（机械电子工程专业论文）4100qb机油泵特性的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 4 10 0 q b 机油泵特性的研究 摘要 外啮合齿轮泵具有结构简单、体积小、重量轻、自吸性能好、 对油液污染不敏感、工作可靠、寿命长、成本低和维修方便等众多优 点，故在各种液压机械中得到了广泛应用。本文通过对变位齿轮几何 尺寸计算、外啮合齿轮泵的流量特性、泄漏和间隙、径向力等方面的 分析，并基于4 1 0 0 q b 机油泵对上述特性进行仿真。 ( 1 ) 判断出4 1 0 0 q b 机油泵的齿轮传动为无侧隙传动，并修正了 齿顶高。 ( 2 ) 推导了外啮合齿轮泵的瞬时流量公式与采用变位齿轮的流量 不均匀系数公式，得出了流量不均匀系数与重叠系数、齿数、变位系 数的关系。 ( 3 ) 推导了端面泄漏量、径向泄漏量、最优端面间隙和最优径向 间隙公式，计算出4 1 0 0 q b 机油泵的最优端面间隙和和最优径向间隙， 对优化4 1 0 0 q b 机油泵优化间隙有实际意义。 ( 4 ) 分析了液体压力产生的径向力的变化规律；利用渐开线两点 间弧长的计算公式详细推导了齿轮啮合产生的径向力公式；分析了齿 轮泵啮合过程中径向力变化规律，提出了3 种降低径向力的方法。 本文的研究成果对优化4 1 0 0 0 q b 机油泵的上述特性具有重要的 理论指导作用。 浙江工业大学硕士学位论文4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 关键词：4 1 0 0 q b 机油泵，外啮合齿轮泵，变位齿轮，流量特性，泄 漏与间隙，径向力 浙江工业大学硕士学位论文4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 c h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c ho n t h e4 1 0 0 q bo i lp u m p a b s t r a c t o u t e r - e n g a g e dg e a rp u m ph a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l e s t r u c t u r e ，s m a l lv o l u m e ，a n dl i g h tw e i g h t ，g o o ds e l f - a b s o r p t i o n p e r f o r m a n c e ，i n s e n s i t i v et oo i lp o l l u t i o n ，r e l i a b l e ，l o n gs e r v i c el i f e ，l o w c o s t ，e a s yt om a i n t e n a n c ea n ds oo n t h e r e f o r e ，i ti sw i d e l yu s e di nt h e h y d r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s c a l c u l a t i o n o ft h e g e o m e t r i cs i z eo ft h e m o d i f i e dg e a r ，a n a l y s i so ft h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo u t e r e n g a g e d g e a rp u m p ，l e a k a g ea n dg a p ，r a d i a lf o r c ea r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e rt h e n ， t h es i m u l a t i o no f4 1 0 0 q bo i lp u m pw h i c hu s i n gt h o s ep a r a m e t e r sa r e i n v o l v e d m a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) c o n c l u d et h a tt h e g e a r t r a n s m i s s i o ni sn o n b a c k l a s h t r a n s m i s s i o na n dm o d i f i e dt h ea d d e n d u m ( 2 )w es t u d i e dt h ei n s t a n t a n e o u sf l o wr a t ef o r m u l ao ft h e o u t e r - e n g a g e dg e a rp u m pa n d u n e v e nf l o wc o e f f i c i e n tf o r m u l ao f m o d i f i e dg e a na n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h