CB-B100齿轮泵的设计与三维建模--毕业论文.docx

CB-B100齿轮泵的设计与三维建模学生姓名： 指导教师： 摘 要： CB-B型齿轮泵具有结构简单、体积紧凑、工艺性好、价格低、自吸能力强、对工作环境要求不高等诸多优点。在液体输送、增压等方面得到广泛应用。当齿轮脱离啮合时候吸油腔容积增大，油液在压力作用下进入吸油腔，并随齿轮的转动带入到压油腔，当齿轮进入啮合时，将油液压出。但齿轮泵也存在着流量脉动大、噪声大、困油现象等问题,尤其是随着较大流量泵的出现使这些问题更显突出,制约着齿轮泵向更大流量的发展。本次设计中采用卸荷槽来解决困油现象、闭死容积的问题；提高轴和齿轮的精度来降低机械噪声。本次设计中首先是要确定齿轮齿数和模数，其次确定轴和轴系部件结构及外壳尺寸，然后通过Solidworks软件分别建模，最后进行整体装配以便对CB-B100齿轮泵虚拟样机模型进行进一步的分析。Solidworks是一款功能强大的三维设计软件，具有强大的参数化建模功能，该软件有良好的关联性，体现了设计的整体相关性。若修改一些草图的尺寸或者位置，都可以很方便的反映在三维模型和二维工程图中，同时大大缩短了设计周期，提高了设计工作效率。关键词：齿轮泵 Solidworks 三维建模 参数化造型The Design and Three-dimensional Modeling of the Gear Pump CB-B100Authors Name:Zhang Zhi Tutor: Yan ShilinABSTRACT: CB-B gear pump has the simple structure,compact,good technology,low price,strong self-absorption capacity,less demanding work environment and many other advantages.Widely used in liquid transport, pressure,etc.When the gear is disengaged and the suction chamber volume increases, the oil into the suction chamber under pressure, and with the rotation of the gear is brought into pressure oil chamber,when the gear into engagement, the hydraulic oil.But there are also gear pump flow ripple,noise,oil phenomena and other issues,especially with the larger flow pump makes these issues more prominent,which restricts development to a greater flow of the gear pump.The design used in the unloading slots to resolve the phenomenon of trapped oil, closed dead volume problems; improve design precision shafts and gears to reduce mechanical noise. The first is to determine the design of the gear teeth and modulus, and secondly to determine the structure of the shaft and the shaft member and the shell size, and then separately by Solidworks modeling software, and finally to the whole assembly of the gear pump CB-B100 virtual prototype model for further analysis. Solidworks is a powerful 3D design software with powerful parametric modeling features, the software has a good correlation reflects the design of the