三惰轮行星齿轮泵设计

安徽理工大学毕业设计绪论1.1齿轮泵的研究现状及发展趋势对于液压传动与控制系统来说，液压泵是将液压系统的机械能转变为液体压力能的元件，是整个液压传动与控制系统的核心。可以根据液压泵的结构形式和特点等，将液压泵分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等几大类[1]。齿轮泵因为具有零件数量少、结构简单、重量轻、运行平稳、容易生产和修理、成本较低、对油液污染不敏感等长处，被大量地应用于采矿、冶金、航空、建筑、海洋航行、农林机械等具有中低压力的液压传动系统中，并且也大量应用于食品、化工等工业流程的输液和润滑。但是，齿轮泵也存在一些制约其使用的缺点，比如：排量不可调节，流量均匀性较差，噪声较大等[2]。针对齿轮泵的一些优缺点，为了使齿轮泵具备更好的使用性能，各国对齿轮泵的研究重点主要集中在以下10个方向：（1）降低齿轮泵噪声的方法[3]；（2）齿轮泵的信息化智能控制[4]；（3）齿轮参数优化方法与制造技术研究[5][6]；（4）齿轮泵的流量特性的研究[7][8]；（5）齿轮泵泄漏分析和研究[9][10]；（6）齿轮泵齿面涂层技术及其特性[11]；（7）实现齿轮泵高压化的措施[12]；（8）齿轮泵实现大排量的方法[13]；（9）齿轮泵的寿命和失效原因[14]；（10）纯水液压泵的研究[15]。随着科学技术的不断进步，齿轮泵的用途也越来越广泛，但是，与此同时对齿轮泵的性能的要求也愈来愈高。齿轮泵正在向着高工作压力、高排量、低噪声、低流量脉动的目标改进。1.2几种新型齿轮泵鉴于普通齿轮泵的诸多不足，近年来，国内出现了一些新型齿轮泵，主要有卫星齿轮泵、平衡式复合齿轮泵以及无啮合力齿轮泵等[16-20]。（1）卫星齿轮泵卫星齿轮泵是一种复合齿轮泵，它的开发目的是改善一般齿轮泵流量脉动高的缺点。其构造原理如图1-1所示。在卫星齿轮泵运行的过程中，电动机通过主动轮输入驱动力，3个卫星轮随着主动轮旋转，相当于3个外啮合齿轮泵组合在一起。流量是单纯的外啮合齿轮泵的3倍。实验发现：当卫星齿轮泵的太阳轮齿数Z1=Ni+1时（i为自然数，N为卫星轮数量），卫星轮上产生的流量脉动明显降低；由于卫星轮沿着主动轮均匀分布，所以主动轮承载的齿轮啮合力和径向液压力平衡；卫星齿轮泵形成N对外啮合齿轮泵，这就有效避免了传统齿轮泵中只有一对齿轮啮合造成的不可避免的振荡，减小了噪声。图1-1卫星齿轮泵结构图（2）平衡式复合齿轮泵平衡式复合齿轮泵是在普通齿轮泵和行星齿轮传动系统的基础上开发的一种新式齿轮泵。它不仅保留了普通齿轮泵的优点，而且解决了普通齿轮泵径向压力不平衡和流量脉动大的问题。与一般齿轮泵相比，它增加了行星轮、内齿轮、密封块等结构。它是由外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵组成的新式复合结构泵，并且它的结构对称，径向液压力完全平衡，所以称为平衡式复合齿轮泵，其结构如图1-2所示。图1-2平衡式复合齿轮泵（3）无啮合力齿轮泵无啮合力齿轮泵主要由主动轴、同步齿轮、吸排液齿轮、壳体、左右端盖等组成。此泵中同步齿轮的作用主要是承载齿轮转动所产生的啮合力，而主动齿轮所承载的仅仅是因吸排油而产生的液压力。无啮合力齿轮泵除了能够用在普通齿轮泵应用的方面，还在纯水、高压液体的运送方面应用广泛，乃至是一些带有腐蚀性的液体的输送。无啮合力齿轮泵结构图如1-3所示。