eu n e v e nf l o wc o e f f i c i e n t 1 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 a n do v e r l a p c o e f f i c i e n t ，g e a rn u m b e r s ，m o d i f i c a t i o n c o e f f i c i e n ta r e c a l c u l a t e d ( 3 ) t h ew o r ko fd e r i v a t i o ne n d - l e a k a g ec a l c u l a t i o nf o r m u l a ，r a d i a l l e a k a g ec a l c u l a t i o nf o r m u l a ，t h eo p t i m a le n d - g a pc a l c u l a t i o nf o r m u l aa n d o p t i m a lr a d i a lg a pc a l c u l a t i o nf o r m u l ah a sb e e nd o n ei nt h ep a p e r w e c a l c u l a t e dt h eo p t i m a le n d - g a pa n do p t i m a lr a d i a lg a po f4 1 0 0 q bo i l p u m p ，w h i c hh a ss i g n i f i c a n tp r a c t i c a la p p l i c a t i o nf o rt h eo p t i m i z a t i o no f 4 1 0 0 q bo i lp u m p ( 4 ) t h ec h a n g i n gr u l e so ft h er a d i a lf o r c ew h i c hg e n e r a t e db yt h e h y d r a u l i cp r e s s u r ea r ea n a l y z e d r a d i a lf o r c ew h i c hg e n e r a t e db yg e a r m e s h i n g i sc a l c u l a t e db yu s i n gt h ef o r m u l ao fc a l c u l a t i o na r cb e t w e e nt h e t w op o i n t si nt h ei n v o l u t e s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fr a d i a lf o r c ew h i c h g e n e r a t e di nt h ep r o c e s so fg e a rm e s h i n g ，w ep r e s e n t e dt h r e em e t h o d s w h i c hc o u l dr e d u c et h er a d i a lf o r c e o u rr e s e a r c h e so nt h ec h a r a c t e r i s t i c o p t i m i z a t i o no ft h e4 10 0 q bo i l p u m p h a v es i g n i f i c a n te f f e c ti nt h ef u r t h e rt h e o r e t i c a ls t u d i e s k e yw o r d s ：4 1 0 0 q bo i lp u m p ，o u t e r - e n g a g e dg e a rp u m p ，m o d i f i e dg e a r ， f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，l e a k a g ea n dg a p ，r a d i a lf o r c e i v 墼绁燮燮 螋塑塑塑堡塑塑壅 符号说明 q 一一理论流量； 力一一转速； g 一一一排量： q 一一实际流量： a q 一一泄漏流量3 q 一额定流量： 只一一输出功率； 号一一输入功率； 曰一一理论功率 万一一齿轮泵的转动角速度； 写一一理论转矩： 刁一一齿轮泵的总效率； 互一一实际输入转矩： 乙一一摩擦转矩为； 一一机械效率： 仉一一容积效率： m 一一模数： z 一一齿数； x 一一齿轮变位系数； 口一一标准中心距； a 实一一实际中心距 a p 一无侧隙时中心距： 浙江工业大学硕士学位论文 4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 a ”一一有侧隙时中心距： 一一齿顶圆上的齿厚； s 一一分度圆齿厚； 口一啮合角； 口一一压力角； q 一一齿顶圆压力角； 吃一一齿顶圆展角； 0 一一分度圆展角； 吃一一齿顶高系数； c 一一顶隙系数； h i 一一齿根高； 