直线共轭内啮合齿轮泵载荷分析和强度研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 862.42KB 61 页 15积分

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摘要

直线共轭内啮合齿轮泵是一种低噪音长寿命高性能的齿轮泵在众多的

工业领域中得到了应用但是由于某些商业上的原因针对这种齿轮泵公开发表

的研究资料较少国内对直线共轭内啮合齿轮泵的研究滞后于应用因此有必要

弥补这方面的不足

本文从使用中出现的齿圈断裂的现象出发分析了小齿轮和齿圈的受力状况

发现承载油膜作用方式是对强度有影响的但在以往研究中被忽视的因素为了

确定这种影响的大小作者改进了现有的分析方法并借鉴了滑动轴承领域的研究

成果以此为基础上进行了一系列的计算包括齿廓曲线的生成啮合力的计算

轴承载荷的计算承载油膜力分布的计算并以 NBXD5 型泵为例根据计算结果

使用 ANSYS 进行了有限元分析分析结果支持了作者的预判由承载油膜作用

特点决定的轮齿根部受拉是导致齿圈损坏的主要原因

本文中啮合力和轴承载荷的计算采用了矢量运算它更适于处理复杂的齿廓

曲线并且公式简洁这得益于对数学软件 MATLAB 和Mathematica 的应用对

于油膜力本文采用了动载滑动轴承的计算方法计算了起承载作用的油膜力分

布在一系列假设的基础上本文利用 ANSYS 进行了结构静力分析

本文的工作既是对以往研究的一个总结又指出了影响内啮合齿轮强度问题

的一个关键因素因而对于设计和制造工作具有一定价值

关键词直线共轭内啮合齿轮泵承载油膜有限元

齿轮强度

ABSTRACT

Straight conjugate internal gear pump, a new type of pump quiet, long life and with

high performance, is used in the diversified industry. However, as some commercial

reason, technical information about this pump has rarely been published. In China, the

research of straight conjugate internal gear pump is far behind the application. So it is

necessary to make up the lag in this field.

Based on some fatigue phenomena, a load analysis is carried on gears. Oil

distribution is deduced as an important factor to strength. But this has been neglected in

research before. To evaluate the influence of this factor, a series of calculations are

carried, including forming of the curve, meshing force, bearing load and the oil

distribution. Based on these data, a finite element analysis is done on type of NBXD5

with ANSYS. The result supports author’s estimate that the character of oil pressure

distribution is the main factor should be blamed for gear’s fatigue.

In this paper, the calculation of meshing force and bearing load are based on vector

algebra. It is suitable to calculate complex curve. Mathematic software, such as

MATLAB and Mathematica, are used in these calculations. The method of dynamic

journal bearing is used in calculating the oil pressure distribution. ANSYS is used in

finite element analysis.

This paper summarizes the research in the past and find important factor for gear

strength, so that has some value for design and manufacture.

Key Word Straight Conjugate, Internal Gear Pump, Bearing Film,

Finite Element, Gear Strength,

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论…………………………………………………………………………...1

1.1 引言 ..................................................................................................................... 1

1.2 直线共轭内啮合齿轮泵的产生及特点 ............................................................. 1

1.3 国内生产使用情况及研究意义 ......................................................................... 2

1.4 相关领域的现状 ................................................................................................. 3

1.4.1 关于齿轮强度的研究 ......................................................................................... 3

1.4.2 关于齿轮泵及直线共轭内啮合齿轮泵的研究 ................................................. 4

1.4.3 关于滑动轴承油膜力的研究 ............................................................................. 5

1.4.4 关于计算机仿真技术的应用 ............................................................................. 5

1.5 本论文的问题引出与写作结构 ......................................................................... 5

1.6 本文的计算方法和软件 ..................................................................................... 6

1.6.1 有限元法的概述及在本文中的应用 ................................................................. 6

1.6.2 商用 CAE 软件的发展及 ANSYS 简介 ........................................................... 7

1.6.3 MATLAB 简介.................................................................................................... 9

1.6.4 Mathematica 简介 ............................................................................................. 10

1.7 附加说明 ........................................................................................................... 10

第二章直线共轭内啮合齿轮齿廓曲线的生成…………………………………….11

2.1 直线共轭内啮合齿轮泵的基本结构和工作原理 ............................................11

2.2 齿廓与坐标系 ................................................................................................... 12

2.2.1 坐标系与坐标变换 ........................................................................................... 12

2.2.2 小齿轮的齿廓 ................................................................................................... 13

2.2.3 齿圈齿廓 ........................................................................................................... 13

2.3 计算实例 ........................................................................................................... 15

2.3.1 啮合起点 ........................................................................................................... 15

2.3.2 啮合终点 ........................................................................................................... 15

2.3.3 数据及结果 ....................................................................................................... 16

2.4 本章小结 ........................................................................................................... 16

第三章啮合力与轴承载荷的计算………………………………………………….17

3.1 基本假设 ........................................................................................................... 18

3.2 受力分析 ........................................................................................................... 18

3.3 啮合力的计算 ................................................................................................... 19

3.3.1 啮合力 ............................................................................................................... 19

3.3.2 负载力矩 ........................................................................................................... 21

