離心增壓級(jí)齒輪泵的參數(shù)化設(shè)計(jì)與裝配及仿真分析

熊登奎 李慶

摘要： 在液壓系統(tǒng)當(dāng)中，齒輪泵可以說(shuō)是其中最為常用的一種，而離心增壓齒輪泵則是拋棄了內(nèi)部齒輪傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)，同時(shí)具有體積小巧的特點(diǎn)。因此本文將應(yīng)用pro engineer軟件來(lái)對(duì)離心增壓級(jí)齒輪泵進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)以及裝配仿真分析，通過(guò)此方法也可以使設(shè)計(jì)者能夠更加深入了解離心增壓級(jí)齒輪泵在設(shè)計(jì)過(guò)程中所存在的優(yōu)缺點(diǎn)，如此也能更好的將該項(xiàng)產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)，同時(shí)也能更大程度提升設(shè)計(jì)人員的工作效率。

Abstract： In the hydraulic system， the gear pump can be said to be one of the most commonly used， and centrifugal booster gear pump is to abandon the internal gear transmission mechanism， at the same time with small size characteristics. Therefore， this paper applies pro engineer software to parametric design and assembly simulation analysis of Centrifugal supercharged gear pump， through this method， the designer can understand more deeply the advantages and disadvantages of centrifugal supercharged gear pump in the design process， so that the product can be better developed， at the same time， it can also improve the efficiency of designers to a greater extent.

關(guān)鍵詞： 離心增壓;齒輪泵;參數(shù)化設(shè)計(jì);裝配仿真;分析討論

Key words： centrifugal booster;gear pump;parametric design;assembly simulation;analysis and discussion

中圖分類號(hào)：TH325??????????????????????????? ????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0056-02

0? 引言

離心增壓即指離心式機(jī)械增壓，該類增壓方式與渦輪增壓較為相似，但同時(shí)也存在不同之處。首先不同之處是離心式機(jī)械增壓主要是以發(fā)動(dòng)機(jī)的皮帶來(lái)將其進(jìn)行帶動(dòng)，而渦輪增壓卻是以發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。相同之處是此二者之間的增壓原理相同，均是通過(guò)吸入空氣來(lái)以離心力給空氣進(jìn)行加壓，從而達(dá)到將空氣壓縮的目的。對(duì)于離心增壓級(jí)齒輪泵，通過(guò)pro engineer軟件來(lái)對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，同時(shí)還可以運(yùn)用其來(lái)設(shè)計(jì)虛擬裝配與仿真動(dòng)畫，從而更加生動(dòng)形象的將離心增壓級(jí)渦輪泵的運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行體現(xiàn)。

1? 參數(shù)化實(shí)體建模

在對(duì)離心增壓級(jí)齒輪泵進(jìn)行建模之前，首先需要了解齒輪泵的結(jié)構(gòu)分析以及自身特征，只有對(duì)其擁有充分的認(rèn)知，才能更好地通過(guò)pro engineer來(lái)建模生成。

1.1 齒輪泵介紹? 齒輪泵也被稱作為回轉(zhuǎn)泵，是兩個(gè)封閉式空間模式，具體構(gòu)造為兩個(gè)齒輪、泵的主體以及前蓋和后蓋，在齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)之時(shí)，通過(guò)依靠泵缸與嚙合齒輪間所形成的工作容積來(lái)進(jìn)行變化和移動(dòng)，從而將液體進(jìn)行輸送或使其增壓。當(dāng)齒輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)之時(shí)，齒輪脫開側(cè)的空間體積先由最初的小范圍開始逐漸變大，直至形成一個(gè)真空狀態(tài)來(lái)吸入液體，而齒輪嚙合側(cè)的空間體積則是與之相反，其是先從最初的大體積開始逐漸變小，之后再將液體吸入管路當(dāng)中（如圖1所示）。

除此之外，齒輪泵的吸入腔與排出腔也有所不同，是由兩個(gè)齒輪的嚙合線來(lái)將其進(jìn)行分隔，齒輪泵的排出口壓力則完全是由泵出口處阻力的大小來(lái)進(jìn)行控制。簡(jiǎn)而言之，其主要運(yùn)作形式便是通過(guò)兩個(gè)相同尺寸的齒輪（如圖2所示），在同一個(gè)殼體內(nèi)進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)圖中也能清楚看到，在殼體中間的兩個(gè)齒輪類似數(shù)字8的形狀，通過(guò)吸入口將擠出機(jī)物料進(jìn)入到兩個(gè)齒輪中間，伴隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，最后在兩個(gè)齒輪緊密結(jié)合時(shí)將其排出。

1.2 齒輪泵特征分解? 通過(guò)pro engineer軟件的基本實(shí)體特征、工程特征等可以將離心增壓級(jí)齒輪泵的端蓋以及泵體等基本特征來(lái)進(jìn)行建模設(shè)計(jì)。由于齒輪零件的建模與之相比較為復(fù)雜，所以本次實(shí)體建模將選擇運(yùn)用參數(shù)化的建模方式來(lái)將齒輪的創(chuàng)建進(jìn)行完成。