图1-3无啮合力齿轮泵结构图2行星齿轮泵的基本理论2.1行星齿轮泵的结构及工作原理行星齿轮泵是结合内啮合和外啮合齿轮而设计的一种液压泵，它的工作原理图如2-1所示。它的主要结构有泵盖、侧板、壳体、太阳轮（中心轮）、内齿轮、行星轮（惰轮）、密封块等。它与一般齿轮泵相比具备更多的长处：构造简易紧密、流量脉动小、噪声低以及结构小但排量大。图2-1行星齿轮泵结构图假定惰轮7的中心固定，当太阳轮5正向转动时，惰轮7和内齿轮6反向转动。中心轮5和惰轮7相啮合，与两边的密封块构成一对外啮合齿轮泵；同时惰轮7也和内齿轮6啮合，惰轮7和内齿轮6以及两边的密封块构成一对内啮合齿轮。已知普通内啮合、外啮合齿轮泵的几何排量为，则具有N个惰轮的行星齿轮泵的几何排量近似为,由以上的行星齿轮泵工作原理可知，行星齿轮泵的一个显著特点是：行星齿轮泵比同体积下的单独的内啮合或外啮合齿轮泵的排量大得多，其工作原理如图2-2所示。图2-2行星齿轮泵工作原理2.2行星齿轮泵的理论排量由分析可知，行星齿轮泵由N个外啮合子泵和N个内啮合子泵组成，N为惰轮个数。2.2.1外啮合子泵的理论排量中心轮Z1转动一圈时，每个外啮合子泵的排量大小均为：，式中为中心轮的齿数，为齿轮宽度（mm），为齿轮模数(mm)，行星齿轮泵中有N对外啮合子泵，所以外啮合子泵的理论排量之和为：。2.2.2内啮合子泵的理论排量惰轮Z2转动一圈时，每个内啮合子泵的理论排量大小均为：已知行星齿轮泵中中心轮、惰轮以及内齿轮的齿宽B都相同，又因为中心轮Z1转动一圈时，Z2转动Z1/Z2圈，所以中心轮Z1转动一圈时，每个内啮合子泵的理论排量为，所以，行星齿轮泵中N个内啮合齿轮泵的理论排量之和为：。2.2.3整台泵的理论排量N个惰轮，构成N个外啮合齿轮泵和N个内啮合齿轮泵，故整台泵的理论排量为：。3行星齿轮泵受力情况分析3.1径向液压力分析图3-1三惰轮行星齿轮泵中心轮受力图此处只做静态液压力的分析。由于N个行星齿轮均布在中心轮和内齿轮中央，并且各进液口和出液口对称分布，因此各个子泵的出液处液体产生的压力在各个齿轮的切向上也是均匀分布的，所以在各个齿轮上产生的径向液压力Fp是方向相反并且大小相等的，组成了一个平衡的力系。图3-1为三惰轮行星齿轮泵中心轮的液体压力的分布及径向液压力平衡的形式。因而可知，通过将行星传动原理和齿轮泵的基本运转方式的结合来改进传统的齿轮泵设计，可以有效地改善常规齿轮泵径向液压力不平衡的问题，以增加轴承的使用时长。3.2齿轮啮合力分析齿轮传动中，啮合力是相互啮合的轮齿之间产生的作用力，它的方向沿着啮合面的法线向内。为了降低分析和计算的难度，常将啮合力分解为径向力Fr和切向力Ft。各齿轮的啮合力分析图如图3-2所示（以三惰轮行星齿轮泵为例）。由图可知各个齿轮上的径向力Fr是平衡的。内齿轮上的切向力合力为零，中心轮上的圆周力构成的力矩电动机的输出力矩平衡，只有轴承会承受一个不平衡的径向力。综和上述长处，同普通齿轮泵相比较，行星齿轮泵的受力情况有了显著的改良，这就使齿轮传动更加稳定，齿轮泵的稳定系数和使用期限也大为上升。图3-2齿轮啮合力示意图4三惰轮行星齿轮泵主要零件设计4.1齿轮的齿数及材料的初选三惰轮行星齿轮泵中各齿轮的齿数与泵体大小等有很大的关联，应该根据齿轮泵对降低噪音和减小泵体的要求选取各齿轮的齿数，以保证流量脉动系数尽量小。一般情况下，要求最小齿数大于或者等于8。以下记中心轮齿数为，惰轮齿数为，内齿轮齿数为。由行星齿轮运转和装配一定要符合同心条件知：。