基于SOLIDWORKS的齿轮泵设计

目录

1 引言 (1)

2 齿轮泵的设计 (1)

2.1 齿轮泵概述 (1)

2.2齿轮泵设计要求 (1)

2.2.1 齿轮泵工作参数要求 (1)

2.2.2 齿轮几何参数的要求 (3)

2.3 齿轮泵主要部件参数的确定 (4)

2.4 Solidworks建模 (5)

2.4.1 齿轮建模 (5)

2.4.2 箱体建模 (6)

2.4.3 Solidworks建模基本原则 (7)

2.4.4 装配体初步建模与后盖建模 (7)

2.4.5 轴、短轴的建模及后盖和箱体模型的编辑 (8)

2.4.6 键的建模及轴及箱体模型的编辑 (9)

2.4.7 连接件的选择和螺纹生成 (10)

2.4.8 密封件的选择...................................................... 错误！未定义书签。

3 齿轮的校核 (15)

4 齿轮泵的闭死容积和卸荷槽 (18)

4.1 闭死容积 (18)

4.2 卸荷槽 (19)

5 结束语 (20)

6 致谢 (20)

7 参考文献 (20)

1

1 引言

随着信息技术在各领域的迅速渗透，CAD/CAM/CAE 技术已经得到了广泛的应用，从根本上改变了传统的设计、生产、组织模式，对推动现有企业的技术改造、带动整个产业结构的变革、发展新技术、促进经济增长都具有十分重要的作用。

Solidworks 是一套基于Windows 的CAD/CAM/CAE 桌面集成系统，是由美国Solidworks 公司在总结和继承了大型机械CAD 软件的基础上，在Windows 环境下实现的第一个机械三维CAD 软件，于1995年11月研制成功。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。

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。建立运动机构模型，进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等，并用动画、图形、表格等多种形式输出结果，其分析结果可指导修改零件的结构设计或调整零件的材料。设计的更改可以反映到装配模型中，再重新进行分析，一旦确定优化方案，设计更改就可直接反映到装配模型中。此外还可以将零部件在复杂运动情况下的复杂载荷情况直接输出到主流有限元分析软件中以作出正确的强度和结构分析[5]。

2 齿轮泵的设计

2.1 齿轮泵概述

齿轮泵是靠相互啮合旋转的一对齿轮输送液体，分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵。泵工作腔由泵体、泵盖及齿轮的各齿槽构成。由齿的啮合线将泵吸入腔和排出腔分开。随着齿轮的转动，齿间的液体被带至排出腔，液体受压排出。

齿轮泵适用于输送不含固体颗粒的液体，可作润滑油泵、重油泵、液压泵和输液泵。所输送液体的粘度范围为s mm /10126 ,齿轮泵结构简单，维修方便[8] 2.2齿轮泵设计要求 2.2.1 齿轮泵工作参数要求 （1）流量

外啮合齿轮泵在没有泄露损失的情况下，每一转所排出的液体体积叫做泵的理论排量，以q t 表示。外啮合齿轮泵，一般两齿轮的齿数相同，所以

2 ()r ml b t a D b q b

a t /10tan 313123

22222-???

? ??

---=

βπ (1) 式中： b ——齿宽

D a ——齿顶圆直径 a ——齿轮中心距 t a ——基圆节距

β——基圆柱面上的螺旋角

不修正的标准直齿圆柱齿轮的齿轮泵的理论排量：

()r ml z bm q t /10cos 121123222

-???

?

??-+=αππ (2)

式中：m ——齿轮模数 z ——齿轮齿数 а——齿轮压力角 理论流量：

()m i n /10

3

l n q Q T T -?= (3)

式中n ——泵转速，单位 （r/min ） 实际流量：

()

m i n /l Q Q v T η= (4) 式中v η——泵的容积效率，一般取0.750.9，小流量泵取小值。 （2）转速

齿轮泵的转速不宜过高，由于离心力的作用，转速高液体不能充满整个齿间，以至流量减小并引起气蚀，增大噪声和磨损，对高粘性液体的输送影响更大，转速可按表1选取。 （3）效率

a

v P PQ

=

η (5) 表1 流体粘度与齿顶圆线速度

液体粘度()

s mm /2ν

12 45 76 152 300 520 760 线速度()s m u /max

5

4

3.7

3

2.2

1.6

1.25

式中：P ——泵进出口压力差()a mP

Q ——流量()s l /

3

a P ——轴功率()kw

齿轮泵的能量损失主要是机械损失和容积损失，水力损失很小，可忽略不计。容积损失主要式通过齿轮端面与侧板之间的轴向间隙，齿顶与泵体内孔之间的径向间隙和齿侧接触线的泄露损失，其中轴向间隙泄露约占总泄露量的75%―80%。机械效率9.08.0-=m η，大流量泵m η低。 2.2.2 齿轮几何参数的要求

(1) 齿数z 、模数m 和齿宽

齿数多，泵的外形尺寸大，但压力和流量脉动小。中低压齿轮泵对压力和流量脉动要求较严，通常取z=1225，高压泵为减小外形尺寸，一般取z=614，对流量脉动要求不高的粘性液体输送泵可取z=68。

