使這些零件相互間有一個正確的位置關系，從而使齒輪泵能夠有較好的工作性能以及達到所要求的運動關系。內嚙合齒輪泵內部的形狀結構相對比較復雜，外部有直徑不同的圓柱面和平面，內部有安裝齒輪軸的孔，內壁高壓區(qū)開有弧形溝槽，進油口開有較大的吸油窗口。</p>

15、<p><b>　　3.齒輪環(huán)</b></p><p>　　齒圈對于漸開線式內嚙合齒輪泵而言也是一個重要的關鍵零部件，它與齒輪軸相配合，由月牙塊將它們與其他零部件形成的密封腔分為高壓區(qū)和低壓區(qū)。</p><p><b>　　4．月牙塊</b></p><p>　　小齒輪為主動輪，齒輪環(huán)為從動輪，而在小齒輪和齒輪環(huán)

16、之間的月牙塊則緊緊貼著小齒輪和齒輪環(huán)的齒頂，從而在小齒輪和齒輪環(huán)之間形成兩個密閉的區(qū)域，即吸油腔和壓油腔并將兩腔隔開。此外月牙塊還可以減少徑向泄露，進行徑向補償。</p><p>　　1.1.3內嚙合齒輪泵的性能參數(shù)</p><p><b>　　1.壓力</b></p><p>　　齒輪泵的工作壓力指的是泵的輸出壓力，即齒輪泵出口附近的液壓油為

17、了能夠克服外界阻力需要建立的壓力。因此齒輪泵的工作壓力是由外負載的大小決定的。齒輪泵的工作壓力隨著外界阻力的增大而增大，隨著外界阻力的減小而變小。對于齒輪泵的壓力來說，一般分為泵的額定壓力和最高壓力。齒輪泵的額定壓力指的是在使用中按照標準條件連續(xù)運轉所允許的最大工作壓力，超過這個值就是過載。最高壓力是指齒輪泵短時間內所允許超載使用的極限壓力，它受到齒輪泵自身密封性能、殼體和零件強度等因素的限制，若長時間的在最高壓力以上工作，泵體就會很快

18、出現(xiàn)故障。</p><p>　　2. 齒輪泵的功率和效率</p><p>　　齒輪泵一般由電動機或者其他的原動機驅動而轉動的，因此齒輪泵輸入的量是液壓油的流量、壓力，如果泵在將機械能轉化成液壓能的過程中能量沒有損失，那么它的理論功率應該等于泵的理論流量和輸出壓力的乘積。但在真實的工作條件下，泵在能量轉換的過程中會產(chǎn)生一些損失的，主要有機械損失和容積損失。機械損失是指因為摩擦而產(chǎn)生的轉矩上的

19、損失，容積損失指的是由于內泄漏而造成的液壓泵流量上的損失。</p><p><b>　　3. 轉速</b></p><p>　　為了能夠讓齒輪泵正常運轉，帶動齒輪泵的原動機的轉速要同齒輪泵的額定轉速相適合。齒輪泵額定轉速指的是當輸出為額定功率的時候，齒輪泵能夠連續(xù)正常工作的轉速。這個轉速要保持基本穩(wěn)定，過高的話泵的吸油會不足產(chǎn)生氣穴，從而產(chǎn)生振動和噪聲，過低的話會使齒

20、輪泵的泄漏量增加，這時候容積效率會降低，影響泵的工作性能。綜上所述，要對齒輪泵的轉速加以限制。</p><p>　　4. 排量、流量和容積效率</p><p>　　齒輪泵的排量 V 指的是在不考慮泄漏的情況下，軸經(jīng)過一整轉時所能輸出的油液的體積。它的大小由齒輪泵工作腔容積的大小決定。齒輪泵的流量分為理論流量和實際流量 q。理論流量指的是在不考慮泄漏的情況下，單位時間內能輸出的油液的體積。它

21、的大小由轉速和泵本身的結構參數(shù)決定。即</p><p><b>　　=nV</b></p><p>　　泵的實際流量 q 是液壓泵工作時的輸出流量，這時的流量需要考慮泵的泄漏。而泵的泄漏損失，通常用容積效率這個參數(shù)表示，齒輪泵的容積效率等于實際流量與理論流量的比值。即</p><p><b>　　η=×100%</b&

22、gt;</p><p>　　5. 齒輪泵的功率和效率 </p><p>　　齒輪泵一般由電動機或者其他的原動機驅動而轉動的，因此齒輪泵輸入的量是液壓油的流量、壓力，如果泵在將機械能轉化成液壓能的過程中能量沒有損失，那么它的理論功率應該等于泵的理論流量和輸出壓力的乘積。但在真實的工作條件下，泵在能量轉換的過程中會生一些損失的，主要有機械損失和容積損失。機械損失是指因為摩擦而產(chǎn)生的轉矩上的損失

