CN109372743A - 一种轻量化齿轮泵单位模数下的临界啮合齿轮副 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻量化齿轮泵单位模数下的临界啮合齿轮副，包括单位模数下一对同齿形参数的主、从动渐开线齿轮，其齿顶点的啮合位置为理论啮合线上的临界点，将齿轮泵轻量化现有的形状参数和尺寸参数的混合并行设计方法，改变为基于泵用齿轮副临界啮合和形状系数的灵敏度分析所确定出的齿数，齿顶高系数和顶隙系数的形状参数及计算出所对应的形状系数，由不引起气蚀的齿顶最大圆周速度所确定的模数上限及其标准化，确定出单一所需的最大模数，并最终确定出齿轮副的包括齿宽在内的实际尺寸的串行设计方法，且模数取其允许的最大值，利于提高齿轮的强度、刚度性能和降低占该泵总泄漏85%左右的轴向泄漏，可高质、高效地实现齿轮泵的轻量化设计要求。

Description

一种轻量化齿轮泵单位模数下的临界啮合齿轮副

技术领域

本发明涉及一种外啮合齿轮泵用齿轮副，尤其涉及到具有临界啮合位置的泵用单位模数齿轮副。

背景技术：

外啮合齿轮泵(简称为齿轮泵)是一种泵送工作介质的动力元件，因其结构简单、性能优良，应用非常广泛，目前在航天器的水处理、热控等系统中也得到运用。一对同参数的主、从齿轮是该泵的核心部件，其齿形参数的确定，直接影响着泵的性能、噪声和寿命等。其中，渐开线齿形应用最为普遍，国内外就这对同参数的泵用齿轮副，依据不同的应用场合，通过以轻量化、流量脉动、容积效率等为单(多)目标，展开了大量的(优化)设计。其中，轻量化为其最基本的(优化)设计，设计结果最终直接或间接地实现了齿轮副具有最佳的四大基本参数，即模数、齿数、变位系数和齿顶高系数。在这四大基本参数中，齿数、变位系数和齿顶高系数决定了齿轮副的形状参数，模数则决定了齿轮副的尺寸大小。优化设计技术对于一般工程技术人员，目前尚难于理解和接受。

为此，提出一款具有临界啮合的泵用单位模数齿轮副，设计者后续只需要依据由不引起气蚀的齿顶最大圆周速度所确定的模数上限及其国标所规定的模数标准化，确定出单一所需的最大模数，并最终确定齿轮副的包括齿宽的实际尺寸，即可高质、高效地实现泵轻量化的设计要求。注：模数之所以取其允许的最大值，在于模数越大，齿轮的强度、刚度性能越高，占该泵总泄漏85%左右的轴向泄漏越小。

发明内容

本发明针对背景技术中的问题，提出一种具有临界啮合的单位模数齿轮副，其目的在于：使齿轮泵后期的轻量化设计等价于单一最大模数的选择，过程更简单，效率更高，结果更好，且易于一般工程技术人员所接受。

为实现上述目的，本发明技术解决方案如下：

一种轻量化齿轮泵单位模数下的临界啮合齿轮副，包括单位模数下一对同齿形参数的主、从动渐开线齿轮，其齿顶点的啮合位置为理论啮合线上的临界点，所述齿轮副形状参数确定方法为：

步骤一、由齿轮泵的理论排量公式，得出齿轮泵的前期轻量化设计等价于齿轮形状系数的最大化；

步骤二、由齿顶点能在临界点啮合时齿轮的形状系数最大，建立该最大的形状系数与啮合角间的关系；

步骤三、由约束参量的灵敏度分析结果，优选出轻量化齿轮泵单位模数下的齿轮副形状参数并计算出相应的形状系数；

步骤四、由不引起气蚀的齿顶最大圆周速度所确定的模数上限及其标准化，确定出单一所需的最大模数，并最终确定出齿轮副的包括齿宽在内的实际尺寸。

作为本发明进一步方案，所述步骤一齿轮泵的理论排量公式为：

式中，q _e 为泵的理论排量，V _e 为齿轮副双倍的节圆柱体积；V _q 为泵的单位排量体积；λ为齿轮的形状系数，等于顶圆与节圆的半径比，λ直接决定了泵单位排量体积V _q (λ)的大小，泵轻量化等价于λ最大化。