中低压齿轮模数按表2选取。对工作压力大于10mP a 的高压泵，应考虑齿轮强度，需适当增大模数。

齿宽按表3确定。

表2 流量与模数

流量Q ()min /l 模数m ()mm

410

1.52 >1032

2.53 >3263

3.54 >63125

4.55

(4) 齿轮修正

齿轮泵采用压力角 20=α标准渐开线齿轮，齿数少于17时均有根切现象产生，使齿轮强度减弱，工作情况变坏，须作齿轮修正，修正方法与通常的齿轮修正方法略有不同，两齿轮的刀具移距取正值（即离开中心），修正后节圆处的齿侧间隙为0.08m,刀具切入齿轮的深度即齿高h=2.3m(ξ0.5)m ，修正齿轮的主要数据见表4。

表3 工作压力与齿宽

工作压力P ()a mP 齿宽b ()mm

<2 ()106-m

≥210 ()84-m ＞10

()63-m

4

表4 齿轮修正几何参数

几何参数

计算公式

齿数 z

实际中心距 ()1+=z m a

节圆直径 a D j =' 顶圆直径 ()3+=z m D a

根圆直径 ()m z D f 6.22-+=ξ 基圆直径 mz D b 9397.0= 基圆节距 m t b 9521.2=

啮合角 1

9397

.0arccos +='z z

α 移距系数 ()α

ααξtan 204.0--'=inv inv z

重叠系数

()()9521

.2sin 1cos 322α

αε+--+=

z z z z

齿顶厚度

()??

?

??-'++-+=c c inv inv z z m z s ναπ104.023

3

9397.0arccos

+=z z

inv c ν 2.3 齿轮泵主要部件参数的确定

本设计将设计一个直齿圆柱中低压齿轮泵由以上要求，综合考虑现初步确定一对啮合的齿轮齿数z=20,模数m=2.5,齿宽定为b=20,电机转速2000r/min2500r/min ，工作压力P=10a mP 。以上参数可能由于不符合（1）中要求。现回代以验证：

由公式（2），（3），（4）：

())/(915.15/10cos 121123222

r ml r ml z bm q t =???

? ??

-+=-αππ

m i n )

/(8.39min)/(83.31l l Q T -=

5

min)/(84.29min)/(87.2375.0l l Q Q Q T T -=?==υη

流量、排量和模数的关系符合表2的要求。 齿轮分度圆直径

)(502520mm D =?=

由表4可得：齿顶圆直径

)(5.57)3(mm z m D a =+=

故顶圆点的线速度

)/(02.660/22

max s m n D u a

=??=

π 要想通过表1确定max u 是否符合要求，就要先确定液压油的型号。

在液压泵、液压控制阀、液压缸（液压马达）以及油管等连接起来的密封液压系统中，能量的传递是通过液压油在流动过程中压力、流量变化来实现的。国内外的统计资料表明，液压系统的故障70%85%是由于液压油方面的原因引起的。在液压系统中，液压油的主要作用是：作为对系统中的能量进行控制、转换和传递的工作介质。此外，液压油还具有其他一些重要作用：润滑液压元件、减少机器的摩擦和磨损、防锈、传热、冲洗粉末等作用。

一般情况下，液压设备选用液压油时，应从工作压力、温度、工作环境 液压系统及元件的结构和材质、经济性等方面综合考虑。

对于本设计中的液压油的选定：

依据以上确定的工作参数，可以看出比较符合市场上的CBG1016液压泵，只不过CBG1016液压泵的工作压力为16a mP ，高于设计的工作压力，所以选择CBG1016的液压油可以很好满足工作要求。依据手册可以确定液压油的型号：

HM46，推荐黏度20s mm s mm /40/22-，适当减小黏度值可以大致符合表1对于齿顶圆最大线速度的要求。

齿宽的验证可以直接从表中看出符合要求。 2.4 Solidworks 建模 2.4.1 齿轮建模

首先安装Toolboxbrowser 插件。从工具菜单插件中选择Toolboxbrowser 选项，单击确定完成。通过该插件可以方便的进行参数化设计，对于一些标准件或参数标准化的零件无需重复大量的工作。下面用此插件进行齿轮的设计。 打开界面右侧的Toolboxbrowser,首先选择标准，在每个标准里面都有一系列标准件。由于软件版本的实际限制，标准系列里面没有GB ，现选择与GB 相近，且

6 通用性强的ISO 标准。打开此标准,选择传动零件里的齿轮传动，从列表里右键单击直尺圆柱齿轮，选择生成零件，弹出对话框，从此对话框里设定参数便可生成所设计的齿轮。见图1和图2。

图1 齿轮参数化设计界面

图2 齿轮

两次保存齿轮，并分别命名“齿轮_1”、“齿轮_2”。 2.4.2 箱体建模

第二步是箱体的设计，参照齿轮的尺寸，并按照通常齿轮泵箱体的形状设计如下：草图如图所视，然后建立“拉伸”特征，这里用了选择拉伸的方法，选择一定的轮廓进行拉伸，并且在不同的轮廓处选择不同的拉伸高度。