查阅有关资料知：对齿轮泵流量均匀性的作用至为显著的是太阳轮的轮齿数量，但是惰轮齿数的影响同样不可小视，并且当，（k1，k2为自然数）时，泵的流量均匀性最好。综合上述条件并参考《机械设计手册》第3卷，根据表14-5-4初选，，查《机械设计手册》第3卷，参考表14-1-116及表14-1-118，初步选择齿轮原料为并且经过渗碳淬火处理，要求其硬度为。4.2选择模数m和齿宽B及中心距a已知几何排量，工作压力。三惰轮行星齿轮泵的几何排量近似为（4-1）式中：m──齿轮模数；Z──中心轮齿数；B──齿宽。齿宽B一般可根据模数大小确定，即B=(6~8)m=（4-2）式中：──当量宽度，。选择后，可确定模数m，即（4-3）将计算出的m标准化，修正，此处取中间数=7，则（4-4）查《机械设计手册》表，取模数为标准值。将m=3.5带入式（4-1）计算得B=19.7mm取B=20mm。中心距。4.3排量的初步验算三惰轮行星齿轮泵的排量计算公式为（4-5）已知m=3.5，Z=19，B=23，带入式（5-3）得排量误差误差远小于允许误差，所以模数和齿数的选择满足要求。4.4各齿轮的结构设计及尺寸确定本设计全部采用标准直齿圆柱齿轮传动。已知：齿轮模数均为查《机械设计手册》第3卷得到以下数据：顶隙系数齿顶高系数分度圆压力角分度圆螺旋角计算公式：分度圆直径：齿顶高：齿根高：齿顶圆直径：外齿轮内齿轮齿根圆直径：外齿轮内齿轮由上述条件得出的各齿轮尺寸的结果统计于表4-1。表4-1各齿轮尺寸中心轮a惰轮b内齿轮c分度圆直径7759.5196齿顶圆直径8466.5189齿根圆直径68.2550.75204.754.5齿轮传动的强度校核表4-2各齿轮的疲劳极限参数中心轮a惰轮b内齿轮c15721572650850850525资料来源：《机械设计》4.5.1齿面接触疲劳强度校核由《液压传动》查得液压泵的输入转矩为：（4-6）式中：──液压泵几何排量，；──液压泵工作压力，；──液压泵机械效率，此处取=0.95；──液压泵输出转矩，。将，带入式（4-6）得即中心轮的转矩为查《机械设计手册》第三卷，据表14-5-18，取载荷不均匀系数，在一对a-b传动中，中心轮b传递的转矩为式中：──惰轮数，。中心轮上的名义圆周力为惰轮上的名义圆周力为查《机械设计手册》，取齿轮精度等级为7级精度，则可选取，，，。载荷系数。据《机械设计手册》表14-5-21，取接触最小安全系数据《机械设计基础》式11-2知：齿面接触疲劳强度的校核方程为（4-7）式中：──弹性系数，从《机械设计基础》表11—7中可知，；K──载荷系数；──齿数比。对a-b传动：对b-c传动：4.5.2齿根弯曲疲劳强度校核校核齿轮的弯曲强度时，假设所有受到的力只由一对轮齿承受。当载荷作用于齿顶时，齿根所承受的弯曲力矩最大，所以齿根处的弯曲疲劳强度最差。从《机械设计基础》中式11-5知轮齿的弯曲强度校核公式为（4-8）式中：K──载荷系数；──齿形系数；──应力集中系数。据《机械设计》表10-5，知，，，，，，对中心轮a：对惰轮b：对内齿轮c：4.6各齿轮的配合方式中心轮、惰轮、内齿轮的配合如图4-1所示。图4-1各齿轮的配合图4.7三惰轮行星齿轮泵的主要问题及解决办法4.7.1内部泄漏特性分析三惰轮行星齿轮泵与普通齿轮泵相比，存在一个明显的缺点，就是内部泄漏更加严重。三惰轮复合齿轮泵相当于6个普通齿轮泵，结构比一般齿轮泵更复杂，造成泄漏点更多，相应的泄漏也更为严重。