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关键词：
齿轮泵齿轮轴机械传动
1齿轮泵的设计
1.1齿轮泵的概述
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。
齿轮泵主要是靠一对相互啮合的齿轮进行吸压有的，当两齿轮相继脱开啮合时，使密封容积增大，形成局部真空，油箱中的油在大气压的作用下进入吸油腔，从而实现吸油。
当两齿轮进入啮合时，使密封容积减小，油液被挤出，通过压油口压油，实现了压油。
齿轮泵具有结构简单，制造方便，体积小，重量轻，转速高，自吸性能好，对油的污染不敏感，工作可靠，寿命长，便于维护修理以及价格低廉等优点
图1.1油泵工作原理图
1.2齿轮泵设计要求
1.2.1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，每一转排出的液体体积叫做泵的理论排量，以V表示。
外啮合齿轮泵，一般两齿轮的齿数相同，所以
V=πdhb=2πzm2b（式1.1）
式中：
b---齿宽
h----有效齿高，h=2m
d----分度圆直径，d=mz
m----齿轮模数
z----齿轮齿数
实际齿槽容积比轮齿体积稍大一些，所以通常取
V=6.66zm2b（式1.2）
m---齿轮模数
b----齿宽
理论流量：
QT=Vn×
10-3（l/min）（式1.3）
式中n-----泵转速，单位（r/min）
实际流量：
Q=QTηv（l/min）（式1.4）
式中ηv--------泵的容积效率，一般取0.75—0.9,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1.1选取。
（3）效率
ηv=PQ/Pa（式1.5）
表1.1流体粘度与齿顶圆线速度
液体粘度v（mm2/s）
124576152300520760
线速度umax（m/s）
543.732.21.61.25
P----泵进出口压力差（mPa）
Q----流量（l/s）
Pa----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。
容积损失主要是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的75％-80％。
机械效率ηm=0.8-0.9,大流量泵ηm低。
1.2.2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=12-25，高压泵为减小外形尺寸，一般取z=6-14，对流量脉动要求不高的粘性液体输送泵可取z=6-8。
中低压齿轮模数按表1.2选取。
对工作压力大于10mpa的高压泵，应考虑齿轮强度，需适当增大模数。
齿宽按表1.3确定。
表1.2流量与模数
流量Q（l/min）
模数m（mm）
4-10
1.52
＞10-32
2.53
＞32-63
3.54
＞63-125
4.55
表1.3工作压力与齿宽
工作压力p（mPa）
齿宽b（mm）
＜2
（6-10）m
＞2-10
（4-8）m
＞10
（3-6）m
1．3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=14,模数m=2.5,齿宽定为b=20,电机转速1500r/min-2000r/min,工作压力P=10mpa。
现回代以验证：
由公式（1.1），（1.2），（1.3），（1.4）：
V=6.66zm2b=6.66×
14×
2.52×
20×
10-3=11.655（ml/r）
QT=Vn×
10-3=11.655×
（1500-2000）×
10-3
=［17.5—23.3］（l/min）
Q=QTηv=（17.5—23.3）×
0.75=（13.125-17.475）（l/min）
流量、排量和模数的关系符合表1.2的要求。
齿轮分度圆直径：
D=mz=14×
2.5=35（mm）
齿轮齿顶圆直径：
Da=m（z+2）=2.5×
16=40（mm）
顶圆点的线速度
Umax=
×
2π×
n/60=4.19（m/s）
要想通过表1.1确定Umax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、转热、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。
表1.4齿轮泵用油的粘度范围及推荐牌号
名称
运动粘度/（mm2/s）
工作压力/MPa
工作温度
/。
C
推荐用油
允许
最佳
齿轮泵
4-220
25-54
＜12.5
5-40
L-HL32,L-HL46
40-80
L-HL46,
L-HL68
10-20
L-HM46,
L-HM68
对于这次设计中的液压油的选定：
依据以上确定的工作参数，及表1.4可以得出，选用L-HL32的液压油。
对于齿宽的验证：
由表1.3可知，所选的齿宽符合要求。
1.4AutoCAD作图设计
作为以CAD技术为内核的辅助设计软件，AutoCAD具备了CAD技术能够实现的基本功能。