作为本发明进一步方案，所述步骤二最大形状系数与啮合角间的关系为：

式中，为节圆上的压力角，即啮合角，λ最大化的关键在于的确定。

作为本发明进一步方案，所述步骤三约束参量主要包括由容积效率对径向泄漏所限定的齿顶角最小值，由泵平稳要求所必须的重合度下限ε _min，以及顶隙系数c和分度圆压力角的优选。

作为本发明优选方案，所述齿轮副形状参数为齿数6，变位系数0.321或啮合角，分度圆压力角为标准压力角，齿顶高系数1.118和顶隙系数c=0.15；所对应的形状系数1.323，重合度1.104，齿顶角和单位模数的无量纲节圆半径3.256。

作为本发明进一步方案，所述步骤四单一所需的最大模数的确定公式为：由

得

式中，v _max为齿顶允许的最大圆周速度，为工作介质的黏度所确定；n _e 为泵的额定转速，r _a 为顶圆半径， m为模数；SD( )表示模数取值的标准化。

相对于现有技术，本发明有益效果如下：

本发明将齿轮泵轻量化现有的形状参数和尺寸参数的混合并行设计方法，改变为基于泵用齿轮副临界啮合和形状系数的灵敏度分析所确定出的齿数6，，，齿顶高系数1.118和顶隙系数0.15的形状参数，及计算出所对应的形状系数1.323；再由不引起气蚀的齿顶最大圆周速度所确定的模数上限及其标准化，确定出单一所需的最大模数，并最终确定出齿轮副的包括齿宽在内的实际尺寸的串行设计方法，且模数取其允许的最大值，利于提高齿轮的强度、刚度性能和降低占该泵总泄漏85%左右的轴向泄漏。现有并行设计方法采用了优化设计技术，并不能被广大一般工程技术人员所理解与采用；而串行设计方法因借助于本发明所给出的形状参数及其计算出的形状系数，即可高质、高效地实现齿轮泵的轻量化设计要求，这种常规的算术运算易被广大一般工程技术人员所理解与采用。

附图说明

图1为本发明渐开线齿轮副及临界啮合示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1所示，本发明的一种轻量化齿轮泵单位模数下的临界啮合齿轮副，包括单位模数下一对同齿形参数的主、从动渐开线齿轮，其齿顶点的啮合位置为啮合线上的端点即临界点。

首先，由齿轮泵的理论排量公式，得

式中，q _e 为泵的理论排量，V _e 为齿轮副双倍的节圆柱体积；V _q 为泵的单位排量体积；λ为齿轮的形状系数，等于顶圆与节圆的半径比。

由式(1)知，λ直接决定了泵单位排量体积V _q (λ)的大小，泵轻量化等价于λ最大化。

其次，在图1中，由渐开线齿轮副传动的平稳性要求，当主动轮o ₁上的渐开线齿廓起点(即齿顶点)和从动轮o ₂上的渐开线齿廓终点(即根切点)，能在啮合线端点即临界点处啮合时，λ取得最大值，这表明根点必须位于基圆上，即在齿轮同一条渐开线轮廓上，顶点和根点间存在着关于节圆的互为共轭的几何关系，而不允许发生所谓根切现象。由此得

式中，为节圆上的压力角，即啮合角。

其次，由式(2)知λ最大化的关键在于啮合角的确定。但由于泵的轻量化设计过程势必受到来自于齿形要求、传动要求、加工要求等方面的约束，这些约束主要包括由容积效率对径向泄漏所限定的齿顶角最小值，由齿轮副传动的平稳性要求所必须的重合度下限ε _min，以及顶隙系数c和分度圆压力角的优选。它们对和其它由计算出的间接参量的影响，如表1所示。其中，z()为齿数，x()为变位系数，h()为齿顶高系数，ε()重合度，r _m ()为单位模数下的无量纲节圆半径。由表1知，和c对λ无影响，对V _q 影响甚微，这为齿轮与齿刀恒取20º的标准分度圆压力角，提供依据。