1.3 關(guān)系式? 基于離心增壓級(jí)齒輪泵其尺寸具有較多參數(shù)，所以可以通過(guò)pro engineer軟件來(lái)對(duì)其展開研究，同時(shí)由于其參數(shù)之間具有相互性，所以需要運(yùn)用以下4個(gè)公式來(lái)進(jìn)行。

①分度圓直徑：d=mz;②基圓直徑：db=zmcosα;③齒頂圓直徑：da=zm+2m;④齒根圓直徑：df=zm-2.5m。

其中：m為模數(shù);z為齒數(shù);α為壓力角。

1.4 約束條件

1.4.1 設(shè)計(jì)變量邊界約束? 基于齒輪自身結(jié)構(gòu)與嚙合理論，在進(jìn)行離心增壓級(jí)齒輪泵參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，則需要將其相對(duì)應(yīng)的約束函數(shù)設(shè)置為：g1（X）=8-x1≤0，g2（X）=x1-20≤0，g3（X）=-x2≤0，g4（X）=x2-1≤0，g5（X）=10-x3≤0， g6（X）=x3-30≤0，g7（X）=1.0-x4≤0，g8（X）=x4-1.2≤0，g9（X）=15-x5≤0，g10（X）=x10-30≤0。

1.4.2 保障齒輪可以順利進(jìn)行嚙合? 在齒輪進(jìn)行嚙合時(shí)，通常情況下會(huì)由于相關(guān)人員對(duì)于參數(shù)的疏忽，而造成其出現(xiàn)報(bào)廢等現(xiàn)象，所以為了能夠有效將此類風(fēng)險(xiǎn)降低，工作人員定當(dāng)嚴(yán)格限制有關(guān)參數(shù)。與此同時(shí)，為了能夠使困油現(xiàn)象進(jìn)一步改善，同時(shí)起到降低流量脈動(dòng)的作用，所以也需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中做到以下這3點(diǎn)：

1.4.2.1 齒輪頂部厚度限制? 對(duì)于齒輪頂部厚度限制情況，在離心增壓級(jí)齒輪泵齒數(shù)數(shù)量不多的情況下，應(yīng)當(dāng)選擇正變位齒輪，一般情況下可通過(guò)公式g2（X）=x1-20≤0來(lái)計(jì)算齒頂厚度。

1.4.2.2 齒輪頂部嚙合重合系數(shù)限制? 除了對(duì)齒輪頂部厚度限制以外，也需要將其嚙合重合系數(shù)進(jìn)行有效限制，與此同時(shí)，隨著齒輪在嚙合過(guò)程中，重合系數(shù)的不斷降低，所以對(duì)此需要滿足g12（X）=1.05-ε≤0、g13（X）=ε-1.08≤0，設(shè)計(jì)人員也可以通過(guò)公式g4（X）=x2-1≤0來(lái)將齒輪嚙合重合系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而得出準(zhǔn)確結(jié)果。

1.4.2.3 齒輪嚙合時(shí)降低過(guò)渡曲線干預(yù)情況? 對(duì)于離

心增壓級(jí)齒輪泵，在齒輪行嚙合時(shí)，相關(guān)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要滿足g14（X）=tanx5-2tanα′+tanαa-4（x4-x2）x1sin2x3≤0公式，如此可以有效降低過(guò)渡曲線干預(yù)情況。

2? 離心增壓級(jí)齒輪泵的裝配

對(duì)于離心增壓級(jí)齒輪泵的裝配，并不能直接選用pro engineer所提供的裝配模塊，因?yàn)槠涫菍ｉT用來(lái)組裝零部件所使用的，如果選用pro engineer軟件本身來(lái)進(jìn)行裝配時(shí)，最好的方式是將各個(gè)零件按照順序一一進(jìn)行裝配。對(duì)此，具體也包括兩種方式，一種是直接形成一個(gè)完整的組件，其次也可以先將不同種類零件統(tǒng)一組裝成一個(gè)電子組件，之后再將各個(gè)子組件與之匯合，從而形成完整的形態(tài)。對(duì)于離心增壓級(jí)齒輪泵的裝配，可以選擇第二種裝配方式，通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)將其制作成一個(gè)完整的齒輪泵。

3? 離心增壓級(jí)齒輪泵的運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)方法

運(yùn)動(dòng)仿真的優(yōu)勢(shì)在于能夠更好的檢查裝配模型的運(yùn)動(dòng)方式是否滿足于現(xiàn)實(shí)要求，所以對(duì)此可以運(yùn)用pro engineer軟件中專門用于該模式的一個(gè)模塊來(lái)進(jìn)行，如此也能夠及時(shí)檢查在裝配體中是否具有干預(yù)情況存在，并且還能對(duì)其運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行準(zhǔn)確分析。除此之外，在對(duì)離心增壓級(jí)齒輪泵進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，也需要相關(guān)技術(shù)人員不斷將裝配模型進(jìn)行完善，對(duì)于運(yùn)動(dòng)環(huán)境也要隨時(shí)更換，只有這樣才能得到最準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。

