CB-B20型齿轮泵的三维设计及有限元分析.doc
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1、CB-B20型齿轮泵三维设计及有限元分析学生:XX,机械工程学院指导教师:XX,机械工程学院摘要CB-B20型齿轮泵,是一种无侧板、三片式结构的低压齿轮油泵。它没有径向力平衡结构和轴向间隙补偿,依靠间隙密封原理工作。其结构简朴,维护方便,价格低廉,它重要应用于机床低压液压传动系统和大型机械设备中稀油站的供油和冷却系统及各种机械设备的润滑系统。本文就是根据CB-B20型齿轮泵的特点及用途来设计的。从泵的排量入手选取齿轮的模数,然后考虑齿轮的大小和工作特点选取齿轮的齿数。再由国内的“增一齿修正法”来拟定齿轮的各个参数,接着由泵的排量算出齿轮受到的力,估算齿轮轴的直径,并拟定其直径和长度。再由轴的受
2、力情况校核所选轴的直径是否满足规定,如不满足,再反复以上环节。轴设计好之后设计泵盖,考虑到方便选取三片式的泵盖,泵盖接触的地方要选毛毡等密封工具,顺理成章就完毕了泵的设计,最后用现在比较流行的有限元分析来分析一下齿面接触的问题。此齿轮泵重要由17个部件构成,对每一个部件的设计,不仅可以对此泵有进一步的了解,设计的过程对材料的选取也可以节约更多的成本,此设计更提高了运用知识到实际的能力以及绘图的能力。关键词 齿轮泵,齿面应力,Solidworks三维建模Three-dimensional design of the CB-B20 gear pump and finite element anal
3、ysisStudent:XX,Mechanical Engineering department of Yangtze UniversityInstructor:XX,Mechanical Engineering department of Yangtze UniversityAbstract CB-B20 gear pump, a side panel of three low-pressure gear pump. It does not have radial force balance structure and axial clearance compensation, relyin
4、g on the clearance seal the principle of work. It simple structure, easy maintenance, low prices, it is mainly used in diluted oil station in the low pressure hydraulic drive system of machine tools and large machinery and equipment, oil and cooling systems and a variety of mechanical equipment lubr
5、ication systems. This article is based on the characteristics and uses of the gear pump CB-B20. Modulus of the selected gear to start from the pump displacement, and then consider the size and characteristics of gear to select the gear teeth. By the domestic growth a tooth correction method to deter
6、mine the various parameters of the gear, then calculate the gear by the force of the pump displacement to estimate the diameter of the gear shaft, and to determine its diameter and length. From the axis by checking the selected axis diameter to meet the requirements, such as not satisfied, repeat th
7、e above steps. Axis design after design of the pump cover, taking into account the seal tool convenient to select the three pump cover, pump cover contact to choose felt logical to complete the design of the pump, now using the more popular finite element analysis to analyze the tooth surface contac
