小型齒輪泵的軸齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工藝的研究

蘭小光 岑華

【摘 要】本文針對(duì)小型齒輪泵軸齒輪加工效率低的難題，從軸齒輪的功能、結(jié)構(gòu)、加工工藝以及設(shè)計(jì)方面進(jìn)行分析，探討改進(jìn)軸齒輪的設(shè)計(jì)，以提高軸齒輪的加工效率。

【關(guān)鍵詞】小型齒輪泵 軸齒輪 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 工藝 效率

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2017）11C-0187-03

小型外嚙合齒輪泵因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，自吸性能好，對(duì)油的污染不敏感，適應(yīng)轉(zhuǎn)速較大范圍的變化，工作可靠，壽命長(zhǎng)，以及價(jià)格低廉、維修方便的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在各種小型機(jī)械及動(dòng)力設(shè)備的潤(rùn)滑上。外嚙合齒輪泵的工作原理很簡(jiǎn)單，即由一對(duì)齒數(shù)、尺寸相同的漸開線齒輪在一個(gè)緊密配合的“8”字形殼體內(nèi)相互嚙合旋轉(zhuǎn)，齒輪的外徑及兩側(cè)與殼體緊密配合。泵體、端蓋和齒輪之間形成密封腔，并由兩個(gè)齒輪的齒面接觸線將左、右腔隔開，形成吸、壓油腔。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪脫開側(cè)的空間的體積從小變大，形成真空，將液體吸入，齒輪嚙合側(cè)的空間的體積從大變小，而將液體擠入管路中去。隨著齒輪的不斷旋轉(zhuǎn)嚙合，在泵的出口能夠提供一個(gè)連續(xù)排出的量，齒輪泵的排出口的壓力完全取決于泵出處阻力的大小。

由于齒輪的頂部和齒輪的兩個(gè)側(cè)面與殼體有一定的間隙，這個(gè)間隙的大小與齒輪泵能提供的壓力、排量和效率有關(guān)，特別是齒側(cè)間隙的大小，對(duì)齒輪泵的效率影響最大。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定的時(shí)候，齒輪泵的齒側(cè)間隙越大，泄漏就越明顯，齒輪泵能提供的工作壓力、排量及效率就低；反之齒側(cè)間隙越小，齒輪泵能提供的工作壓力、排量及效率就高，而齒側(cè)間隙的大小跟軸齒輪和齒輪泵殼體的加工精度有關(guān)。由于軸齒輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，齒輪兩側(cè)面與齒輪軸心線垂直度的要求是很高的。

一、小型齒輪泵的結(jié)構(gòu)和加工現(xiàn)狀分析

在傳統(tǒng)的齒輪泵設(shè)計(jì)中，軸齒輪是一體性設(shè)計(jì)的（見(jiàn)圖1）。在這么高精度要求的情況下，軸齒輪的加工工藝只能是一次裝夾加工完成才能保證同軸度和垂直度的要求。即加工工藝如下：粗車外圓Φ2—粗車外圓Φ1—切Φ3處粗加工—精車Φ1達(dá)尺寸—精車Φ2外圓達(dá)尺寸—精車Φ2齒輪處兩側(cè)面達(dá)尺寸—精車Φ3達(dá)尺寸—切斷—插齒輪（從動(dòng)輪）—銑扁位（主動(dòng)齒輪）。我們一直按著這個(gè)工藝生產(chǎn)的，加工出的產(chǎn)品也能夠達(dá)到技術(shù)要求，只是在加工Φ3軸的時(shí)候需要用切斷刀慢慢把多余的材料切除，然后再用尖刀低速加工才能保證Φ1和Φ3同軸以及Φ1和Φ3表面的粗糙度要求，Φ2處兩側(cè)面也必須用兩把調(diào)好的刀一次切削才能保證尺寸精度的要求，所以加工速度慢、效率低，同時(shí)切斷刀的損耗也很大，另外材料切除量大，浪費(fèi)多，材料利用率很低。