不仅多出的惰轮机构的泄漏比较严重，而且径向泄漏相较普通齿轮泵也更为严重，这严重影响了三惰轮行星齿轮泵的容积效率。三惰轮行星齿轮泵的泄漏主要为径向泄漏和轴向泄漏。（1）径向泄漏径向泄漏是油液沿着密封块由高压区向低压区的泄漏。在行星机构部分，由于密封块的径向尺寸较小，而普通齿轮泵高压腔到低压腔通道较长，所以径向泄漏比普通齿轮泵大。密封块与壳体之间的间隙决定了泄漏量的大小，使间隙尽可能的小，可以有效的控制泄漏量的大小，提高泵的容积效率。如果间隙过小，会造成密封块被齿顶刮擦受伤，但是间隙过大，又会加剧泄漏的发生，所以在设计时，应该使径向间隙尽可能的小，以控制泄漏量，保证足够大的容积效率，径向泄漏如图4-2所示。图4-2径向泄漏图（2）轴向泄漏轴向泄漏是指液压油经由前后侧板等向进油腔的泄漏。轴向泄漏占泄漏总量的80%左右，对泵泄漏量的影响最大。4.7.2困油现象在封闭的条件下，油液所占的容积不断的变化从而使压力快速改变造成困油现象。困油是泵发出巨大噪音的主要原因，同时还会引起内部冲击和气蚀现象，造成泵的容积效率下降和泵运行不稳定，并且使泵的使用时长大为减短。消除困油造成的危害是必要的，通常，通过在泵两端的盖板上开卸荷槽来消除困油。在开卸荷槽时，要严格控制卸荷槽间的间距大小，卸荷槽之间间距过大，可能会使压油腔和卸荷槽直接相通，降低容积效率；间距过小，可能不能完全消除困油现象。4.8中心轴的设计及电动机的选择4.8.1电动机的选择在此处选择电动机主要是为了计算最小轴径的需要。齿轮泵的转数大约为，已知几何排量，工作压力。泵的理论功率为：查《机械设计课程设计》附表，选取电动机型号为，其额定功率为，满载转速为。4.8.2中心轴材料的选择及最小轴径的计算据《机械设计基础》表14-1，选取中心轴的材料为45号钢，由表14-2知45号钢的许用扭转应力为30~40，此处取。通过《机械设计》中式14-1可知，轴如果仅仅传递转矩，并且它的截面是圆，则可用下式进行强度校核（4-9）式中：──抗扭截面系数，对圆截面；──转矩；──传递的功率；──轴的转速。将上式转化为（4-10）式中：C——由轴的原料和受力的情况而确定的常数，从《机械设计基础》表14-2中可查得，C=106。可用式（4-8）计算传递转矩轴段的最小直径考虑到轴上的键槽会降低轴的强度，根据《机械设计手册》中轴直径的推荐，选定轴的直径为标准值。4.8.3中心轴上各段尺寸的确定中心轴的结构简图如图4-3所示。图4-3中心轴的结构简图段：直径，参考以往的设计以及估算联轴器和泵壳体的壁厚，初步取。段：轴的直径比较小，可以将段轴径比段增大5%~7%，取标准直径，考虑配流盘的宽度，取。段：段有一个键槽，轴径增大5%~7%，取标准直径。宽度与中心轮的宽度相等，取。段：段与段是轴上的对称部分，，。4.8.4中心轴强度校核因为中心轴在受到扭矩作用的同时还受到弯矩的作用，所以应该按照弯扭合成强度要求展开校核，中心轴的载荷分析图如图4-4所示。图4-4中心轴的载荷分析图中心轮a的分度圆直径d=77mm。H面上：用平衡方程求支反力：则水平面上的弯矩为：V面上：用平衡方程求支反力：则垂直面上的弯矩为：总弯矩为：按第三强度理论，进行危险截面弯扭合成强度校核计算。计算应力：（4-11）对截面形状为圆形的轴，其直径为d，弯曲应力为；扭转剪应力为；将和带入式（4-9），得轴的弯曲合成强度条件为：（4-12）式中：──轴的计算应力；──轴所受的弯矩；──轴所受的扭矩；──许用弯曲应力，；──轴的抗弯截面系数。