overall correlation. If you modify some sketches of size or location, it can be easily reflected in the three-dimensional models and 2D drawings, while greatly shorten the design cycle and improve work efficiency.KEYWORDS: gear pump Solidworks three-dimensional modelingparametric modeling目 录1 引言11.1 本课题的研究意义和必要性11.2 国内外齿轮泵的发展和现状21.3 齿轮泵主要研究内容和解决的问题41.4 本课题设计内容及要求52 齿轮泵的设计52.1 齿轮泵的概述及工作原理52.2 齿轮泵的设计要求72.3 齿轮泵齿轮参数的确定与校核82.4 轴的结构设计与校核122.5 轴系部件的设计163 齿轮泵的闭死容积和卸荷槽 193.1 闭死容积193.2 卸荷槽203.3 噪声问题214 齿轮泵solidworks的三维建模224.1 Solidworks概述224.2 CB-B100齿轮泵零件三维建模234.3 齿轮泵装配体建模344.4 齿轮泵爆炸图 36总结与致谢37参考文献38附录 391 引言随着电子信息技术在各个领域的迅速渗透和发展，在机械设计与制造行业同样也掀起了生产力与生产方式的重大调整转变革命，从根本上触动了该行业的设计方式、生产方式，对整个产业结构和技术发展、生产力发展，经济水平提高产生了重大的带动推进作用。SolidWorks软件是基于Windows开发的第一个三维CAD系统，它的易用、稳定和创新的三原则得到了广泛的落实和证明，有了它，设计人员大大缩短了设计时间，使得产品可以高效快速地投向市场。该软件具有组件繁多功能强大、易用易学和创新技术三大特点，能提供不同设计方案并且通过减少设计过程中的错误来提高产品质量。它不仅提供强大的功能，而且对每个三维设计人员和工程师来说，易学易用、操作简单方便。另外，动画演示形象、直观，能表达文字或者叙述不易讲解清楚的复杂产品的内部结构，模拟产品的工作情况，达到与非专业人士交流设计思想的目的，所以Solidworks迅速适应市场要求开发并在实际中应用，所以Solidworks市场份额增长最快、技术发展最快、市场前景最好、性能价格比最优的软件。随着Solidworks版本的不断提高、性能不断提高，Solidworks已经能满足一般企业的一般需求了。1.1 本课题研究意义和必要性外啮合低压齿轮泵广泛用于机械、化工等工业生产，它可以用来输送有一定粘性的介质。其优点是制造维护方便、自吸能力强、结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉、工作可靠、对介质污染不敏感等。缺点是齿轮承受径向不平衡的液压力，比较严重的轴承磨损，提高工作压力受到限制；流量脉动大导致系统压力脉动大，噪声高。 三维造型系统可以方便的设计出所需的三维实体产品模型，有了这些模型我们就可以以这些模型为基础，进行装配的干涉检查，对其中重要的零件进行有限元分析、优化设计、工艺设计与工艺规程生成、可以进行数控加工、进行快速成型加工，在制作成品模具之前先进行实物模型装配、测试。同时可以用三维与二维的转换功能，用三维直接生成二维图，此外本模型的各种数据可以实现与其它零件软件或者设计制造环节形成共享与集成。而且，Solidworks这个软件可以实现以上的建模要求和功能要求，此软件易于上手操作与人的实际操作相接近与别的软件或者设计和制造系统的兼容性很好。因此，基于Solidworksr软件的CB-B100型齿轮泵设计与建模这个课题题具有现实普遍意义。1.2 国内外齿轮泵的发展和现状1.2.1 国内齿轮泵发展与现状近年来，我国齿轮泵业有了很好的发展，但是在许多年以前，并不是发展的一帆风顺的。在过去，许多地区的制造业、化工等工业发展都不是以技术为导向的，而是以盲目上项目获得快速的资本回笼为目的的，忽略了市场这一个产业发展中的重要因素。另外，因为我国的齿轮泵业起步是较晚的。长期发展过程中投入不大，这样就使得这个行业的技术基础十分薄弱。近年来，这种现象已经日益的显现。每年，我国齿轮泵产品产值可达400个亿，而泵类产品耗电量占全国电量的20-25。全国齿轮泵企业达6000多家。齿轮泵在国内有非常宽广的应用范围，在农业机械和工业机械中都有着大量的应用。其基本用途主要有：液体介质的输送，包括水，油，乳化液，液态金属等。