經(jīng)調(diào)研，我們了解到現(xiàn)有齒輪泵的市場(chǎng)已經(jīng)很成熟，生產(chǎn)企業(yè)之間競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，產(chǎn)品的利潤(rùn)很微薄，因此沒(méi)有新資金愿意介入齒輪泵的生產(chǎn)?，F(xiàn)有齒輪泵生產(chǎn)的廠家大多是多年從事齒輪泵生產(chǎn)的中小型企業(yè)，此類企業(yè)技術(shù)力量薄弱，設(shè)備更新?lián)Q代不足，大多數(shù)企業(yè)徘徊在虧損的邊沿。某油泵廠是個(gè)有100多名職工的小型企業(yè)，小型外嚙合齒輪油泵是這個(gè)廠的傳統(tǒng)產(chǎn)品之一，40多年來(lái)一直按照這個(gè)工藝生產(chǎn)。近年來(lái)，雖然企業(yè)也添置了數(shù)控車床，采用優(yōu)質(zhì)合金刀具，但是走的基本還是原來(lái)的加工工藝路線，只是用數(shù)控機(jī)床代替了人工的操作，軸齒輪的加工效率也幾乎提高了一倍，但是還是沒(méi)有從根本上解決軸齒輪的生產(chǎn)效率問(wèn)題。近年來(lái)，由于各種成本的上升，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈，生產(chǎn)齒輪泵的利潤(rùn)也越來(lái)越低，幾乎到了虧損的邊緣，因此必須盡快找到提高生產(chǎn)效率的有效途徑。

二、軸齒輪結(jié)構(gòu)分析

我們生產(chǎn)的小型齒輪泵主要用于小型汽油、柴油機(jī)的潤(rùn)滑油泵。齒輪泵的工作介質(zhì)——機(jī)油，它的黏度不大，對(duì)出油壓力沒(méi)有特別要求，即出油壓力低，但是對(duì)泵的可靠性要求很高，只要發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)就一定要潤(rùn)滑的供給。

我們把齒輪泵的主動(dòng)軸齒輪和從動(dòng)軸齒輪的一體式設(shè)計(jì)改為分體式設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2、圖3），即通過(guò)分別加工齒輪和齒輪軸，然后再用熱套的方法把他們裝配在一起。在這個(gè)工藝中最主要的問(wèn)題是過(guò)盈裝配以后能夠保證齒輪軸和齒輪傳遞的扭矩，即在齒輪泵輸出壓力波動(dòng)的情況下也能保證齒輪泵正常工作。小型發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速一般在1000轉(zhuǎn)/分鐘～6000轉(zhuǎn)/分鐘，我們?cè)O(shè)計(jì)齒輪油泵的工作壓力最高為2MP，按公式分別計(jì)算出齒輪軸和齒輪的過(guò)盈配合量。

（一）計(jì)算驅(qū)動(dòng)齒輪泵的扭矩

排量v=6.66zm2b=6.66×17×12x20=2264mm3/r=2.264mL/r，

流量Lmin=vn=2.264×1000=2.264L/min，

流量Lmax= vn=2.264×6000=13.6L/min，

最小功率P0min=pq=2×106×2.26×10-3/60=75瓦，

最大功率P0max=pq=2×106×13.6×10-3/60=450W，

齒輪泵總效率η按0.75計(jì)算，那么輸入的扭矩

Tt= o/ n2πnη=75/（2π×1000×0.75）=0.016 N.m

（二）計(jì)算齒輪軸與齒輪配合的最小過(guò)盈量

1.計(jì)算過(guò)盈配合壓力

齒輪泵工作的時(shí)候只受扭矩力沒(méi)有軸向力，由過(guò)盈配合可以傳遞力矩計(jì)算公式

Mf=πd2lfp/2得p=2Mf/（πd2lf）

由于Tt≥Mf

所以p≥2Tt/（πd2lf）

f——摩擦系數(shù)，軸和齒輪為鋼-鋼取0.2

d——過(guò)盈配合直徑為10mm

l——過(guò)盈配合長(zhǎng)度為20mm

因此p≥2Tt/（πd2lf）

=2×0.016/（3.14×102×20×0.2）×109P

p≥0.025MP

2.計(jì)算過(guò)盈配合的最小過(guò)盈量

△min=pd（C1/E1+C2/E2）×103μm

E1、E2——分別為被包容件與包容件的彈性模量，對(duì)于鋼取2.1×105MP

C1——被包容件的剛性系數(shù)