作为一个通用的工种设计平台，AutoCAD还拥有强大的人机交互能力和简便的操作方法，十分方便广大普通用户，下面介绍一下AutoCAD的主要功能。
具有强大的图形绘制功能：
AutoCAD提供了创建直线、圆、圆弧、曲线、文本和尺寸标注等多种图形对象的功能。
精确定位定形功能：
AutoCAD提供了坐标输入、对象捕捉、栅格捕捉、追踪等功能，利用这些功能可以精确地为图形对象定位和定形。
具有方便的图形编辑功能：
AutoCAD提供了复制、旋转、阵列、修剪、缩放、偏移等方便使用的编辑工具，大大提高了绘图效率。
图形输出功能：
图形输出包括屏幕显示和打印出图，AutoCAD提供了方便的缩放和平移等屏幕显示工具，模型空间、图纸空间、布局、发布和打印等功能极大地丰富了出图选择。
三维造型功能：
AutoCAD具备三维模型、布尔运算、三维编辑等功能。
辅助设计功能：
可以查询绘制好的图形的长度、面积、体积和力学性能等；
提供多种软件的接口，可方便地将设计数据和图形在多个软件中共享，进一步发挥各软件的特点和优势。
允许用户进行二次开发：
AutoCAD自带的AutoLISP语言让用户自行定义新命令和开发新功能。
通过DXF、IGES等图形数据接口，可以实现AutoCAD和其他系统的集成。
此外，AutoCAD支持ObjectARX、ActiveX、VBA等技术，提供了其他高级编辑语言的接口，具有很强的开发性。
1.4.1齿轮泵装配示意图
装配示意图是用来表示部件中各零件的相互位置和装配关系，是部件拆卸后重新装配和画装配图的依据，图1.2所示为齿轮油泵的装配示意图。
图1.2齿轮泵装配示意图
1.4.2泵盖零件图
零件图是设计部门提交给生产部门的主要技术文件。
它不仅反映了设计者的意图，而且表达了零件的各种技术要求，如尺寸精度、表面粗糙度等。
工艺部门要根据零件图进行毛培制造，工艺规程、工艺装备等设计，所以零件图是制造和检验零件的重要依据。
一张完整的零件图应包括以下内容:
1．一组视图
2．完整的尺寸
3．技术要求
4．标题栏
下面就是齿轮泵所有非标准零件的零件图：
图1.3泵盖零件图
1.4.3泵体零件图
图1.4泵体零件图
1.4.4轴零件图
图1.5轴零件图
1.4.5齿轮零件图
图1.6齿轮零件图
1.4.6压紧螺母零件图
图1.7压紧螺母零件图
1.4.7齿轮泵整体装配图
装配图时表达机器或部件的图样。
通常用来表达机器或部件的工作原理以及零、部件间的装配、连接关系，是机械设计和生产中的重要技术文件之一。
在产品设计中，一般先根据产品的工作原理图画出装配草图，有装配草图整理成装配图，然后再根据装配图进行零件设计并画出零件图；
在产品制造中，装配图是制订装配工艺过程，进行装配和检验的技术依据；
在机器使用和维修时，也需要通过装配图来了解机器的工作原理和构造。
一张完整的装配图必须具有下列内容：
2．必要的尺寸
4．零件的序号、明细栏和标题栏
图1.8齿轮泵装配图
2齿轮的校核
设齿轮泵功率为Pw，流量为Q,工作压力为P，则
Pw′=P×
106×
Q×
10-3/60=3.33（kw）
由齿轮泵的工作形式可知其中的流场大致是对称的，主动齿轮和从动齿轮所在流场流动情况大致相同，而流体所获得的能量是由齿轮提供的，这就是说两个齿轮大致提供了相同的能量给流体，两齿轮的能量又最终由电机提供。
故，每个齿轮功率为
Pw=
Pw′=1.67（kw）
现考虑一个齿轮的受力情况，转矩
T=
=8.0（N.m）
切向力：
Ft=
=457（N）
手册中齿轮校核方法主要是校核其强度条件，见表2.1
表2.1强度条件
强度条件
σH≤［σH］或σF≤［σF］
计算接触强度σH（MPa）
σH=668
许用接触应力［σH］
［σH］=
表2.2使用系数
原动机工作特性
载荷系数
均匀、轻微冲击
1—1.2
中等冲击
1.2—1.6
大的冲击
1.6—1.8
表2.3安全系数SH和SF
安全系数
软齿面（≤350HBS）
硬齿面（＞350HBS）
重要的传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮
SH
1.0—1.1
1.1—1.2
1.3
SF
1.3—1.4
1.4—1.6
1.6—2.2
下面确定几个参数。
使用系数K表示齿轮的工作环境（主要是振动情况）对其造成的影响，使用系数K的确定：
液压装置一般属于轻微震动的机械系统所以按上表中可查得K可取为1.35。
齿轮精度选为6—9较为合理，此处取8。
对接触疲劳强度计算，由于点蚀破坏发生后只引起噪声、震动增大，即导致不能继续工作的后果，故可取疲劳强度安全系数SH=1。
寿命系数：
KN=60njLh≈2.5×
109
其中，n---齿轮转速
j---齿轮每转一圈时，同一齿面啮合的次数。
Lh---齿轮的工作寿命，此处定为2080h。
根据所选齿轮材料（45钢调质,硬度为210—250HBS）查表可得
σHlim=560MPa
由以上数据可得
［σH］=
=
MPa=549MPa
σH=668
=539MPa
带入校核公式中得
σH=539MPa≤［σH］
所以，按齿面接触疲劳强度校核，所选齿轮参数符合要求。
按齿根弯曲疲劳强度校核亦符合。
到此，齿轮泵关键零件齿轮的校核已完成。