8、t. The gear pump consists of 17 components, the design of each component, not only can this pump has a better understanding of the design process for the selection of materials can also be more cost savings, this design improves the use of knowledge to the actual capabilities and the ability of the
9、drawings.Key words gear pump, the tooth surface stress, Solidworks 3D modeling前言齿轮泵是液压系统中广泛采用的一种液压泵,在工业中应用非常广泛。齿轮泵的设计涉及到机械原理,机械设计,材料力学,计算机辅助制图等多门课程的知识。本课题重要研究齿轮泵的设计方法,以及怎么用Solidworks进行三维建模,绘制出齿轮泵的每一个零件,然后进行组装,构成完整的装配图。然后运用Solidworks Simulation等分析软件对齿轮的啮合面进行建模分析受力情况,设计中的每一个环节都需要查阅相关资料与标准,提高了自己的搜索能力与计
10、算分析能力,三维制图的过程提高了自己三维建模的能力,在设计中不懂得问题通过和同学的讨论当得到答案,提高了同学之间的合作以及友谊,总之这次毕业设计对以后的设计和工作有非常重要的帮助。1 选题背景1.1 题目来源题目来源于生产实际。1.2 研究目的和意义齿轮泵是液压系统中广泛采用的一种液压泵,它一般做成定量泵,按结构不同,齿轮泵分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵,而以外啮合齿轮泵应用最广。齿轮泵泵体是分离三片式结构,三片是指泵盖和泵体,以及泵体内装有一对齿数相同、宽度和泵体接近而又互相啮合的齿轮,这对齿轮与两端盖和泵体形成一密封腔,并由齿轮的齿顶和啮合线把密封腔划分为两部分,即吸油腔和压油腔。两齿轮分
11、别用键固定在由滚针轴承支承的积极轴和从动轴上,这是齿轮泵的简朴结构。外啮合齿轮泵广泛用于工业生产,可以用来输送一些有一定粘性的液体。其优点是结构简朴、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。缺陷是齿轮承受不平衡的径向液压力,轴承磨损严重,工作压力的提高受到限制;流量脉动大,导致系统压力脉动大,噪声高。我国是工业生产大国,由于齿轮泵的种种优点,它被广泛的应用于我国的工业生产。CBB型齿轮泵当泵的积极齿轮旋转时,齿轮泵的吸油腔齿轮脱开啮合,齿轮的轮齿退出齿间,使密封容积增大,形成局部真空,油箱中的油液在外界大气压的作用下,经吸油管路、吸油腔进入齿间。随着齿
12、轮的旋转,吸入齿间的油液被带到另一侧,进入压油腔。这时轮齿进入啮合,使密封容积逐渐减小,齿轮间部分的油液被挤出,形成了齿轮泵的压油过程。齿轮啮合时齿向接触线把吸油腔和压油腔分开,起配油作用。当齿轮泵的积极齿轮由电动机带动不断旋转时,轮齿脱开啮合的一侧,由于密封容积变大则不断从油箱中吸油,轮齿进入啮合的一侧,由于密封容积减小则不断地排油,这就是齿轮泵的工作原理。吸油和压油过程中齿轮承受不平衡径向液压力,使得轴承摩擦,影响工作,研究如何减小径向压力,缓解其摩擦,可以提高其寿命,这样会节省不少经费,因此研究齿轮泵非常故意义。1.3 国内外发展现状目前国内(1)通过执行国家提出的“以市场换技术”合作生
13、产的方式,使我国泵业中具有极高技术水平的关键用泵的技术水平与国外发达国家的同类泵产品水平接近;(2)近几年,齿轮油泵类产品的产值皆以11%12%的速率发展;(3)股份制和民营制造厂在我国泵业中占主导地位;(4)齿轮油泵制造厂都在进行产品结构调整和技术改造,公司都在做强、做大,每年新增泵制造厂的数量明显减少;(5)市场竞争更剧烈,齿轮油泵产品中的普通泵供大于求的局面没有改变,单台泵的利润率在逐年减少。由于材料涨价等因素影响,泵制造厂的利润增长率明显减少。国际上(1)竞争和垄断进一步加剧,跨国齿轮油泵业公司的垄断势头进一步加剧。如世界泵业最大的前五家泵制造厂垄断着世界泵业总产值22%。世界泵业中的