从《机械设计》的抗弯截面系数表中可查得将数据带入式（4-12）验算4.9惰轮轴设计惰轮轴较小，可以采用将轴与齿轮做成一体的的方式连接，这样既可以增加轴的抗弯曲性能，又可以简化齿轮泵的结构，减小泵的安装难度。查《机械设计课程设计》，参照以往的设计经验，并考虑轴与轴承的配合，选取惰轮的轴径为25mm。惰轮轴的结构如图4-5所示。图4-5惰轮轴惰轮b的受力为：，分度圆直径H面上：用平衡方程求支反力：则水平面上的弯矩为：V面上：用平衡方程求支反力：则垂直面上的弯矩为：总弯矩为：按第三强度理论，进行危险截面弯扭合成强度校核计算。由《机械设计》表15-4知将数据带入式（4-10）验算：强度满足要求。4.10轴承的选择和校核为了更好地安排泵的内部空间，简化泵的结构，我们不妨将轴承安放在配流盘上，这样可以增加齿轮传动的整体稳定性，同时对泵的密封也有很大的帮助。配流盘的厚度初定为40mm，配流盘不仅起配流作用，同时起到轴承支架的作用，因此将厚度定得大一些，以补偿强度，配流盘和轴承的配合图如图4-6所示。图4-6配流盘和轴承的配合图4.10.1中心轴上轴承的选择与校核（1）据《机械设计课程设计》附表6-1，选择中心轴上的轴承型号为NA4908，尺寸为，基本额定动载荷。（2）对轴承的寿命进行校核：据《机械设计》表11-3，查得：对于24h连续工作的泵，其预期计算寿命为4000~6000，此处取4000。据《机械设计》表13-6，查得：对于冲击影响很小或者没有冲击影响的泵，载荷系数，此处取，对于深沟球轴承，。故轴承的力学性能符合要求。从《机械设计》中查得，轴承基本额定寿命可以用下式来进行计算（4-13）已知球轴承，将数据带入式（4-11）可得：故满足寿命要求。4.10.2小齿轮轴上轴承的选择和校核（1）据《机械设计课程设计》附表6-1，选择惰轮轴上的轴承的型号为GA4905，尺寸为，基本额定动载荷。（2）对轴承的寿命进行校核故轴承的力学性能符合要求。故满足寿命要求。4.11配流盘的设计材料采用奥氏体不锈钢OCr18Ni9，当温度小于150摄氏度时，许用应力。左右配流盘所形成的有压空间，可以简化为平盖封头圆柱压力容器，设计压力为。这样就可以利用《过程设备设计》中式4-56进行校核。（4-14）式中：，，，平盖计算直径近似为。将数据带入式（4-14）计算取钢板厚度负偏差，因为钢板的腐蚀极小，可以取腐蚀裕量。则配流盘的最小厚度为。配流盘的厚度远大于10mm满足强度要求，考虑配流盘上轴承的厚度等，配流盘的总厚度为40mm。配流盘的结构如图4-7所示。图4-7配流盘结构4.12密封块的设计密封块主要起分隔作用，使泵的吸油腔和排油腔相互隔离。为了防止高压腔和低压腔之间油液窜通，使三惰轮行星齿轮泵的容积效率得到提高，密封块的长度应不小于三个齿。密封块选用45号钢为材料。具体的尺寸结构见装配图。密封块的结构如图4-8所示。图4-8密封块结构密封块与各齿轮的配合图如图4-9所示。图4-9密封块与各齿轮的配合图5泵壳体的设计5.1泵壳的厚度据据机械设计手册中相关内容，选择泵壳的原料为HT200灰铸铁，其最小抗拉强度。采用《叶片泵设计手册》中推荐的经验公式计算壳体的厚度：（5-1）取，将数据带入式（5-1）计算：圆整可取。5.2泵进出油口的设计由《机械设计手册》查得，齿轮泵进出油口流速的计算公式为：（5-2）式中：——排量；——转速；——进油口的截面积。由设计手册查得：齿轮泵进油口的推荐流速为，出油口的推荐流速为。进油口的流速可取，出油口的流速可取。