23、。容積損失指的是由于內泄漏而造成的液壓泵流量上的損失。</p><p>　　1.2內嚙合齒輪泵的研究現(xiàn)狀</p><p>　　國內生產(chǎn)的內嚙合齒輪泵主要有：上海航空發(fā)動機制造廠研究生產(chǎn)的 NB 系列直線共軛式內嚙合齒輪泵，額定壓力的值低壓為 6.3MPa，中壓 12.5MPa，雙級泵能達到 25MPa，排量 10～250mL/r，額定轉速 1500r/min。它的內外轉子之間用月牙塊隔開，

24、沒有間隙補償。還有上海機床廠從美國 VICKERS 公司引進生產(chǎn)的 GPA 內嚙合齒輪泵，額定壓力為 10MPa，轉速范圍是 500～3000r/min，排量為 1.76～63mL/r。它的內轉子和外轉子之間用固定的月牙板分開，沒有間隙補償裝置。 </p><p>　　內嚙合齒輪泵主要部件的三維建模</p><p>　　2.1內計算機輔助設計的發(fā)展</p><p>

25、　　傳統(tǒng)的設計中，設計者要根據(jù)設計任務和要求，參考以前的設計資料和經(jīng)驗，一般會經(jīng)過設計構思方案、建立模型、計算、分析、繪圖在進行反復修改等過程，然后設計出適合要求的方案，畫出相關的圖樣和編制文件。在這個過程中，有很多的分析、判斷，有復雜的計算及仔細的畫圖，有創(chuàng)造性的思維活動等，工作量非常大而且會產(chǎn)生許多繁瑣的重復性的勞動，降低了設計效率。</p><p>　　計算機輔助設計（CAD）這項技術隨著 20 世紀 70

26、 年代以來計算機科學的大力發(fā)展而使 CAD 在工程設計中得到了越來越廣泛的運用。計算機輔助設計通過利用計算機的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)來幫助設計者對工程或產(chǎn)品進行設計、改正最后再顯示輸出的一種設計手段。它是一門綜合了多個學科的實用性技術。在這個過程中，人們能夠進行具有創(chuàng)造性的思維活動，完成構思設計方案、擬定工作原理等，并將設計的方法和思想經(jīng)過分析、綜合后轉換成計算機可以運行的數(shù)學模型或是解釋這些模型的程序。在計算機運行這些程序的過程中，人們可

27、以對運行的結果進行評價，控制設計的過程；計算機可以充分發(fā)揮它的存儲信息以及運算分析的強大功能來實現(xiàn)信息的計算、管理、繪圖、數(shù)據(jù)查找、模擬優(yōu)化和數(shù)值分析的作用。</p><p>　　采用計算機輔助設計的技術對于產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)方面有如下幾個優(yōu)點：提高設計人員的工作效率；大大縮短新產(chǎn)品的研發(fā)和制造周期，有利于對產(chǎn)品進行技術的改進和產(chǎn)品的更新?lián)Q代；降低生產(chǎn)的成本；提高相關產(chǎn)品的質量；提高公司產(chǎn)品在市場上的競爭力和改善企

28、業(yè)的整體技術水平。CAD 有著廣泛的使用價值以及應用前景最主要的原因是它能夠減少設計人員的工作強度，大大改善設計者的工作環(huán)境，提高設計的速度。</p><p>　　國際 CAD 設計范圍從 20 世紀 90 年代開始就逐漸向三維技術發(fā)展，近年來的 CAD 的開發(fā)方向是基于特征的三維參數(shù)化設計軟件。三維設計軟件的出現(xiàn)和發(fā)展使得產(chǎn)品的設計和開發(fā)工作發(fā)生了巨大的進步。</p><p>　　2.2

29、 Pro/E建模技術</p><p>　　Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，它是現(xiàn)今主學術界的主流CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是

30、在國內產(chǎn)品設計領域占據(jù)重要位置。Pro/E第一個提出了參數(shù)化設計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠將設計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設計。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用到單機上。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選

31、擇使用。 Pro/Engineer是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數(shù)化功能定義、實體零件及組裝造型，三維上色，實體或線框造型，完整工程圖的產(chǎn)生及不同視圖</p><p>　　Pro/Engineer是一個功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設計專用功能來實現(xiàn)，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽殼（Shells）等，采用這種手段來建立形體，對于

32、工程師來說是更自然，更直觀，無需采用復雜的幾何設計方式。這系統(tǒng)的參數(shù)比功能是采用符號式的賦予形體尺寸，不象其他系統(tǒng)是直接指定一些固定數(shù)值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關系，任何一個參數(shù)改變，其他相關的特征也會自動修正。這種功能使得修改更為方便和可令設計優(yōu)化更趨完美。造型不單可以在屏幕上顯示，還可傳送到繪圖機上或一些支持Postscript格式的彩色打印機。Pro/Engineer還可輸出三維和二維圖形給予其他應用軟