吃一一齿顶高； h 一一全齿高； 尺一一分度圆半径： r e 一一齿顶圆半径； r ，一一齿根圆半径； 尺节一一节圆半径； r 一一基圆半径； 弓一一基圆齿距( 基节) ； 缈一齿顶高变动系数； y 一一中心距变动系数( 分度圆分离系数) ： p 一一动力粘度； b 一一齿宽； 力m i d 一一最低转速； l m u 一一最高转速； i x 浙江工业大学硕士学位论文 4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 万一一角速度； 瓯一一瞬时流量； r c 一一啮合半径； 一一流量不均匀系数； ( 既) 一一一齿轮泵最大瞬时流量； ( 瓯) 曲一齿轮泵最小瞬时流量： q 一一齿轮泵的平均流量； 一一重迭系数； q ，一一齿轮端面泄漏量； q 一一内部泄漏量； 幺一一齿轮径向间隙泄漏量； s 一一单侧端面间隙； r 一一齿轮轴孔半径； q 一一齿面接触处的泄漏量； 屁一一高压腔包角； 孱一一过渡区包角； 6 一一齿顶与壳体的径向间隙： 一一间隙壁相对运动速度： s 一一最优端面间隙端面； 匕一一间隙泄漏功率损失； 一一端面间隙的粘性摩擦功率损耗； 6 搴一一最优径向间隙径向间隙； 弓，一一泄漏功率损失； 弓，一一径向间隙的粘性摩擦功率损耗 c 一一圆周液体压力产生的径向力； x 浙江工业大学硕士学位论文4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 驴一低压腔接触角； 卸一一高低压腔压差； 昂一一齿轮啮合产生的径向力； 吼、r 一一渐开线起点七。至任意点七的展角和半径； 口七一一任意点七的压力角。 x i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教 育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名芦弘 日期：卅年争月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密叼。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：加。7 年年月 日 日期：7 年母月 日 曼分 王其，小 - 争雪 t v 浙江工业大学硕士学位论文4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 第一章绪论 液压传动系统中使用的液压泵是一种能量转换传递装置，将原动机的机械能 转换成油液的压力能传给液压系统，属于液压系统中的动力装置。液压泵的发展 历史已有近一个世纪。目前液压泵按其主要运动构件的形状和运动方式分，有齿 轮泵、螺杆泵、叶片泵、轴向柱塞泵、径向柱塞泵等类型。从世界各国以及我国 的应用而言，齿轮泵、叶片泵、柱塞泵呈三足鼎立之势。齿轮泵由于结构简单、 成本低等优点，产量居绝对优势。 1 1 齿轮泵的分类 ( 1 ) 按齿轮啮合形式分：外啮合式、内啮合式 外啮合齿轮泵的优点是结构简单、尺寸小、重量轻、制造维护方便、价格低 廉、工作可靠、自吸能力强、对油液污染不敏感等。它的不足是齿轮承受不平衡 的径向液压力，轴承磨损严重，泄漏量大。 内啮合齿轮泵结构紧凑、尺寸小、重量轻。由于齿轮同向旋转，齿面相对滑 动速度小、磨损轻微、使用寿命长、流量脉动远比外啮合齿轮泵小，因而噪声比 较小。内啮合齿轮泵允许使用较高的转速，可获得较高的容积效率。 ( 2 ) 按齿形曲线分：主要有渐开线齿形、圆弧形、摆线形 在外啮合齿轮泵中，齿轮的齿形曲线一般都采用渐开线齿形，也有用圆弧齿 形的；在内啮合齿轮泵中，除了可采用渐开线齿形外，还可采用摆线齿形、圆弧 齿形。外啮合渐开线齿形结构简单、工艺性好、工作可靠，噪声相对叶片泵、 柱塞泵较大；内啮合渐开线齿形相对外啮合齿轮泵噪声低；内啮合直线共扼齿形、 内啮合摆线齿形工艺加工要求高、相对复杂、成本高乜1 。 ( 3 ) 按齿面形式分：直齿齿轮式、斜齿齿轮式、人字齿轮式、圆弧齿面的齿轮 式 其中斜齿、人字齿、圆弧齿与直齿相比，啮合性能好些，啮合无声、无撞击， 浙江工业大学硕士学位论文4 1 0 0 q b 机油泵特件的研究 寿命较长。由于斜角不能太大，故对流最脉动的改善不是很显著：如果斜角太大， 会使吸压油腔相通，所以应用不多。 ( 4 ) 按啮合齿轮的个数分：二齿轮式、多齿轮式 多齿轮组成并联的多个齿轮泵，能同时向多个执行元件供给压力油，多齿轮 也可组成串联的多个齿轮泵，使液体获得更高的压力。 ( 5 ) 按级数分：单级齿轮泵、多级齿轮泵 ( 6 ) 按压力分：低压齿轮泵工作压力为2 5 m p a 以下；中高压齿轮泵的工作压力 为1 6 2 0m p a ；某些高压齿轮泵的工作压力已达3 2m p a 口1 。 1 2 齿轮泵的研究现状 齿轮泵是一种常用的液压泵。它的主要优点是：结构简单、制造方便、造价 低；重量轻、外形尺寸小；自吸性能好；对油的污染不敏感；工作可靠。由于齿 轮泵是轴对称的旋转体，故允许转速较高；齿轮泵的缺点是流量脉动和困油现象 比较突出，噪声高，齿轮泵的排量不可变等。 国内外有关齿轮泵的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 齿轮参数的优化设计 由于齿轮泵中的齿轮是齿轮泵的心脏，是最关键的元件，其参数选择合理 与否，将直接影响着泵的性能、噪声和寿命。