最后，优选表2所示的这组参数为单位模数齿轮副的最佳参数。

即齿轮副形状参数为齿数6，变位系数0.321或啮合角30.023º，标准压力角20º，齿顶高系数1.118和顶隙系数0.15；所对应的形状系数1.323，重合度1.104，顶角2º和单位模数的无量纲节圆半径3.256。

最佳的齿形参数一旦确定，其相应的节圆半径直接取决于模数的大小。模数的确定主要受限于不引起气蚀的由齿顶最大圆周速度所确定的模数上限及其国标所规定的模数标准化。

为此，由

得

式中，v _max为齿顶允许的最大圆周速度，m/s，为工作介质的黏度所确定；n _e 为泵的额定转速，r/min，r _a 为顶圆半径，mm，m为模数；SD( )表示模数取值的标准化。且模数取其允许的最大值，利于提高齿轮的强度、刚度性能和降低占该泵总泄漏85%左右的轴向泄漏。

例，取泵的额定流量为，额定转速为n _e =1750 r/min，=20º，=2º，v _max=4.2 m/s。则，由表2所推荐的齿形参数，得λ=1.323，r _m =3.256，V _q =1.508。则由

得齿宽

式中，r _n 为节圆半径，mm，b为齿轮的宽度，mm。

应当注意的是，本发明采用的实施例，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施，但凡未脱离本发明方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施内容所做的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种轻量化齿轮泵单位模数下的临界啮合齿轮副，其特征在于：包括单位模数下一对同齿形参数的主、从动渐开线齿轮，其齿顶点的啮合位置为理论啮合线上的临界点，所述齿轮副形状参数确定方法为：

步骤一、由齿轮泵的理论排量公式，得出齿轮泵的前期轻量化设计等价于齿轮形状系数的最大化；

步骤二、由齿顶点能在临界点啮合时齿轮的形状系数最大，建立该最大的形状系数与啮合角间的关系；

步骤三、由约束参量的灵敏度分析结果，优选出轻量化齿轮泵单位模数下的齿轮副形状参数并计算出相应的形状系数；

步骤四、由不引起气蚀的齿顶最大圆周速度所确定的模数上限及其标准化，确定出单一所需的最大模数，并最终确定出齿轮副的包括齿宽在内的实际尺寸。

2.如权利要求1所述的齿轮副，其特征在于：所述步骤一齿轮泵的理论排量公式为：

式中，q _e 为泵的理论排量，V _e 为齿轮副双倍的节圆柱体积；V _q 为泵的单位排量体积；λ为齿轮的形状系数，等于顶圆与节圆的半径比，λ直接决定了泵单位排量体积V _q (λ)的大小，泵轻量化等价于λ最大化。

3.如权利要求2所述的齿轮副，其特征在于：所述步骤二最大形状系数与啮合角间的关系为：

式中，为节圆上的压力角，即啮合角，故λ最大化的关键在于的确定。

4.如权利要求3所述的齿轮副，其特征在于：所述步骤三约束参量主要包括由容积效率对径向泄漏所限定的齿顶角最小值，由泵平稳要求所必须的重合度下限ε _min，以及顶隙系数c和分度圆压力角的优选。

5.如权利要求1-4任意之一所述的齿轮副，其特征在于：所述齿轮副形状参数为齿数6，变位系数0.321或啮合角，分度圆压力角为标准压力角，齿顶高系数1.118和顶隙系数c=0.15；所对应的形状系数1.323，重合度1.104，齿顶角和单位模数的无量纲节圆半径3.256。

6.如权利要求5所述的齿轮副，其特征在于：所述步骤四单一所需的最大模数的确定公式为：由

得

式中，v _max为齿顶允许的最大圆周速度，为工作介质的黏度所确定；n _e 为泵的额定转速，r _a 为顶圆半径， m为模数；SD( )表示模数取值的标准化。