C1=（d2+d12）/（d2-d12）-μ1

d——配合直徑10mm

d1——為被包容件的內(nèi)徑，實(shí)心軸d1=0 mm

μ1——為被包容件的泊松比，對(duì)于鋼，取0.3

因此C1=（102+102）/（102-02）-0.3=1.7

C2——為包容件的剛性系數(shù)

C2=（d22+d2）/（d22- d2）-μ2

d2——為包容件的外直徑，取齒根圓直徑

d2=17-1.25×2=14.5mm

μ2——為包容件的泊松比，對(duì)于鋼，取0.3

所以C2=（14.52+102）/（14.52-102）-0.3=2.81

最后△min=pd（C1/E1+C2/E2）×103

=0.025×10×（1.7/2.1×105+2.85/2.1×105） ×103

=0.0053μm

（三）制定齒輪軸與齒輪的配合尺寸

因?yàn)辇X輪軸與齒輪泵體孔的配合為基孔制10H/g6間隙配合，現(xiàn)在只能選齒輪孔去配齒輪軸了，按10e7/g6過(guò)盈配合。

孔的尺寸為：10-0.025-0.040

軸的尺寸為：10-0.005-0.014

最小過(guò)盈=（10-0.025）-（10-0.014）=-0.011 mm

最大過(guò)盈=（10-0.040）-（10-0.005）=-0.035 mm

可見(jiàn)在最小過(guò)盈量0.011 mm的情況下，也可以完全可以滿足齒輪泵的工作需要。

（四）計(jì)算熱套裝配的加熱溫度

按簡(jiǎn)易的熱膨脹計(jì)算公式：鋼的熱膨脹系數(shù)取1.17，最大過(guò)盈量35微米

膨脹量（微米）=直徑或長(zhǎng)度（分米）×（實(shí)際溫度-常溫）℃×材料膨脹系數(shù)（微米）

（實(shí)際溫度-常溫）℃=膨脹量（微米）/[直徑（分米）×材料膨脹系數(shù)]

=35/（0.1×1.17）

=299℃

按常溫30℃計(jì)算，齒輪必須加熱到330℃以上才能套入齒輪軸。

三、改進(jìn)后的軸齒輪工藝分析

改進(jìn)以后齒輪和齒輪軸的加工工藝如下：

齒輪的加工工藝：選用直徑Φ20的45號(hào)鋼正火處理，車端面—車外圓—切斷—磨削兩側(cè)面達(dá)尺寸—鉆孔—倒角—鉸孔—滾齒。

齒輪軸的加工工藝：選用直徑Φ10.5的冷拉45號(hào)鋼，倒角切斷取長(zhǎng)度—無(wú)心磨外圓達(dá)尺寸（從動(dòng)軸）—銑扁位（主動(dòng)軸）。

齒輪和軸的熱套組裝：由于熱套需要的溫度比較高，一般的導(dǎo)熱油很難加熱到這樣的溫度，所以宜采用電爐加熱的方法，在350℃左右套入齒輪軸即可。

關(guān)鍵工藝點(diǎn)分析：齒輪內(nèi)孔與端面垂直度的保證。齒輪內(nèi)孔鉆孔時(shí)必須在立式鉆床上進(jìn)行，用臺(tái)鉆或搖臂鉆床鉆孔無(wú)法保證垂直度的要求，如果沒(méi)有立式鉆床可以改在車床或數(shù)控銑床上鉆孔。鉆孔前要打中心孔，用Φ9.8鉆頭鉆孔，然后經(jīng)過(guò)粗鉸和精鉸達(dá)到尺寸精度。