在化工与石油部门的生产过程中，原料、半成品和成品大多是液体，而将原料制成半成品或成品，要经过复杂的工艺过程，齿轮泵在这过程中起到液体输送和为化学反应提供压力流量作用，此外，泵还用来在很多装置中做温度调节。随着科学技术的发展，人民生活水平提高，农村工业化，机械化农业生产越来越普遍，越来越多的泵类产品将大批进入农村市场。而由于泵企业增多，竞争也越大，未来泵类产品的高技术，优秀的售后服务将成为竞争手段中最有力的要素。随着这些年国内投资环境越变越好，基础建设投资加大等大环境的影响，齿轮泵等类行业迎来了持续高增不减的发展机会。到目前为止专营、兼营泵制造企业803家，中小型企业有2万家，结果造成打价格战，打技术战，打质量战甚至以次充好的恶性竞争，造成了资源浪费，高风险运行等不良后果。我国齿轮泵要在以下两点进行改进和加强。1.加强技术投入。由于我国齿轮泵业科技投入少，基础差，底子薄，开发力量薄弱，不能适应本行业合资、合作、引进、快速发展的需要，导致齿轮泵国内市场占有率下降不少。因此，中国齿轮泵企业及相关部门应加大对齿轮泵技术研究的投入。2.国家对齿轮泵行业要给出有力的政策支持。虽然国家在产业政策方面，明确了重点支持齿轮泵，但依旧缺少相应的配套政策支持，比如模具行业的赋税过重；享受增值税部分返还的企业，全国只有不到百家，面太小，作用十分有限，还需要有利的政策继续大力的支持。因此，为提高我国齿轮泵产品的市场竞争能力，更好地满足我国机械制造工业对国产配套基础件的需求，我国要在基础件行业面临进一步的调整，淘汰落后企业，整合优势资源。今后的5-8年中，行业将在发展品牌产品及名牌企业、开展技术创新、提高国内外市场竞争能力和加强集约化经营等方面做出较大的突破。1.2.2 国外齿轮泵发展与现状结构简单、价格便宜、使用可靠的齿轮泵在液压传动的各种机械中拥有很重要地位。据日本统计资料,60年代日本每年生产的齿轮泵中，有大约40%-47%(按产值计算)用于各种机械部门。美国的液压传动工程机械一直采用齿轮泵和叶片泵。苏联工程机械和车辆的液压传动系统也采用齿轮泵。因为结构上的原因,齿轮泵的效率比较低,轴承负载较大,因此有齿轮泵不适合高压和效率较低的说法。但是近些年,齿轮泵在提高压力和效率等方面取得了很大突破。日本液压工业部门于61-64年进口了欧美技术,在齿轮泵的方面: 1.采用齿轮轴向间隙的液压补偿技术。2.轴承的改进。3.采用铝合金机壳,在高压化、高效率、小型化、轻量化等方面取得了发展。美国改进了齿轮泵压力侧板,解决了压力、效率、使用寿命、大马力等方面的问题。70年以来无实质性进展,主要是品种系列的增加和材料与工艺上的改善。1.2.3 齿轮泵发展趋势由于近年来全电动式的精密齿轮泵越来越多，大家都比较注重环保节能意识。现在列出以下几种趋势：1.电动-液压式齿轮泵是集液压和电驱动于一体的新齿轮泵，它融合了全电动式的节能和全液压式齿轮泵的高性能优点，这种电动-液压相结合的复合齿轮泵已成为齿轮泵技术发展方向。 2.全液压式齿轮泵在成型精密、形状复杂的制品方面有许多独特优势，它从传统的单缸充液式、多缸充液式发展到现在的两板直压式，其中以两板直压式最具代表性，但其控制技术难度高，机械加工精度高，液压技术难掌握是很大问题。 3.全电动式齿轮泵有一系列优点，特别是在节能和环保方面有优势，据报道，目前先进的全电动式齿轮泵节电水平可以达70%多，另外，由于使用伺服电机注射控制精度高，转速也稳定，还可以多级调节。但全电动式齿轮泵在使用寿命上不如全液压式齿轮泵，而全液压式齿轮泵要保证精度就必须使用带闭环控制的伺服阀，而伺服阀价格贵，带来成本大大的升高。1.3 齿轮泵主要研究内容和解决问题齿轮泵结构简单,加工方便,体积小,重量轻,且有自吸能力强、对油液污染不敏感等特性,因而应用较为广泛。齿轮泵的主要缺点是径向液压力不平衡,轴承寿命短，流量脉动大,噪声高。另外,其排量不可调节,使用范围受到限制。国内外有关齿轮泵的研究主要集中在以下几个方面。1.齿轮参数及泵体结构的优化设计。2.补偿面及齿间油膜的计算机辅助分析。3.困油冲击及卸荷措施。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)。4.齿轮泵噪声的控制技术。5.降低齿轮泵的流量脉动的方法。由于齿轮泵的流量脉动较大,在一些要求较高的液压系统中,很少采用齿轮泵。关于降低齿轮泵流量脉动的方法已有很多,如合理选择齿轮的参数;采用剖分式齿轮;采用多齿轮等。6.轮齿表面涂覆技术及其特点。7.轮齿弯曲应力及接触疲劳强度的计算。齿轮泵的轮齿弯曲应力及接触疲劳强度计算与一般齿轮转动的弯曲应力及接触疲劳强度计算是有区别的。8.齿轮泵的变量方法研究。9.齿轮泵的寿命及其影响因素。