3.3.3 实例计算 ........................................................................................................... 22

3.3.4 对计算结果的解释 ........................................................................................... 23

3.4 轴承载荷的计算 ............................................................................................... 23

3.4.1 问题概述 ........................................................................................................... 23

3.4.2 排油腔内的油压力计算的简化 ....................................................................... 23

3.4.3 起始角与终止角 ............................................................................................... 24

3.4.4 啮合力的处理 ................................................................................................... 25

3.4.4 轴承载荷 ........................................................................................................... 25

3.4.5 对计算结果的解释 ........................................................................................... 26

3.5 本章小结 ........................................................................................................... 27

第四章动载荷下油膜力分布的计算……………………………………………….28

4.1 引言 ................................................................................................................... 28

4.2 动载润滑油膜的承载机理 ............................................................................... 28

4.3 动载荷下油膜润滑分析 ................................................................................... 28

4.3.1 径向滑动轴承的坐标系和参数关系 ............................................................... 28

4.3.2 动载荷下雷诺润滑方程 ................................................................................... 29

4.4 楔形效应和挤压效应联合作下的轴承特性 ................................................... 30

4.5 无限窄轴颈轴承特性 ....................................................................................... 31

4.5.1 边界条件 ........................................................................................................... 32

4.6 油膜力分布函数中待定参数的确定 ............................................................... 32

4.7 按照无限窄轴颈轴承计算的实例 ................................................................... 34

4.7.1 计算步骤 ........................................................................................................... 34

4.7.2 待定参数计算结果 ........................................................................................... 34

4.7.3 油膜力分布 ....................................................................................................... 35

4.7.4 对计算结果的解释 ........................................................................................... 36

4.8 无限宽轴颈轴承特性 ....................................................................................... 36

4.8.1 简化边界条件下的压力分布 ........................................................................... 36

4.8.2 简化边界条件下的承载能力 ........................................................................... 37

4.9 按照无限宽轴颈轴承计算的实例 ................................................................... 37

4.9.1 待定参数计算结果 ........................................................................................... 37

4.9.2 油膜力分布 ....................................................................................................... 38

4.9.3 对计算结果的分析 ........................................................................................... 38

4.10 本章小结 ......................................................................................................... 39

第五章基于 ANSYS 的有限元强度分析………………………………….……….40

5.1 引言 ................................................................................................................... 40

5.2 有限元结构静力分析 ....................................................................................... 40

5.2.1 平面应力问题 ................................................................................................... 40

5.2.2 本例的特点 ....................................................................................................... 41

5.3 对NBXD5 的实例分析.................................................................................... 43

5.3.1 对结果的解释 ................................................................................................... 43

5.3.2 对齿圈间隙的修正 ........................................................................................... 44

5.3.3 修正后的强度分析 ........................................................................................... 45

5.3.4 小齿轮的强度分析 ........................................................................................... 47

5.4 结论 ................................................................................................................... 47

第六章尚存问题与补充讨论……………………………………………………….48

6.1 关于使用宽窄轴承方法的讨论 ................................................................... 48

6.1.1 使用平均本征值法的有限宽轴颈轴承方法 ................................................... 48

6.1.2 流量的计算及其对承载能力的影响 ............................................................... 51

6.2 关于齿圈弹性变形的影响 ............................................................................... 51

6.3 关于摩擦力和温升效应的影响 ....................................................................... 52

第七章本文工作的总结…………………………………………………………….53

参考文献……………………………………………………………………………….54

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果…………………………….57

致谢…………………………………………………………………………………….58

III

第一章绪论

1.1 引言

随着液压技术应用领域的拓展高压高效率低噪音长寿命成为液压设

备的发展方向并且由于人们对环境和人的关注程度的提高液压设备的噪音和

污染指标受到了格外的重视[1] 齿轮泵作为液压设备中使用最广泛的动力源自然受

到这种发展趋势的影响直线共轭内啮合齿轮泵正是在这种背景下出现的一种高

性能的齿轮泵

1.2 直线共轭内啮合齿轮泵的产生及特点

直线共轭内啮合齿轮泵由瑞士 Truninger 公司发明并取得专利现该部门以转

售给德国 Bucher 公司有瑞士德国美国的一些公司生产

图1显示了瑞士 Truninger 公司的 QT 单级泵的结构1

−其小齿轮齿廓为直线

内齿圈齿廓为直线共轭曲线齿数比 13:17 内外转子间用固定月牙块隔开间隙

无补偿整个泵由很少几个零件构成结构简单

图1 QT 单级泵 1

−

单级泵承受压力 12.5MPa 由于采用了特殊的齿形噪音等级较低即使压力

增高时噪音也几乎没变化近乎恒定并且当电机转速加大时噪音无变化

另外其幅值较大的噪声分布在低频区故取名为静音 Quiet 泵使用液压油

的黏度范围在 20 30mm2/s 工作温度之间时 QT 泵都能正常工作对特殊工

作油如 HFB 油包水乳化液 HFC 水乙二醇液压油 HFD 磷酸酯水合成液

的使用均无限制其中 HFC 为难燃型液压油润滑性差用于一般液压泵时要降

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