优化设计主要借助c a d ，c a d 指 使用计算机系统进行设计的全过程，包括资料检索、方案构思、零件造型、工程 分析、工程制图、文档编制等。在设计的各个阶段计算机都能发挥它的辅助作用， 因此c a d 概念一产生，就成为一门新兴的学科，引起了工程界的关注和支持，迅 速地得到发展并日益地完善起来n 卜口1 。东北大学的马交成通过u g 的二次开发来 优化齿轮参数阻1 ；天津大学的李兴坛通过应用计算机技术c a d c a e 和p r o e n g i n e e r 软件对齿廓的精确造型归1 ：安徽理工大学机械工程学院的阮学云等人以体积最小 为目标基于m a t l a b 对齿轮泵结构进行优化设计n 们：南京林业大学邱承勋以 v i s u a l b a s c i 6 0 为编程工具开发外啮合齿轮泵零部件参数化设计系统1 。借助这些 软件，可以缩短齿轮泵的设计周期，降低了齿轮泵的研制成本。 2 浙江工业大学硕士学位论文4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 ( 2 ) 困油的卸荷措施 齿轮泵的困油现象对齿轮泵乃至整个液压系统都产生了很大的危害。困油冲 击与齿轮啮合的重叠系数及卸荷是否完全等有很大关系( 包括卸荷槽的位置、形 状及面积等) 。李玉龙利用u g 软件对困油及卸荷面积进行了计算n 幻；上海交通大 学张建寿、陈国庆和临沂师范学院的高永强研究了困油冲击与重叠系数的关系， 发现只要合理选择重叠系数，就可以避免因困油作用而造成的压力冲击，因而大 大消减泵的振动和噪声n 羽；河北工程学院的牛兰芹等4 人，采取在泵壳底安装储 放器的结构改进措施，消除困油现象n 们；上海交通大学的周德军提出的双重卸荷 槽n 引、候刚的外啮合齿轮泵卸荷槽的设计方法n 引，为齿轮泵困油卸荷提供了理论 指导。 ( 3 ) 噪声的控制技术 现在人们对噪声的控制越来越重视，而齿轮泵的噪声大一直是令人困扰的问 题。齿轮泵噪声大的原因是多方面的，但主要是由困油现象、齿形设计精度以及 齿轮泵的自身特点等因素造成的n 7 1 。井冈山学院工学院的杨元模、吴霞、刘朝 晖详细分析了外啮合齿轮泵噪声现象的机理，对此有针对性地设计出了消除外啮 合齿轮泵噪声现象的特殊结构n 8 1 。 ( 4 ) 纯水齿轮泵的研究 随着水液压技术的不断发展，水液压技术己经成为液压领域的主要研究方向 之一。齿轮泵由于其自身特点，也将成为水液压动力元件的主要研究方向之一。 美国、英国、德国、丹麦、日本等发达国家早在上个世纪六七十年代开始研究水 液压产品，并取得了较大的进步n 们叫2 。哈尔滨工业大学李奎锋完成了纯水齿轮 泵的制造和试验，并且从紊流的角度对齿轮泵的间隙泄漏进行了分析蚴。昆明理 工大学王强对纯水齿轮泵进行了系统理论的分析和对齿轮泵进行了气蚀、性能试 验研究1 。昆明理工大学唐向阳博士首次将小通径二通插装阀用于纯水液压系统 中，对纯水液压试验系统进行了动、静态试验研究，重点研究了速度一一负载特 性2 钔。 ( 5 ) 高粘度齿轮泵的研究 我国目前生产的大部分齿轮泵，主要输送温度较低和常温下，粘度较低的物 料，如各种低粘度的化学原料。随着塑料橡胶工业的发展，特别需要一种能在高 温状态下输送高粘度熔体物料的容积泵。国外在这方面研究起步较早，而我国到 3 浙江工业大学硕士学位论文4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 目前为止还主要依靠进口。 郑州机械研究所的张旭东为了改变这种现状，采用理论推导与试验研究相结 合的方法，对t g c 型高粘度齿轮泵的性能进行了全面深入的研究，进行高粘度齿 轮泵的性能试验嘶1 。兰州理工大学樊亚军硕士通过c w ( r 2 ) - - 2 5 2 5 高粘度齿轮 泵的国产化，解决了进口备件国产化和同类进口设备的替代问题，解决了高粘度 熔融树脂输送、增压的难题，填补我国一项技术空白，为企业节约了大量外汇， 促进了民族工业的发展汹1 。郑州机械研究所的李秀明硕士通过高粘度齿轮泵特性 分析，对齿轮参数进行优化，使齿轮泵的流量提高了7 2 - 1 6 8 ，大大减小了流 量脉动1 。 ( 6 ) 内啮合齿轮泵的研究 内啮合齿轮泵具有结构紧凑、尺寸小、重量轻、压力脉动和噪声小等优点， 相对外啮合齿轮泵能上高压，主要应用于对技术要求较高的各类液压机械上。 济南大学的高绍站从内啮合齿轮泵的几何结构和工作原理出发，研究内啮 合齿轮泵的强度和刚度，为设计高压内啮合齿轮泵打下理论基础嘲1 ；王爱平从工 程实际需要出发，通过合理选择内啮合齿轮泵的几何参数，同时采用轴向和径向 间隙补偿，设计的内啮合齿轮泵填补了国内中高压内啮合齿轮泵的空白协1 。张方 晓从内啮合齿轮泵的工作原理出发，研究内啮合齿轮泵的流量特性，为降低其流 量脉动和噪声打下理论基础啪3 。 另外兰州理工大学叶清基于i p h 型内啮合齿轮，对齿轮参数与其相关特性进 行分析口。湖北工业大学刘绍海以直线共轭内啮合齿轮泵为研究对象，对其齿廓 成形理论、啮合特性、流量特性、承载能力、泄荷槽设计以及插齿刀具的设计进 行了较深入的分析和研究口羽。 ( 7 ) 复合齿轮泵的研究 复合齿轮泵是在普通外啮合齿轮泵基础上发展起来的一种新型液压动力元 件。