14、一些重要制造厂的制造技术已达成相称成熟和完善的水平,其产品有极高的知名度,在特定的领域中有很高的市场占有率; (2)世界齿轮油泵业中泵制造厂家数量会不断减少,自2023年以来,世界泵业已有80起大的合并和收购,通过这种集团化的合作发展战略,不仅可以得到最大的经济规模,尚有助于运用本来的商标和知名度,实现连续发展;(3)世界齿轮油泵业会连续发展,预计此后35年中,世界齿轮油泵业将会以每年5.5左右的增长率发展;(4)不断开拓新的市场范围和领域,中国加入WTO后,世界各大泵制造厂都非常关注中国的用泵市场,世界泵业前20家制造厂绝大多数都准备或已经在中国建制造分厂。1.4 本课题研究的指导思想及技术
15、路线本课题重要研究齿轮泵的增一尺变位设计方法,然后用Solidworks三维建模绘制出齿轮泵的三维图,进而导出二维图纸用于加工。设计中重要解:决齿轮油泵概述;总体方案设计;齿轮传动设计;结构设计;重要零部件强度校核。重点研究关键是 困油现象的解决;减小端面泄露;减小径向不平衡力。解决办法是在两侧盖板上开卸荷槽;采用浮动轴套、弹性侧板、浮动侧板等措施;在盖板上开设平衡槽。2 齿轮泵概述齿轮泵广泛应用在各种液压机械上,它的重要优点是:结构简朴紧凑、体积小、重量轻、自吸能力好、对污物不敏感、工作可靠、使用寿命长、便于维护修理、成本低、又因齿轮是对称的旋转体,故允许高速旋转。其缺陷是:流量和压力脉动大
16、、噪声大、排量不可变。目前泵的流量范围为Q=2.5750l/min;压力范围为p =10315bar;转速范围为n =13004000rpm,高速时(如应用在飞机上)可达8000rpm;容积效率v=0.880.96;总效率=0.780.92。在设计外啮合齿轮泵之前,一方面要对其工作原理以及结构要有定性的分析。外啮合齿轮泵中的一对齿轮是泵的心脏,是齿轮泵中最关键的元件,其参数选择合理与否,将直接影响着泵的性能,噪声和寿命。2.1外啮合齿轮泵的分类 (1)按齿形曲线可分为: 渐开线齿形式和摆线式 (2)按齿面形式可分为: 直齿齿轮式、斜齿齿轮式、人字齿齿轮式、圆弧齿面的齿轮式 (3)按啮合齿轮的个
17、数分: 二齿轮式和多齿轮式 (4)按齿轮级数可分为: 单级齿轮泵和多级齿轮泵2.2外啮合齿轮泵的工作原理外啮合齿轮泵的基本工作原理就是: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,齿轮端面和盖板很小,因而把吸油腔和压油腔隔开。当齿轮按图示方向旋转时,啮合点右侧啮合着的齿逐渐退出啮合,空间增大,形成局部真空,油箱中的油在外界大气压作用下进入吸油腔;啮合点左侧的齿逐渐进入啮合,把齿间的油液挤压出来,从压油口逼迫流出,这就是齿轮泵的吸油和压油过程。当齿轮不断转动时,齿轮泵就不断的吸油和压油。 以下为外啮合齿轮泵的工作原理图,具体的看一个密封腔完整的工作过程。图1 外啮合齿轮泵工作原理图2
18、.3 典型外啮合齿轮泵的结构特点目前国内最常用的是CB型齿轮泵,下表是一些CB型齿轮泵的基本性能参数:表1 齿轮泵性能参数表型号排量(ml/r)额定压力(Mpa)最高压力(Mpa)额定转速(r/min)最高转速(r/min)特点CB型32、50、1001012.514501650铝合金壳,浮动轴套结构CB-B型2.51251417、520233000小排量中高压泵整体式浮动轴套结构CB-C型1032101418002400双金属固定侧板中高压泵CB-D型3270CB-E型702101012.518002400直接可作马达使用CB-F型10401417.518002400可作双联泵CB-G型16
19、2001251620232200可组成双联泵3 总体设计3.1 原始数据 理论排量:20L/m 额定压力:2.5MPa 额定转速:1450r/min3.2齿轮泵齿轮参数的选择及原则外啮合齿轮泵的齿轮一般都是采用一对参数完全相同的渐开线形的齿轮。a 在规定的排量下,泵的体积小,重量轻。b 在规定的工况下,齿轮泵的齿形、轴颈和轴伸等具有足够的强度和刚度。c 在规定的工况条件下,泵的轴承载荷小。d 尽量减小泵的流量脉动。e 在泵系列设计时,尽量减小零件和齿轮刀具的种类,提高通用化和标准化的限度。3.3 齿轮的模数、齿数和齿宽的拟定3.3.1参数公式齿轮泵的排量与齿轮模数,齿数和齿宽的关系 可近似按照
20、下列公式计算: (1)式中 q-排量(ml/r); -与齿轮啮合的重叠系数c有关系的系数,通常 =1.061.115,齿数少时取大值,齿数少时取小值; Z-齿数; m-模数(mm);b-齿宽(mm);从式子中可以看出排量与 齿轮的模数的平方成正比,与齿数和齿宽成正比,所以在排量一定的情况下,齿轮选取大模数、少齿数的参数可以实现泵的体积小、重量轻的目的。3.3.2 齿轮模数的拟定前面所述,为了减小泵的体积和重量,应选取大模数、少齿数的参数,但是对于中压和高压的齿轮泵来说,齿轮模数不能选得过大,由于模数过大,齿数过少,齿根圆就小。为了保证泵的容积效率达成设计规定,齿轮的齿根圆到轴颈之间应有一定的密
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