这样可以用一个

7

草图建立不同的拉伸特征组合起来。在后面上绘制草图，并建立拉伸切除特征,深度尺寸为齿轮厚度。 如图3所示。

图3 箱体

2.4.3 Solidworks 建模基本原则

基于三维设计的Solidworks 采用全相关技术，并在设计思路上支持自下而上和自上而下的方式。传统的设计方法往往从零件开始设计，画零件图，然后按尺寸把零件图画入装配体图，若设计零件较多，则尺寸数据太多容易出错。当零件在装配体中不合理时，需要返回更改，工作量很大，且容易有疏漏。基于Solidworks 的设计可以这样进行：

首先大致确定装配体形状和其中的主要关键零件，初步设计出表现装配体形状的基体零件，比如箱体，基座等零件，然后初步设计出关键零件，如本设计中的齿轮。

运用Solidworks 的虚拟装配功能把以上初步设计的零件装配起来。然后在装配体中确定剩余零件的粗略尺寸和数量。

在新建的零件图中作出零件模型，导入装配体中，在装配体中编辑零件尺寸和特征，使各部分配合完善，然后通过干涉检查确认各尺寸的配合是否干涉。 以上操作均可视化,非常直观方便,省去了头脑中建模和图纸中表达这一间接过程，直观准确且不易出错。 2.4.4 装配体初步建模与后盖建模

按照以上思路，新建一个装配体，命名为“齿轮泵装配体”

，把箱体设为固定

零件，然后把齿轮装入装配体。在这之后设计出齿轮泵体的后盖，新建一个零件草图，命名为“后盖”，并保存。建立一个较大的拉伸形成的矩形板并保存。把后盖插入装配体中，并建立平行配合。

在装配体中编辑“后盖”草图，选定箱体相平行面上的轮廓，单击“转换实体引用”按钮即可在草图上绘制和箱体配合的轮廓相同的草图。退出草图，然后从新编辑拉伸的轮廓就可生成需要的形状的轮廓。然后在后盖的另一面绘制草图并拉伸特征，最终完成零件的建模。单击“编辑零件”按钮退出零件编辑，并且注意及时保存，弹出的对话框提示确认装配体中相关联的零件已修改，见图4。

图4 后盖

图4 后盖

这里体现了全相关设计的优点和特征，在设计中任一处关于零件或装配体的修改都将保存在相应的零件或装配体中，无需逐个修改，这保证了准确性和快捷性，省去了反复修改的枯燥和易出现的疏漏[3]。

2.4.5 轴、短轴的建模及后盖和箱体模型的编辑

新建一个零件，并命名为“轴”。其径向尺寸，按参数化设计齿轮时设定的毂直径作为设计参考尺寸。轴向各部分轴向尺寸不必精确，轴插入装配体后，调整其余零件的透明度后观察轴的装配状态，然后在装配体中编辑轴的各部分轴向长度即可。另外切出退刀槽以利于润滑和装配。此轴结构较简单，不用作出轴肩。因为齿轮泵中齿轮与箱体内壁间隙为保证泵能正常吸油和排油，间距值很小，由装配误差来保证，故轴向移动靠箱体内壁即可约束。另外轴的径向力也作用在箱体和后盖上，所以箱体和后盖内壁需在加工时作一些特殊处理，保证硬度、强度和表面粗糙度,必要时加上轴瓦以使与轴接触处有滑动轴承的形式。轴的零件模

8

型见图5。

图5 主动齿轮的轴

轴的尺寸完全确定下来后在装配体中编辑后盖零件，在其中建立基准面，位臵由轴插入后盖的尺寸确定。在此基准面上绘制草图并建立“拉伸—切除”特征切出内孔以容纳轴。同样的做法，根据轴的径向尺寸确定箱体前面凸台上容纳轴的通孔尺寸。效果见图3。

建立一个新的零件，并命名为“短轴”，此轴作为从动齿轮的轴。把其设计为一个没有阶梯的光轴，这是为了加工方便，其直径定为25。拉伸特征的特征类型选为两侧对称，拉伸长度由后盖内孔深度尺寸作为参考。零件模型见图6。

2.4.6 键的建模及轴及箱体模型的编辑

“轴的模型确定之后确定键的选用。此处选择键7

8 GB/T 10962003。

按GB建立键的模型，并分别保存两次分别命名为“键_1”和“键_2”键选定之后在轴上切出键槽，首先确定基准面位臵，然后建立“拉伸—切除”特征，选择“完全贯穿”的切除条件，特征表现在图5和图6中。键的零件模型见图7。

新建一个装配体，命名为“装配体3”，把轴和键装配在一起，此举无建模意义，在于验证：在装配体中可以插入子装配体。

至此，齿轮泵的主要设计部分基本完成，由于箱体是铸件，故需要有铸件方面的要求。模具工具栏提供了常用的模具分析工具。最常用的有“拔模分析”和“拔模”工具。确定中性面后利用“拔模分析”工具确定需要拔模的面，然后利

用“拔模”工具在相应面确定拔模角度。

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