它具有排量大、流量均匀性好、传动平稳、噪声低、体积小以及中心轮径向 力平衡等优点。 淮南工业学院余宏经严格的数学推理，证明了复合齿轮上的液压力是平衡 的，其流量脉动较般齿轮泵要小得多；选择了优化算法，并编制了通用的计算 程序，得出了优化设计的结果1 。 安徽理工大学刘贵根对复合齿轮泵的结构原理、两种复合齿轮泵的初始位 4 浙江工业大学硕士学位论文4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 移、啮合点位移和交变规律、流量特性等作了较为深入理论研究t 对复合齿轮泵 的流量特性进行了仿真分析，仿真结果与理论分析相一致阱1 。 安徽理工大学朱兵根据齿轮啮合理论推导出齿轮工作齿廓及过渡曲线的数 学方程，利用三维软件实现复合齿轮泵用渐开线齿轮进行完全自动三维参数化建 模蚓。 1 3 齿轮泵的发展趋势 液压传动系统正向着快响应、小体积、低噪声的方向发展。为了适应这种 要求，齿轮泵除积极采取措施保持其在中低压定量系统、润滑系统等的霸主地位 外，尚需向以下几个方向发展。删： 1 、高压化 高压化是系统所要求的，也是齿轮泵与柱塞泵、叶片泵竞争所必须解决的问 题。齿轮泵的高压化工作己取得较大进展，但因受其本身结构的限制，要想进一 步提高工作压力是很困难的，必须研制出新结构的齿轮泵。 2 、低流量脉动 流量脉动将引起压力脉动，从而导致系统产生振动和噪声，这是与现代液压 系统的要求不符的。 3 、低噪声 国外早就有“安静 的液压泵之说。随着人们环保意识的增强，对齿轮泵的 噪声要求也越来越严格。四川长江液压件有限责任公司技术部的彭浏新具体分析 t z c b g 3 3 5 0 齿轮泵高噪声产生的原因，通过改进卸荷槽形状，增大通流面积，降 低液压冲击，达到了降低噪声的目的。在这方面，内啮合齿轮泵因具有运转平稳、 无困油现象、噪声低等特点，因此今后将会有较大发展。 4 、大排量 对于一些要求快速运动的系统来说，大排量是必需的。但普通齿轮泵排量的 提高受到很多因素的限制。这方面，平衡式复合齿轮泵具有显著优势，如1 台三 惰轮复合齿轮泵的排量相当于6 台单泵的排量。 5 、变排量 5 浙江工业大学硕士学位论文4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 齿轮泵的排量不可调节，限制了其使用范围。为了改变齿轮泵的排量，国内 外学者进行了大量的研究工作，并取得了很多研究成果。有关齿轮泵变排量方面 的专利已有很多，但真正能转化为产品的很少。 1 4 本文相关内容的研究现状 1 、流量特性 柳舟通等人从外啮合齿轮泵的工作原理出发，分析其排量计算，认为现有各 种资料中以齿槽体积之和来计算齿轮泵排量不妥，应以轮齿体积之和计算其排量 h l 】 o 张军等人的研究表明：四对错位安装的多齿轮泵的流量脉动只有普通外啮合 齿轮泵流量脉动的1 1 6 ，流量脉动频率比普通外啮合齿轮泵快4 倍，该泵的流量 特性也明显优于普通内啮合齿轮泵h 幻。 王惜慧等人在分析影响齿轮泵流量物理因素基础上，建立齿轮泵流量特性神 经网络模型，研究了物理参数的选取对模型精度的影响h 羽。 尚春民等人对外啮合分片错齿齿轮泵和斜齿齿轮泵的结构特性进行了对比 分析，并探讨了两种齿轮泵对流量脉动度的影响，结果表明外啮合分片错齿齿轮 泵在减小脉动度方面优于斜齿齿轮泵阳1 。 2 、间隙泄漏和最优间隙 张伟杰等人利用优化设计原理计算出齿轮泵轴向间隙的最合理值n 5 1 。 周雄等人分析泵齿顶处的泄漏以及粘性力，着眼于功率损失和间隙的关系， 推导出最佳齿顶与泵体间的间隙m 1 。 陈英等人从节能的角度出发，建立齿轮泵间隙优化模型，建立内泄漏的理论 模型；采用有限元方法( f e m ) 对齿轮泵的泵体及齿轮轴进行了静力分析，从而分 析了泵体径向变形对径向泄漏的影响h 力叫删。 3 、径向力 李宏伟根据内啮合齿轮泵的工作原理，通过计算机绘图，推导出作用在内啮 合齿轮泵齿轮轴上最大径向力和轮齿最大弯矩的计算公式呻3 。 由齿轮啮合产生的径向力的计算离不开作用在齿轮上的液压扭矩计算，李玉 6 浙江工业大学硕士学位论文4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 龙等人结合外啮合齿轮泵的工作原理，对包含效率的动态扭矩计算进行较深入的 研究5 。 郑齐辉在研究影响齿轮泵寿命的因素时，分析了径向力不平衡的问题隋别。 1 5 研究项目来源、目的和主要内容 本文的研究基于杭州千岛湖陆行泵业有限公司生产的全国著名品牌“苍山 牌4 1 0 0 q b 机油泵。该泵为外啮合齿轮泵，同时该泵为科研开发项目c b w e 系 列液压油泵总成研究内容之一，此项目为德胜机械制造有限公司、莱恩( 中国) 动力科技有限公司、上海内燃机厂与我校共同合作开发，预计研发投入资金1 6 0 万，本人为技术负责人。 外啮合齿轮泵主要存在以下3 个缺点： 1 、流量脉动较大。齿轮泵流量脉动大，不仅会使机械运动的平稳性、均匀性差， 而且会导致液压系统压力脉动，进而引起液压冲击、振动和噪音：严重时，还会 对机器零件强度及系统密封组件造成破坏性影响。 2 、泄漏量大。液体的泄漏、压缩等原因而损失的能量称为容积损失，齿轮泵的 压力越高，由间隙泄漏的工作介质就越多，因此，一般齿轮泵只用于低压。这是 齿轮泵容积效率低的原因之一。 3 、径向力过大。