10.齿轮泵高压化的途径。提高齿轮泵的工作压力是齿轮泵的一个发展方向,而提高工作压力所带来的问题是:（1)轴承寿命大大缩短；（2)泵泄漏加剧,容积效率下降。产生这两个问题的根本原因在于齿轮上作用了不平衡的径向液压力,且工作压力越高,径向液压力越大。目前国内外学者针对以上两个问题所进行的研究是:1.对齿轮泵的径向间隙进行补偿；2.减小齿轮泵的径向液压力,如优化齿轮参数,缩小排液口尺寸等；3.提高轴承承载能力。如用复合材料滑动轴承代替滚针轴承等。但这些方法都没有解决根本问题。齿轮泵径向液压力不平衡问题是齿轮泵结构所固有的,为了从根本上解决这个问题提出了新型齿轮泵平衡式复合齿轮泵。1.4 本课题设计内容及要求本课题是根据已知的齿轮泵的技术参数和外形尺寸进设计和建模。1.4.1 其主要内容是：1.齿轮泵传动方案的确定；2.齿轮泵主要零件的设计计算和强度校核；3.齿轮泵装配图设计和绘制；4.运用三维软件完成齿轮泵主要零件的三维建模。5.结合本课题查阅并翻译5000-8000个印刷符号的英文资料；6.编写1.5-2万字设计说明书。1.4.2 设计要求是：设计一外啮合齿轮泵。根据齿轮泵主要性能参数，再结合机械原理、机械设计、液压传动等相关知识，设计与校核齿轮泵主要零件，完成外啮合齿轮泵装配图与主要零件图，并利用三维软件完成齿轮泵主要零件的三维建模与装配。1.4.3 齿轮泵主要性能参数：额定压力：2.5MPa额定转速：1450rpm额定流量：100l/min2 齿轮泵的设计2.1 齿轮泵概述及工作原理2.1.1 齿轮泵概述作为液压系统中的动力元件,齿轮泵广泛应用于各种场合,在液压传动与控制以及润滑设备中是不可缺少的重要部分。齿轮泵是由泵齿轮、齿轮轴、侧板、泵体、轴承、溢流阀等组成。齿轮泵按压力可分为:低压(0-2.5MPa)、中低压(大于2.5-8.0MPa)及中高压(大于8.0-16.0MPa)齿轮泵;按齿轮啮合形式可分为:内啮合、外啮合齿轮泵;根据齿形可分为:直齿、斜齿、人字齿齿轮泵。在结构上可以做成单级泵、双级泵、双联泵等形式。最常见的是外啮合直齿齿轮泵。与其它类型的泵(如螺杆泵、叶片泵)相比,齿轮泵有十分鲜明的特点。齿轮泵的优点为:1.艺性较好,价格便宜；2.结构简单紧凑,外形尺寸小,重量轻,与同流量的其它类型泵(除螺杆泵外)比较,寿命较长；3.自吸性好,高速或低速运转都可以自吸；4.转速范围较大,一般可以达150Or/min50O0r/min；5.对油中脏物不敏感,不易咬死,能在工作条件差的工程机械中得到应用；6.具有间隙补偿装置的高压齿轮泵,工作压力可达20.0MPa。齿轮泵的缺点为:1.工作齿轮受力不平衡,径向压力大,限制了它提高压力,所以多用在中低压系统；2. 压力和流量有脉动性、噪声大、流量不可改变的缺点。由于这些缺点,齿轮泵适用在精度要求不高的一般工程机械和机床上,也适宜用在压力不高而流量较大的液压传动系统中,同时，在润滑系统也得到广泛地应用。那么，在设计过程中就要注意提到的3个问题了：轴向间隙问题、径向压力不平衡问题、困油现象。2.1.2 齿轮泵的工作原理如图2-1与2-2，当泵的主动齿轮按图示箭头方向旋转时，齿轮泵右侧（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，油箱中的介质在外界大气压的压力作用下，经吸油管路、吸油腔进入齿间。随着齿轮旋转，吸入齿间的介质被带到另一侧，进入压油腔。这时轮齿进入啮合，使密封容积逐渐减小，齿轮间部分的介质被挤出，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，起分配介质的作用。当齿轮泵的主动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。 图2-1齿轮泵工作原理示意图 图2-2齿轮泵工作原理三维图2.2 齿轮泵的设计要求 齿轮泵是依靠泵齿轮相互啮合转动,实现工作腔容积的不断变化,形成吸油和压油腔,使得它能够不间断吸油和排油。齿轮泵这样的工作原理就决定了其性能的高低与泵齿轮参数的关系极大。所以,在满足性能参数的同时合理正确的确定泵齿轮其它参数是设计齿轮泵最重要、最基本的工作。齿轮泵除具有流量、机械效率、流量脉动、工作压力等这些基本特性之外,还存在困油、噪声和气穴现象,这些特性和问题直接影响着齿轮泵的质量,所有的特性都与泵齿轮参数有关。 除了参数的确定以外更是要合理的确定齿轮泵的各项几何参数和不同零件的精度等级，比如齿轮精度为7级，但是其上的形位公差等是要按照5级精度来设计的，因为，齿轮是一个泵体中最主要的零件。此外，还有轴也是同样的道理。