式（5-2）可变形为：（5-3）将已知数据带入式（5-3）可得：已知进出油口都是圆孔，可以利用圆的计算公式,计算进出油口的孔的截面半径，求得。查设计手册知，齿轮泵进出油口采用圆柱管螺纹连接。进油口的管螺纹孔代号为G7/8，尺寸为：大径，中径，小径。底孔尺寸为。出油口处的管螺纹代号为G5/8，尺寸为：大径，中径，小径。底孔尺寸为。5.3泵壳整体结构的设计详细的结构根据泵中各零件的装配来安排，具体的结构设计见装配图。泵的整体结构简图如图5-1所示。1、13—进、出油口，2—中心轴，3—毡圈油封，4、12—左右壳体，5、7—轴承，6—配流盘，8—惰轮，9—内齿轮，10—中心轮，11—O型圈图5-1泵的主体结构简图6联轴器的选择及泵上其他零件的设计6.1选择联轴器已知与联轴器连接部分的中心轴轴径为35mm，据《机械设计课程设计》中附表8-4，选择联轴器的型号为TL6。轴孔长度L=62mm。6.2中心轴上键的设计键是用来固定和传递扭矩的零件，选用45钢为材料。（1）中心轴段上键的设计已知此段轴的直径为35mm，据《机械设计课程设计》中附表4-1，选择段上与联轴器连接的平键的，。取45钢的许用挤压应力。查得挤压强度条件公式为：（6-1）可以化简为求键最小长度的公式：（6-2）将数据带入式（6-2）计算得：圆整为35mm。中心轴段上键的尺寸为。（2）中心轴段上键的设计已知此段轴的直径为45mm，据《机械设计课程设计》中附表4-1，选择段上与中心轮连接的平键为，。将已知数据带入式（6-2）计算得：圆整为18mm。所以中心轴段上键的尺寸为。6.3密封件通过《机械设计手册》密封盒润滑部分得知，毡圈油封用于线速度小于5m/s的场合。本设计的轴在密封处的线速度为：所以可以使用油毡密封。已知轴径为35mm，查《机械设计手册》表10-4-3，选择毡圈尺寸为，壳体上的沟槽尺寸为。毡圈油封如图6-1所示。6-1毡圈油封左右壳体连接处的密封采用O形圈密封，它的构造紧密，装配容易，密封能力强，使用年限长。据《机械设计手册》表9-5-6，选择O形圈的尺寸为，查《机械设计手册》表10-4-12和表10-4-15知，壳体上的沟槽外径，宽度，高度。O型圈密封如图6-2所示。图6-2O型圈密封6.4泵左右壳体连接螺栓及垫圈的选择据《机械设计》式5-28知，可根据螺栓危险截面的抗拉强度条件来确定螺栓的直径。（6-3）式中：——抗拉强度；——螺栓所受的预紧力；——螺栓直径。螺栓的选材为中碳钢，性能等级为6.8级，由《机械设计》表5-8知，抗拉强度初步选择用12个螺栓来连接，则螺栓的预紧力为：则螺栓的直径可用下式来求解（6-4）将数据带入式（6-4）可得：取螺栓直径为10mm。据《机械设计课程设计》附表3-5，选择螺栓的尺寸，，，，，。据《机械设计课程设计》附表3-13，选择螺母M10的尺寸，，，。据《机械设计课程设计》附表3-15，选择垫圈的尺寸，，，。结论经过两个多月的学习和工作，终于完成了《三惰轮行星齿轮泵设计》的设计。从开始设计时的毫无头绪，再到后来的每一步设计的完成，这对我来说既是一种挑战，也是对我的能力的一种检验和提高。此次设计让我学到了很多东西，对各种液压泵的工作原理和优缺点有了全面的认识，尤其是对三惰轮行星齿轮泵的结构的认识。第一次做齿轮泵的设计，设计很不成熟，难免有很多的缺点和错误，但是通过这次设计，让我认识了自己的不足，在以后的工作和生活中，我会更好地改正自己的这些缺点。参考文献[1]许贤良，王传礼，张军等.液压传动[M].北京：国防工业出版社,2011