过大的径向力会导致齿轮轴刚度不足，刚度不足会导致沿齿宽 接触不良而产生偏载，恶化了齿轮的啮合，影响啮合的精度，降低寿命。 本文针对以上外啮合齿轮泵的缺点，对该型号机油泵齿轮副进行分析，对流 量特性、间隙泄漏量、径向力等方面进行研究，希望能对该机油泵在流量脉动、 间隙泄漏和径向力等方面优化做出一定的贡献，故本文主要将开展以下几个方面 的工作： ( 1 ) 对外啮合齿轮泵的工作原理进行说明；计算4 1 0 0 q b 机油泵齿轮副的几何尺 寸和配合尺寸，为下一步的研究作好数据上的准备。 ( 2 ) 推导外啮合齿轮泵的瞬时流量公式；推导采用变位齿轮的齿轮泵的流量不 均匀系数公式，并仿真4 1 0 0 q b 机油泵流量不均匀系数与变位齿轮尺寸参数的关 系，通过仿真寻找减小流量不均匀系数的方法，以达到减少流量脉动的目的。 7 浙江工业大学硕士学位论文 4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 ( 3 ) 推导端面泄漏量和径向泄漏量计算公式，并仿真4 1 0 0 q b 机油泵端面泄漏 量和径向泄漏量与变位齿轮尺寸参数的关系，通过仿真寻找减小泄漏量的方法， 以减少泄漏量；计算该机油泵的最优端面间隙和最优径向间隙。 ( 4 ) 推导齿轮泵的径向力计算公式，仿真4 1 0 0 q b 机油泵的径向力变化规律， 通过仿真寻找减小径向力的方法，以减少径向力；计算该机油泵的最大和最小径 向力。 1 6 小结 容。 本章介绍了齿轮泵的分类、研究现状及发展趋势，确定了本文的主要研究内 8 淅江i 业丈 顿学位论文 4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 第二章齿轮泵工作原理及4 1 0 0 q b 机油泵齿轮基本尺寸 2 1 外啮合齿轮泵的工作原理及基本性能参数 211 外啮合齿轮泵韵工作原理 如图2 1 所示，一对齿轮互相啮合，由于齿轮的齿顶和壳体内孔表面间隙很 小，齿轮端面和泵盖间隙很小，因而把吸油腔和压油腔隔开。当齿轮按图示方向 图21 外啮合齿轮泵工作原理 2 i 2 齿轮泵的基本性能参数 旋转时，以下两个方面的动作同时 产生：啮合点右侧啮合着的齿逐 渐退出啮合，同时齿阃的油液由吸 油腔带往压油腔，使得吸油腔空间 增大，形成局部真空，油箱中的油 油液在外界大气压作用下进入吸油 腔； 齿间油液由吸油腔带入高压 腔的同时，啮合点左侧的齿逐渐进 入啮合，把齿问的油液挤压出来， 从压油腔强迫流出。这就是齿轮泵 的吸油和压油过程。当齿轮不断地 旋转时，齿轮泵就不断的吸油压油。 主要是指齿轮泵的压力、排量和流量、功率和效率等1 。 ( 1 ) 压力 齿轮泵的压力参数主要是工作压力和额定压力。齿轮泵的工作压力是指它在 实际工作时输出油液的压力值，也称为系统压力。此压力取决于系统中阻止液体 流动的阻力。阻力增大，则工作压力升高：反之则工作压力降低。 齿轮泵的额定压力是指在保证泵的容积效率、使用寿命和额定转速的前提 下，泵连续运转时允许使用的压力限定值。也就是在正常工作的条件下，按试验 浙江工业大学硕士学位论文4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 标准规定能连续运转的最高压力。当泵的工作压力超过额定压力时，泵就会过载。 ( 2 ) 流量和排量 由齿轮泵的密封容腔几何尺寸变化计算而得到的泵每转排出液体的体积，称 为泵的排量q 。在工程上，它可以用在无泄漏的情况下，泵轴每转所排出的液体 体积来表示。由泵的密封容腔几何尺寸变化而得到的泵在单位时间内排出液体的 体积，称为泵的理论流量q ，。它等于排量q 和转速甩的乘积， 即 q ，n q 6 0 ( 2 - 1 ) 式中 q 一一理论流量； 万一一转速； q 一排量。 泵在工作时的输出流量称为泵的实际流量q ，这时的流量必须考虑到泵的泄 漏流量a q 。 泵在额定转速和额定压力下输出的流量称为泵的额定流量q ，由于泵存在 泄漏，所以泵的实际流量q 和额定流量q 都小于理论流量q f 。 ( 3 ) 功率 齿轮泵的输入能量为机械能，其表现为转矩r 和转速玎；齿轮泵的输出能量 为液压能，表现为压力p 和流量q ，。当忽略能量转换及输送过程中的损失时， 齿轮泵的输出功率应该等于输入功率号，即泵的理论功率为： 号= p q f = 珂巧 ( 2 - - 2 ) 式中万一一齿轮泵的转动角速度； 互一一齿轮泵的理论转矩。 ( 4 ) 效率 实际上，齿轮泵在工作中是有能量损失的，因此其输出功率弓小于输入功率 曰，二者的关系是： 1 0 浙江工业大学硕上学位论文 4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 ；墨 ，7 式中 刁一一齿轮泵的总效率。 齿轮泵由于存在泄漏，因此它的实际输出流量q 为： q = 1 2 i a q 式中 a q 一一齿轮泵的泄漏量。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) q 和q 都与齿轮泵的工作压力p 有关的，a q 随p 的增高而加大，从而导 致q 随p 的增高而减小。因液体的泄漏、压缩等原因而损失的能量称为容积损失， 容积效率仉是齿轮泵实际输出功率与理论功率之比，即： 仉t 号= 署= 署 c 2 叫 齿轮泵由于存在摩擦( 相对运动零件之间的机械摩擦和液体的粘性摩擦) ，因 此它的实际输入转矩互，必然大于理论转矩巧。