另外，零件之间的配合也要慎重，这些是根据各个零件在整个泵中所处的位置和作用所决定的。以上因素还都关系到该泵的经济效益。本次设计要求在满足齿轮泵使用功能的基础上，尽可能降低成本，简化设计，因此，合理选择齿轮泵的各项参数及有关尺寸非常关键。其技术参数见表2-1。根据这些参数可以很好的确定齿轮所需要的模数和齿数的关系，齿轮泵的齿数对它的工作效率影响最大，模数对齿轮的外形尺寸影响又是最大的，所以根据公式2-1算出它们的关系再根据对应的数量关系可以初步确定模数和齿数的具体数值。这样就确定了齿轮的基本参数。再由齿轮的尺寸与外形尺寸就可以确定泵的轴轴系部件以及泵体、泵盖的具体尺寸。再根据这些确定其它部分的一些可调整的尺寸。这整个过程都体现了设计的关联性。表2-1技术参数表型号额定流量（L/min）额定压力（MPa）额定转速（r/min）容积效率（v%）总效率（t%）压力脉动（MPa）噪声值分贝电机功率（kw）重量（kg）CB-B2.52.52.5145070630.2062650.372.4CB-B4480722.8CB-B660.553.2CB-B101090813.5CB-B161667701.15.2CB-B20205.4CB-B25251.55.5CB-B323294856.0CB-B404074772.210.5CB-B505011.0CB-B6363311.8CB-B808078805.117.6CB-B100100958618.7CB-B1251255.519.52.3 齿轮泵齿轮参数确定与校核泵的理论排量为 V=DhB=2Zm2B 由于齿间容积比轮齿的体积稍大且齿数越少其差值越大，故期实际排量可以按下式计算V=6.66Zm2B。这时将其额定流量当做实际流量q=Vnpv=6.66Zm2Bpv=100 （2-1）2.3.1 齿数、模数、齿宽和基本参数1.齿数与模数由中心距公式知a=d1+d2/2=mz1+z2/2=mzz1=z2 （2-2）齿数越多，齿轮泵的外形尺寸越大，但压力和压力脉动越小。中低压齿轮泵和脉动流量要求较严格，通常去Z=12-25,高压泵为了减小外形尺寸一般Z=6-14。对脉动要求不高的粘性液体输送可取Z=6-8。对工作压力大于10MPa的高压泵应该考虑齿轮强度且需要适当增大模数。流量与模数关系见表2-2。表2-2流量模数关系表流量Q(L/min)模数m(mm)4-101.5210-322.5332-633.5462-1254.55由性能参数得CB-B100的模数取m=4.55，又有机械设计齿轮设计部分知模数需要圆整故取m=5.2.齿宽工作压力与齿宽的关系见表2-3表2-3工作压力齿宽表工作压力P(MPa)齿宽b(mm)2(6-10)m2-10(4-8)m10(3-6)m由上表得齿宽选8m=40mm。3.齿轮基本参数由以上的论述知，设计齿轮的基本参数为m=5 B=40 Z1=Z2=13 齿轮的压力角=20，标准渐开线圆柱直齿齿轮。齿轮的基本尺寸：(1)齿厚S 2KJ=xmtan=20.245tan20。=0.4361mm （2-3） S=m/2+2KJ=5/2+20.24tan20。=8.7262mm （2-4）(2)齿顶厚 Sa Sa=0.25-0.40m=0.35=1.5mm （2-5）(3)齿根高hf hf=ha*+c*-xm=1+0.25-0.24=5.0518mm （2-6）(4)齿顶高ha ha=ha*+xm=1+0.245=6.1982mm （2-7）(5)齿根圆半径rf rf=r-hf=32.5-5.05=27.4482mm （2-8）(6)齿顶圆半径ra ra=r+ha=32.5+6.20=38.6982mm （2-9）(7)分度圆直径db db=mz=513=65.0000mm （2-10）2.3.2 齿轮校核计算 齿轮选择45号钢，调质处理，271-327HB。1.齿面接触疲劳强度计算：转矩 T1=9.55106Pn1=33589.6551Nmm （2-11）接触疲劳极限 lim1=600MPa lim2=650MPa初步计算许用切应力 H10.9lim1=0.9600=540MPa （2-12）H20.9lim2=0.9650=585MPa （2-13）圆周速度 v=d1n1601000 =751450(601000)=5.6941m/s （2-14）精度等级 因为5.69416m/s 故齿轮的精度等级为7级。使用系数 KA=1.50 动载荷系数 KV=1.22 齿间载荷分配系数 Ft=2T1d1=233589.655265=1033.5278 （2-15） KAFtb=1.51033.527940=38.7573 N/mm100N/mm （2-16）