四、改進(jìn)前后的軸齒輪加工經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

首先，由于結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，從生產(chǎn)軸齒輪所用的材料方面可以節(jié)約材料費(fèi)；其次，采用新的生產(chǎn)工藝使得生產(chǎn)率提高，用舊工藝生產(chǎn)一套軸齒輪的費(fèi)用和用新工藝生產(chǎn)一套齒輪軸的費(fèi)用之差就是節(jié)約的成本；最后，由于采用新工藝而必須投入的設(shè)備及工裝夾具的費(fèi)用如何合理分擔(dān)的問(wèn)題。根據(jù)工廠現(xiàn)有的設(shè)備，采用新工藝后不需要增添新設(shè)備，增添的工裝夾具也很少，可以忽略不計(jì)。按現(xiàn)在45號(hào)鋼的單價(jià)5元/公斤，人工工資（含管理費(fèi)）按20元/小時(shí)計(jì)算，軸齒輪改進(jìn)前后生產(chǎn)費(fèi)用如表1所示。

從計(jì)算的結(jié)果中可以看出采用新的軸齒輪結(jié)構(gòu)后，每生產(chǎn)一套齒軸輪泵可以節(jié)約成本5元左右，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

五、軸齒輪改進(jìn)后齒輪泵運(yùn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的佐證

雖然我們經(jīng)過(guò)齒輪泵的受力計(jì)算分析，能夠證明軸齒輪的改進(jìn)設(shè)計(jì)對(duì)齒輪泵的使用沒(méi)有任何影響，但是在實(shí)踐的應(yīng)用中我們還是非常小心謹(jǐn)慎的。雖然小型汽油、柴油機(jī)所用的齒輪泵對(duì)供油壓力沒(méi)有特別要求，但是對(duì)齒輪泵供油可靠性要求是非常高的，也就是說(shuō)只要發(fā)動(dòng)機(jī)工作就必須保證齒輪泵供油，不然發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)因?yàn)閿喙?rùn)滑油而損壞，因此我們要保證萬(wàn)一在發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑供油回路部分堵塞的情況下，引起齒輪泵輸出壓力的升高，軸齒輪扭矩增大，這時(shí)齒輪泵也不會(huì)出現(xiàn)軸和齒輪結(jié)合面的打滑，而能夠繼續(xù)供油。

第一，在實(shí)驗(yàn)中我們把改進(jìn)后的齒輪泵出口壓力分別調(diào)到1MP、2MP、3MP，在每種壓力下進(jìn)行6小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)。第二，我們還在2MP的壓力下，分別在1000轉(zhuǎn)/分鐘、2000轉(zhuǎn)/分鐘、3000轉(zhuǎn)/分鐘和6000轉(zhuǎn)/分鐘不同的轉(zhuǎn)速下，各做了4小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)。第三，在2MP的壓力和3000轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)速下，我們還對(duì)新齒輪泵做了48小時(shí)的連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間可靠性實(shí)驗(yàn)，實(shí)踐證明改進(jìn)后的齒輪泵沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題。

六、本研究存在的局限性

第一，本文的研究只是針對(duì)小型齒輪泵的結(jié)構(gòu)，由于小型齒輪泵受力小，用熱套的方法能夠保證傳遞需要的扭矩，但是對(duì)于大型、中高壓的齒輪泵的結(jié)構(gòu)就不一定實(shí)用了，建議還是應(yīng)該用鍵連接的方法。第二，要解決的問(wèn)題是齒輪內(nèi)孔與端面的垂直度一定要嚴(yán)格保證，不然會(huì)出現(xiàn)齒輪端面與泵體側(cè)面間隙過(guò)大的問(wèn)題，影響到齒輪泵的流量和出口的壓力。第三，我們只是在設(shè)定的條件下進(jìn)行受力計(jì)算分析和得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于齒輪泵安裝在主機(jī)上長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可靠性，特別是在實(shí)際工作中的變速變壓力運(yùn)行條件下還缺乏數(shù)據(jù)。

總之，小型齒輪泵由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用在各個(gè)鄰域中。按照一個(gè)中等齒輪泵企業(yè)的規(guī)模，每年生產(chǎn)50萬(wàn)臺(tái)小型齒輪泵，改進(jìn)設(shè)計(jì)后每年可以增收250萬(wàn)元左右，而最關(guān)鍵的問(wèn)題是改進(jìn)設(shè)計(jì)及工藝以后，軸齒輪的生產(chǎn)能力可以提高3到5倍，真正解決了企業(yè)生產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題。因此，小型齒輪泵的改進(jìn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目研究，有利于提高生產(chǎn)效率、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，在企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中有著非常重要的意義。

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