若摩擦转矩为乙，则乙一乃一王。 理论转矩巧与实际输入转矩巧的比值称为机械效率，以表示， 专 ( 2 - 6 ) 厌ii 出浦乐囊的熊神_ 宓可写j j ! ： 刀i 号| 面p q 。置嚣 c 2 卅 齿轮泵的总效率、容积效率和机械效率可以通过实验测得。 2 24 1o o q b 机油泵齿轮副几何尺寸计算 当齿数少于1 7 时，为避免齿轮的根切现象，通常采用正变位齿轮。4 1 0 0 q b 机油泵的齿数为9 ，采用的是正变位齿轮。其基本参数为：x = o 4 5 r a m ，气一2 ：一9 ， 浙江工业大学硕士学位论文 4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 ，打= 4 5 m m ，a 一2 0 。 根据图纸可以得到实际中心距口实= 4 3 8 r a m 如果保证两齿轮的齿全高为标准值又保证标准顶隙，会出现侧隙，两轮的中 心距为： 将 a ”= 墨+ r + ( x l + x 2 ) m 墨= 恐= 等- t 4 5 x 9 2 0 2 5 r a m x l 昌x 2 = 0 4 5 ( 2 8 ) m = 4 5 咖 代入式( 2 - - 8 ) 得a ”= 4 4 5 5m m ，与实际中心距不符合，所以可以推定4 1 0 0 q b 机油泵为无侧隙传动。 ( 1 ) 计算中心距变动系数y 口一口 ) ，。 ，行 将口- 4 3 8 m m ，口一r e ( 丁z , + z 2 ) 一兰! 1 9 呈兰2 y = 0 7 3 3 3 ( 2 ) 计算齿顶高变动系数缈 一4 0 5 m m ，m = 4 5 m m 代入上式得： a y 一“+ 屯) 一y = 0 4 5 + 0 4 5 - 0 7 3 3 3 = 0 1 6 6 7 ( 3 ) 计算齿全高h h 一( 地+ c 一缈) ，雄= ( 2 + 0 2 5 0 1 6 6 7 ) x 4 5 = 9 3 7 4 9m m 与实际图纸尺寸h 一9 3 5 咖相符。 ( 4 ) 计算齿顶高吃 h o = ( 吃+ 工一岁) 朋- - - 0 + 0 4 5 0 1 6 6 7 ) x 4 5 5 7 7 4 8 r n m 与实际图纸尺寸吃= 5 7 5h i m 相符。 ( 5 ) 分度圆齿厚s s 一- - 要m + 2 x m t a n a ：兰4 5 + 2 x 0 4 5 4 5 t a n - - 石：8 5 4 2 7 舢 ( 6 ) 分度圆半径r r = 了m z t 4 5 x 9 = 2 0 2 5 n 姗( 与图纸相符) 浙江工业大学硕士学位论文4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 ( 7 ) 齿根圆半径r ir ，e 尺一| l ，一r q 一吃) 一2 0 2 5 一( 9 3 5 - 5 7 5 ) = 1 6 6 5 咖 ( 8 ) 齿顶圆半径r er e r + h o ；2 0 2 5 + 5 7 7 4 8 ，2 6 0 2 4 8 m m ( 实际2 6 r a m ) ( 9 ) 基圆半径r r = 尺c o s a ；2 0 2 5 c o s 舌2 1 9 0 2 8 8 m m ( 1 0 ) 基圆齿距( 节距) 只 忍册l c o s 口一石4 5 c 0 s 吾= 1 3 2 8 4 6 m m ( 1 1 ) 分度圆展角口 p = t a n a a = t 锄吾一吾= o 0 1 4 9 ( 1 2 ) 齿顶圆压力角吒 c o s 吒一惫一百1 9 0 2 8 8 ；o 7 3 1 9 得到：口；0 7 4 9 7 = 4 2 9 7 6 4 * ( 1 3 ) 齿顶圆展角见见一t a n a e 一吒 ( 1 4 ) 齿顶圆上的齿厚 一t a n0 7 4 9 7 0 7 4 9 7 = 0 1 8 1 3 = 1 0 3 9 3 。 s e s 娶一2 r e ( 阮一口) r 、7 ：8 5 4 2 7 2 _ = 6 石一2 2 6 ( 0 1 8 1 3 0 0 1 4 9 ) 2 0 2 5 = 2 3 1 5 6 m m ( 与实际相符) ) 啮合肘小酬a 一( 驾笋) = o 5 - 徭2 9 6 8 2 8 * 4 1 0 0 q b 机油泵齿轮副几何尺寸和性能参数( 若计算数据与实际数据有出入， 以时实际参数为准) 综合如表2 1 ，( 主动齿轮和从动齿轮参数相同，长度单位 为m m ) 表2 14 1 0 0 q b 机油泵齿轮副几何参数和性能参数 齿数z 9 基圆半径r 1 9 0 2 8 8 模数m 4 5 齿根圆半径尺， 1 6 6 5 变位系数x 0 4 5 分度圆半径尺 2 0 2 5 中心距变动系数y 0 7 3 3 3 齿顶圆半径r e 2 6 齿项高变动系数每 o 1 6 6 7 节圆半径k 2 1 9 1 3 浙江工业大学硕士学位论文4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 齿顶高系数吃 l 顶隙系数c o 2 5 压力角a 2 0 。 齿顶圆压力角口。 4 2 9 7 6 4 。 啮合角a 2 9 6 8 2 8 。