3.2 離心增壓級(jí)齒輪泵的運(yùn)動(dòng)仿真

3.2.1 對(duì)兩個(gè)相嚙合的齒輪組成的基本機(jī)構(gòu)進(jìn)行確切說(shuō)明? 對(duì)于離心增壓級(jí)齒輪泵在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要裝配完善，并且在裝配過(guò)程中所用到的零件或是組件，都需要圍繞其中一個(gè)視線方向來(lái)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。除此之外，在設(shè)置仿真運(yùn)動(dòng)參數(shù)值之前，還需要對(duì)兩個(gè)相嚙合的齒輪所組成的基本機(jī)構(gòu)進(jìn)行確切說(shuō)明，簡(jiǎn)單來(lái)講，這也意味著離心增壓級(jí)齒輪泵的運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)際上是兩個(gè)齒輪之間的嚙合。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員也不能忽視對(duì)于連接軸的定義，對(duì)此可以將節(jié)圓直徑設(shè)置為42，如此才能使兩個(gè)齒輪能夠在運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)更加準(zhǔn)確無(wú)誤。

3.2.2 對(duì)伺服電機(jī)做出確切說(shuō)明

在離心增壓級(jí)齒輪泵中仿真運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)中，對(duì)于伺服電機(jī)也要做出確切說(shuō)明，其是在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，主要功能是可以將速度進(jìn)行控制，定義伺服電機(jī)也是為了能夠?qū)C(jī)構(gòu)施加力，如此可以使機(jī)構(gòu)按照所規(guī)定的速度來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在此次運(yùn)用pro engineer軟件來(lái)進(jìn)行離心增壓級(jí)齒輪泵的仿真運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于齒輪泵系統(tǒng)中的伺服電機(jī)還應(yīng)當(dāng)將其“連接軸”定義明確，不僅需要選取主動(dòng)齒輪的連接軸，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)著重注意是否將運(yùn)動(dòng)函數(shù)定義準(zhǔn)確。對(duì)此，可以將pro engineer中的“?！边x項(xiàng)設(shè)定為常數(shù)，并在相應(yīng)的編輯框中輸入10，這也意味主動(dòng)齒輪在進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為10，在對(duì)伺服電機(jī)定義完成之后，便能從機(jī)構(gòu)中看到關(guān)于電動(dòng)機(jī)的標(biāo)識(shí)。

3.2.3 創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)分析并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)? 在以上步驟均完成之后，便可以對(duì)離心增壓級(jí)齒輪泵進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)。對(duì)此設(shè)計(jì)人員可以點(diǎn)擊pro engineer軟件中的“分析”選項(xiàng)，之后便會(huì)出現(xiàn)一個(gè)名為“定義分析”的表框，可以將其結(jié)束時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為30s，再點(diǎn)擊“運(yùn)行”選項(xiàng)便能詳細(xì)觀看到離心增壓級(jí)齒輪泵的運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)也方便工作人員能夠及時(shí)檢查其兩個(gè)齒輪之間的嚙合狀況，并觀察是否存在干涉情況。除此之外，在30s結(jié)束之后，如果還想重復(fù)觀看其仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程，那么只需要點(diǎn)擊“動(dòng)畫”選項(xiàng)，便能對(duì)其進(jìn)行回訪，如果想要將其制作成動(dòng)畫形式，那么只需要點(diǎn)擊“捕捉”選項(xiàng)即可完成。

4? 結(jié)束語(yǔ)

基于上述內(nèi)容，通過(guò)pro engineer軟件能夠很好的給出關(guān)于離心增壓級(jí)齒輪泵的參數(shù)化設(shè)計(jì)，并且在設(shè)計(jì)過(guò)程中也能深入了解需要注意的各類事項(xiàng)。與此同時(shí)，通過(guò)虛擬裝配與仿真設(shè)計(jì)，能夠以動(dòng)畫的形式來(lái)更加生動(dòng)形象的展示離心增壓級(jí)齒輪泵的運(yùn)動(dòng)方式，并將最終結(jié)果進(jìn)行輸出，從而給設(shè)計(jì)者帶來(lái)一個(gè)準(zhǔn)確的結(jié)果。除此之外，還可以有效簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，如此也便于相關(guān)設(shè)計(jì)人員在后期能夠更好的進(jìn)行設(shè)計(jì)，如此在提升工作效率的同時(shí)，也為增強(qiáng)離心增壓級(jí)齒輪泵的全方位質(zhì)量奠定良好基礎(chǔ)。

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