33、件，諸如有限元分析及后置處理等，這都是通過標準數(shù)據(jù)交換格式來實現(xiàn)，用戶更可配上 Pro/Engineer軟件的其它模塊或自行利用 C語言編程，以增強軟件的功能。它在單用戶環(huán)境下（沒有任何附加模塊）具有大部分的設計能力，組裝能力（運動分析、人機工程分析）和工程制圖能力（不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS標準），并且支持符合工業(yè)標準的繪圖儀（H</p><p>　　1．特征驅動（例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼

34、等）。</p><p>　　2．參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）。</p><p>　　3．通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關系來進行設計。</p><p>　　4．支持大型、復雜組合件的設計（規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM的各種能用零件設計的程序化方法等）。</p><

35、p>　　5．貫穿所有應用的完全相關性（任何一個地方的變動都將引起與之有關的每個地方變動）。其它輔助模塊將進一步提高擴展 Pro/ENGINEER的基本功能。</p><p>　　2.3主要部件的三維建模過程</p><p>　　在內嚙合齒輪泵的設計中，利用 Pro/E 軟件建立內嚙合齒輪泵的各零部件的實體模型，并虛擬裝配成整機。其中殼體，齒輪軸，齒輪環(huán)，配油盤，支撐盤等是內嚙合齒輪泵

36、的關鍵零部件，它們的強度和剛度是影響齒輪泵性能的重要因素。主要結構件和裝配體的三維模型如下所示：</p><p><b>　　1.小齒輪</b></p><p>　　圖2-1 小齒輪</p><p>　　齒輪軸即小齒輪是內嚙合齒輪泵中非常重要的關鍵零部件，齒輪軸設計的好壞對于內嚙合齒輪泵的工作壓力、穩(wěn)定性、噪聲以及整體的工作性能都有非常大的

37、影響。上圖是小齒輪的三維圖，首先利用旋轉特征的內部草繪功能建立一個矩形的齒輪胚體的截面，然后繞坐標軸旋轉成為最大半徑為齒頂圓半徑的齒輪胚體；第二步是在胚體上建立齒根圓，基圓，分度圓，再利用曲線功能畫出漸開線，最后形成齒槽截面，然后利用裁剪功能把齒槽裁減掉形成齒槽，此后，再利用陣列功能最終在齒輪胚體上形成13個齒；第三步是利用拉伸特征建立軸部分。然后再利用拉伸裁剪畫出鍵槽部分。最后一步就是在需要倒圓角的部分進行倒圓角。</p>

38、<p><b>　　泵體</b></p><p><b>　　圖2-2 泵體</b></p><p>　　泵體是內嚙合齒輪泵的一個主要零部件，通過它將齒輪軸、齒圈、密封裝置和端蓋等將這些零件組合成一個整體，使這些零件相互間有一個正確的位置關系，從而使齒輪泵能夠有較好的工作性能以及達到所要求的運動關系。建立泵體主要用到的Pro/E

39、功能是拉伸和拉伸裁剪功能。</p><p><b>　　齒輪環(huán)</b></p><p>　　圖2-3 圖2-4 </p><p>　　齒輪環(huán)的建模過程和齒輪軸最大的不同之處就在于，齒輪環(huán)的齒是內齒，而齒輪軸的齒是外齒。首先利用旋轉特征的內部草繪功能畫一個矩形封閉截面

40、，然后利用旋轉特征繞旋轉中心一周形成如圖2-3所示的齒輪環(huán)環(huán)形毛胚。然后在胚體上畫出基園，齒根圓，分度圓，此后依然和畫小齒輪一樣利用曲線功能輸入漸開線方程生成漸開線，這是完成齒輪環(huán)建模最關鍵的一步；第二步是利用鏡像功能生成漸開線的對稱線與齒頂圓和齒根圓形成封閉的齒槽截面，然后用剪裁功能得到齒槽，此后再利用陣列功能形成17個齒；第三步是在齒槽底部打兩個小孔，然后再次利用陣列生成與17個齒槽相對應的17對小孔；最后一步就是在需要倒圓角的位置

41、進行倒圓角，最終得到如圖2-4所示的齒輪環(huán)。</p><p><b>　　支撐盤</b></p><p>　　如下圖2-5所示，是內嚙合齒輪泵的支撐盤，它的主要作用就是和泵體配合形成齒輪運動的主要空間，并且和泵體共同起到支撐齒輪的作用。支撐盤的結構相對簡單一些，相應的其建模過程用到的功能也比較單一，其中拉伸功能運用的較多。首先利用拉伸特征中的內部草繪畫出支撐盤的外部輪

42、廓，然后拉伸出除中間部分的實體結構；第二步是利用拉伸功能分層拉伸出中間部分的實體結構；最后利倒斜角和倒圓角功能繪制支撐盤上的斜角和圓角部分。</p><p><b>　　圖2-5 支撐盤</b></p><p><b>　　5.前泵蓋</b></p><p><b>　　圖2-6 前泵蓋</b>&l