齿顶圆展角见 0 1 8 1 3 ( r a d ) 分度圆齿厚s 8 5 4 2 7 分度圆展角口 0 0 1 4 9 ( t a d ) 齿顶圆齿厚& 2 3 1 5 6 齿顶高吃 5 7 5 齿全高h 9 3 5 基圆齿距只 1 3 2 8 4 6 齿根高 ， 3 6 齿宽b 2 6 实际中心距4 宴 4 3 8 最高转速n 一 1 5 0 0 r r a i n 最高压力 0 3 9 2 m p a 最低转速咒面。 3 0 0 r r a i n 动力粘度j i l1 9 x 1 0 曲n s m m 2 2 3 小结 本章介绍了外啮合齿轮泵的工作原理，对其基本性能参数的概念进行了阐 述；根据4 1 0 0 q b 机油泵的实际中心距推断出该机油泵齿轮传动为无侧隙传动； 根据4 1 0 0 q b 机油泵的基本参数计算了该机油泵齿轮副的几何尺寸，为下一步研 究作好准备。 1 4 浙江i 业大学碰学位论文4 1 0 0 0 b 帆油泵特性的研究 第三章外啮合齿轮泵的流量特性分析 齿轮泵的流量特性代表齿轮泵的工作性能，其理论流量与齿轮结构相关，与 齿轮泵转速成正比。而实际工作中由于受到泄漏损失、充填损失以及气穴的影响， 实际流量与理论流量偏差大。 外啮合齿轮泵具有结构简单、体积小、重量轻、自吸性能好、对油液污染不 敏感、工作可靠、寿命长、成本低和维修方便等众多优点，故在各种液压机械中 得到了广泛应用。尤其是工作条件恶劣的起重运输与工程机械，对这种抗油污性 能强的油泵特别青睐。但是，由于轮齿啮合的啮合点位置改变而引起的齿轮泵流 量周期变化，形成脉动，故使其应用范围至今仍受到很大限制。因为齿轮泵流量 脉动大，不仅会使机械运动的平稳性、均匀性差，而且会导致液压系统压力脉动， 进而引起液压冲击、振动和噪音；严重时，还会对机器零件强度及系统密封组件 造成破坏性影响。因此，分析齿轮泵的流量品质，寻找降低流量不均匀性的方法， 作为选取或修正设计参数的依据是十分必要的”3 。 3 1 外啮合齿轮泵的瞬时流量 31 1 瞬时流量公式推导 图3l 为按4 1 0 0 q b 机油泵齿轮副的尺寸所做的啮合图。 图314 1 0 0 q b 机油泵啮合图 浙江工业大学硕士学位论文 4 1 0 0 0 b 机油泵特性的研究 根据齿轮啮合基本定律，两啮合齿轮节圆上对应点的速度相等，即： 珂l r 节l 一1 2 7 2 2 ( 3 1 ) 式中 巧。、珂2 一齿轮1 、2 的角速度； r 节。、咏：一齿轮1 、2 的节圆半径。 设在d t 时间内，主动齿轮l 转d 仍，从动齿轮2 转过d 仍， 则 d 何f f iw l d t d 仍i 珂2 出 将以上两式代入式( 3 1 ) 得： 惫d 吼( 3 - - 2 ) 如图3 2 ，对于任意曲线a b c 绕点o 转过0 角所扫过的不规则面积等于该曲线 端点a 、c 所对应半径o a 、o c 转过同样0 角两扇形面积之差， 图3 2 任恿曲线扫过的面积 钆。口1 4 = 4 拙+ 4 捌。4 1 4 4 拙昌么以c 1 6 i 口l 4 缸，6 1 4 l 口= 缸1 4 1 口 所以齿轮1 包围压油腔的齿面所扫过的容积d k 等于其齿廓曲线所扫过的面 积( 这个面积就等于r e 。和rc l 转过角度d 仍所扫过的扇形面积之差) 乘以齿宽b ， 即： 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 4 1 0 0 q b 机油泵特性的研究 即b 学r c , 2 2 d t p l ，) ，b ( r e , 2 - r 和吼 ( 3 - 3 ) 同理，齿轮2 包围压油腔的齿面所扫过的容积为： d v 2 , - b ( 学一半) z - 詈( r e 2 2 - r c 2 z v 仍( 3 - - 4 ) 将( 3 - - 2 ) 式代入( 3 - - 4 ) 得： 叱= b z ( r c 2 2 - r c 2 2 ) 脚r 节2 d 劬( 3 - - 5 ) 式( 3 - - 3 ) 、( 3 - - 4 ) 、( 3 - - 5 ) 中 r e ，、r e ：一一齿轮1 、2 的齿顶圆半径； r q 、r c 2 一一齿轮1 、2 的啮合半径。 根据齿轮泵工作原理，在d t 时间内，齿轮泵从压油腔排出液体的体积为： d y 一彤+ d b ( r e , - r q 2 ) + i r e 2 2 - r c 2 2 ) 如r 节2 i d 侃( 3 - - 6 ) 将式( 3 - - 6 ) 两边同时除以时间d t ，即可求得齿轮泵从压油腔压出油液 的瞬时流量为： 级一警一罢 ( r e l 2 - r c , 2 忡e 2 2 - - r c 2 2 ，象鲁 - 等孵- r c l 2 ) + ( r e 2 2 - r c 2 2 ) 如g 瓠： ( 3 _ 7 ) 假定齿轮i 、l i 的齿顶高分别为吃。、吃：，那么可得： r e 。2 一( r + 吃。) 2 一r 2 + 2 r 九1 + 吃。2 ( 3 - - 8 ) r e 2 2 - ( 心+ 吃2 ) 2 - 恐2 + 2 r 吃2 + 吃2 2 ( 3 - - 9 ) 式中r 、心一一两齿轮的分度圆半径 另据齿轮泵两啮合齿轮啮合点与齿轮中心的几何关系，如图3 3 所示，为 啮合点c 至节点p 的距离