轴和连接件的校核省略，因为所选零件在装配体中尺寸都较盈余，能很宽裕地符合力学要求。
3轴及轴上零件的设计
（1）选择轴的材料，确定许用应力
由已知条件知齿轮泵传递的功率属中小功率，对材料无特殊要求，故选用45钢并经调质处理由表3.1查得强度极限σB=650MPa再由表3.2得许用弯曲应力σb=60MPa
表3.1轴的常用材料及部分力学性能
材料牌号
热处理方法
抗拉强度极限σB/MPa
Q235A
440
Q275
520
35
正火
45
600
调质
650
45Cr
750
表3.2轴的许用弯曲应力
材料
σB
σb
碳素钢
400
500
700
40
55
65
合金钢
800
900
1000
75
80
90
铸钢
30
（2）按扭转强度估算轴径
根据表3.3得C=107-118，得
d≥C
=（107-118）
mm=9.5-10.5mm
考虑到轴的最小直径处要安装联轴器，会有键槽存在，故将估算直径加大3%-5%，取为9.785-10.815mm。
有设计手册取标准直径d=10mm
表3.3常用材料的［τ］和C值
轴的材料
Q235A,20
40Cr,35SiMn
［τ］/MPa
12-20
20-30
30-40
40-52
135-160
118-135
107-118
98-107
（3）设计轴的结构
1）确定轴上零件的位置和固定方式要确定轴的结构形状，必须先确定轴上零件的装配顺序和固定方式。
齿轮从轴的右端装入，齿轮的左端有轴肩定位，右端有套筒固定。
这样齿轮在轴上的轴向位置被完全确定。
齿轮的轴向固定采用圆柱销。
2）确定各轴段的直径最小段10mm考虑到要对最小轴端上的联轴器进行定位，第二个轴段上应有轴肩
3）确定各轴段上的长度齿轮轮毂宽度为16mm，为保证齿轮固定可靠，轴段二的长度应略短于齿轮轮毂宽度，但是轴要和孔配合，同时齿轮有圆柱销固定，所以轴段二长取76mm,轴总长为166mm,又因轴段一上加工键槽，按轴段直径差手册得到，键槽3X8.2
3）选定轴的结构细节，如圆角、倒角等的尺寸。
4齿轮泵的闭死容积和卸荷槽
4.1闭死容积
为保证齿轮泵能连续输液，必须使齿轮的重叠系数ε＞1,即要求在一对齿啮合行将脱开前，后面一对就进入啮合，因此在一段时间内同时啮合的就有两对齿，留在齿间的液体被困在两对啮合齿后形成一个封闭容积（称闭死容积）内，当齿轮继续转动时，闭死容积逐渐减小，直至两啮合点处于对称于节点P的位置时，闭死容积变至最小，随后这一容积又逐渐增大，至第一对齿开时增至最大。
当闭死容积由大变小时，被困在里面的液体受到挤压，压力急剧升高，远大于泵排出压力，可超过10倍以上的程度。
于是被困液体从一切可以泄露的缝隙里强行排出，这时齿轮和轴承受到很大的脉冲径向力，功率损失增大，当闭死容积由小变大时，剩余的被困液体压力降低，里面形成局部真空，使溶解在液体中的气体析出，液体本身产生气化，泵随之产生噪声和振动，困油现象对齿轮的工作性能和寿命均造成很大的危害。
4.2卸荷槽
为消除困油现象，可在与齿轮端面接触的两侧板上开两个用来引出困液的沟槽，即卸荷槽。
卸荷槽有相对于节点P对称布置和非对称布置两种。
它的位置应保证困液空间在容积达到最小位置以前与排出腔相连，过了最小位置后与吸引腔相连通。
（1）对称布置卸荷槽尺寸，卸荷槽间距
Y=π
cosa（mm）
此设计卸荷槽采用对称布置。
当a=20°
，中心距为标准值时：
Y=7.38（mm）
Y′=
=3.69（mm）
e=3.925（mm）
卸荷槽最小宽度：
Cmin=επmcos
（mm）
式中ε---齿轮重叠系数，此处取一般机械制造业中的值1.4。
对标准齿轮，卸荷槽深度见表4.1
表4.1卸荷槽深度
齿轮模数m
2
3
4
5
6
7
8
卸荷槽深度h′
1.0
1.5
2.5
4.0
5.5
7.5
10
用插值法取卸荷槽深度值为1.25mm。
（2）非对称布置卸荷槽尺寸
齿侧间隙很小（接近无齿侧间隙）时，采用非对称布置卸荷槽，其位置向吸入腔一方偏移一段距离，这样不仅可以解决困液问题，还可以回收一部分高压液体。
非对称布置的卸荷槽尺寸，除了y=0.8m外，其他尺寸的计算公式与对称布置相同。
致谢
经过几周的努力和学习，现在毕业设计终于完成了！
在这几周的时间里，我的辅导老师和同学们给了我很大的帮助，使我对设计有关的知识有了深入的了解。
在设计的过程中我遇到了很多困难，并且常常有不知所措的感觉，因为涉及很多专业知识，单凭自己的直观理解和做法常常会出错犯下不合实际的荒唐错误。
而这种想法也往往会束缚设计人员的思维，因此机械设计确实是一项考验人的工作。
XX老师给我提出了很多非常宝贵的建议，让我受益匪浅，也改变了我以前对机械设计的浅薄认识。
在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生生活的机电工程系全体老师和同门，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!
最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!
参考文献
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