基于虛擬樣機(jī)的液壓齒輪泵設(shè)計(jì)

沙鑫美,潘　銘

（三江學(xué)院,南京 210012）

基于虛擬樣機(jī)的液壓齒輪泵設(shè)計(jì)

沙鑫美,潘銘

（三江學(xué)院,南京 210012）

齒輪泵因其結(jié)構(gòu)簡單、性能良好、價(jià)格低，成為目前應(yīng)用最為廣泛的液壓泵之一。傳統(tǒng)的齒輪泵開發(fā)設(shè)計(jì)需要經(jīng)過圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、樣機(jī)制造、性能測試等繁雜過程，存在研發(fā)周期長、成本高等問題，本文在研究了齒輪泵快速設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提出了一種基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的齒輪泵設(shè)計(jì)方法。

液壓齒輪泵;虛擬樣機(jī);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1　引言

齒輪泵是利用密封在殼體里的一對相互嚙合的齒輪而工作的液壓泵，由于其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、自吸性好、工作可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。隨著市場競爭的日益激烈，齒輪泵設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量對產(chǎn)品的上市時(shí)間和質(zhì)量的影響越來越大，而虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，它可以將不同的開發(fā)模型結(jié)合起來，從外觀、功能等方面模擬真實(shí)產(chǎn)品，因此一種高效的基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的齒輪泵快速設(shè)計(jì)方法應(yīng)運(yùn)而生。本文利用三維設(shè)計(jì)軟件UGNX對液壓齒輪泵的開發(fā)過程進(jìn)行了系統(tǒng)性探索，建立了齒輪泵的虛擬樣機(jī)模型，并在此基礎(chǔ)上對齒輪泵進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

2　虛擬樣機(jī)模型的建立

2.1 齒輪的設(shè)計(jì)

齒輪參數(shù)選定需滿足相應(yīng)的原則：在流量一定的情況下，其體積要小；在工作情況一定的時(shí)候，齒輪的各個(gè)關(guān)鍵部位應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度和剛度；盡量減小軸承所承受的負(fù)載。

齒數(shù)的選擇原則：當(dāng)前可以選擇的齒輪泵的齒數(shù)一般為6-20。對于低壓泵，要求流量均勻，因此低壓齒輪泵的齒數(shù)多取13-20。對于高壓泵，因液體壓力較大，齒根部位需要足夠大的強(qiáng)度。同時(shí)為了減少軸承的受力，齒頂圓直徑不能過大，因此高壓泵齒輪通常較大模數(shù)，齒數(shù)較少，一般齒數(shù)取6-14。

齒寬的選擇原則：齒輪的齒寬和泵的流量成正比，為了增加流量可以相應(yīng)的增加齒寬，但是齒寬和齒輪與泵體及蓋板間的摩擦損失及容積損失的總和并不是成比例的增加，所以，齒寬較大時(shí)液壓泵的總效率較高。但對于高壓齒輪泵，齒寬不宜太大，否則會(huì)使齒輪軸和軸承載荷太大從而導(dǎo)致軸及軸承的設(shè)計(jì)困難。通常高壓齒輪b=（3-6）m，低壓齒輪泵b=（6-10）m。泵的工作壓力越高，上述系數(shù)應(yīng)取得越小。

本設(shè)計(jì)初步選取的齒輪泵齒輪為直齒圓柱齒輪，齒數(shù)z=14，模數(shù)m=2.5，齒寬b=18，如圖1所示。由于齒輪需與主動(dòng)軸鍵聯(lián)接，則齒輪中心開軸孔并銑鍵槽，具體鍵槽尺寸可參照相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，如圖2所示。

圖1　齒輪的建模

圖2　鍵槽的設(shè)計(jì)

2.2 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)

根據(jù)公式計(jì)算傳動(dòng)軸的最小軸徑：

式中，P=4.15kW，n=2000r/min，其中C=97～112，取C=100。

故最小軸徑為12.75mm，考慮鍵槽的影響，取dmin=15mm。

綜合考慮軸各軸段安裝軸承或齒輪的需求，軸的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　主動(dòng)軸

軸段1：此軸段用于安裝滾動(dòng)軸承，選擇深溝球軸承（6203）。軸段L1=18mm，d1=17mm；

軸段2：此軸段用于安裝齒輪，取L2略長于齒輪齒寬，L2=20mm，d2為齒輪軸孔直徑，d2=25mm；

軸段3：此軸段用于安裝滾動(dòng)軸承及過渡至電機(jī)輸入段，選擇深溝球軸承（6203）。軸段L3=60mm，d3=17mm；

軸段4：此軸段為電機(jī)動(dòng)力輸入段，考慮到聯(lián)軸器的長度，設(shè)計(jì)L4=70mm，d4=15mm。

主動(dòng)軸三維模型如圖4所示。

圖4　主動(dòng)軸

2.3 泵體的設(shè)計(jì)

泵體的主要起支撐齒輪的作用，將兩個(gè)齒輪裝在泵體內(nèi)，齒輪兩側(cè)有泵蓋，泵體、泵蓋和齒輪的各個(gè)齒間槽組成了許多密封工作腔。泵體和泵蓋結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。

圖5　泵體

2.4 齒輪泵的虛擬裝配

點(diǎn)擊主菜單中的“裝配”按鈕，選擇“組件”，然后點(diǎn)擊“添加組件”選項(xiàng)，選取裝配零件“齒輪”及“主動(dòng)軸”，點(diǎn)擊主菜單中的“裝配”按鈕，選擇“組件位置”，然后點(diǎn)擊“裝配約束”選項(xiàng)，“類型”選擇“接觸對齊”，“方位”選擇“首選接觸”，單擊齒輪上軸孔內(nèi)表面與相應(yīng)的軸外表面完成約束，單擊齒輪上鍵槽側(cè)面與與相應(yīng)的主動(dòng)軸的鍵槽側(cè)面完成約束；然后“方位”選擇“對齊”，單擊齒輪前端面與軸端完成約束。

同樣的方法可完成齒輪泵的虛擬裝配，裝配過程如圖7-10所示。

圖7　齒輪的裝配

圖8　泵體的裝配

圖9　泵蓋的裝配

圖10　齒輪泵虛擬樣機(jī)

3　運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

虛擬樣機(jī)的裝配是以裝配約束為基礎(chǔ)保持各零件的相對約束關(guān)系而實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)裝配。在真實(shí)的運(yùn)動(dòng)中任意零件之間是否存在因運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的干涉則需要利用UGNX運(yùn)動(dòng)仿真模塊Motion對齒輪泵的虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。通過運(yùn)動(dòng)仿真能看出齒輪泵設(shè)計(jì)是否達(dá)到所需效果。

運(yùn)動(dòng)仿真功能的實(shí)現(xiàn)步驟為：

（1）構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型，并設(shè)置零件的連桿特性（2）設(shè)置運(yùn)動(dòng)副及運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)；（3）設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并提交運(yùn)動(dòng)仿真模型數(shù)據(jù)；（4）輸出運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果并進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的分析。

解算方案及仿真結(jié)果如圖11-12所示。

圖11　解算方案

圖12　齒輪泵虛擬樣機(jī)模擬仿真

4　結(jié)束語

本文利用UGNX的Modeling模塊建立了齒輪泵的虛擬樣機(jī)模型，并利用UGNX的Modeling模塊對其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，代替物理樣機(jī)的制作與實(shí)驗(yàn)，縮短了開發(fā)周期、降低成本、提交效率的同時(shí)也降低了人力資源的投入。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.005