齒輪泵軸承-軸頸全流體潤滑的逆向設(shè)計

楊海峰 姜東全 陳強

摘要：齒輪的軸頸軸承的滑動采用傳統(tǒng)設(shè)計的方法，呈現(xiàn)全流體潤滑的狀態(tài)不足以支撐泵整體實現(xiàn)更加高效的運行，采用創(chuàng)建承載量系數(shù)之后，優(yōu)化設(shè)計獲取軸徑、寬徑比、執(zhí)行間隙等變量的參數(shù)，作為優(yōu)化模型建立的依據(jù)。例如采用最少油膜厚度和軸頸撓度為目標函數(shù)，在逆向設(shè)計思維的幫助下進行模型構(gòu)建。經(jīng)過創(chuàng)新實踐表明，取得加工工藝和泄漏控制等上限數(shù)值，泵用軸頸直徑比原有的數(shù)值能夠達到兩個數(shù)量級以上的差異值，對承載量系數(shù)忽略不計，軸承傾斜變形的概率變小，通過進行曲面優(yōu)化之后，全體設(shè)計的優(yōu)化取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：齒輪泵;軸頸設(shè)計;全流體潤滑

中圖分類號：TH325? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0004-02

0? 引言

經(jīng)過國內(nèi)外先進實踐表明，對于工藝設(shè)計的優(yōu)化，采用逆向設(shè)計的方法，獲得變量數(shù)值并提供足夠的承載量參數(shù)，用于進行齒輪泵軸承軸頸等的逆向設(shè)計應用，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計效果正面，使得設(shè)計變量后泵表面操作得到控制。

1? 機油泵發(fā)動機齒輪油泵以及逆向設(shè)計分析

機油泵的質(zhì)量好壞影響到設(shè)備的正常運行，發(fā)動機工作的時候，機油泵將由底殼抽出機油排向潤滑油道，運用游標卡尺等工具測量機油壓力、循環(huán)指數(shù)等。對機油泵提供潤滑劑降低發(fā)動機產(chǎn)生的摩擦起到較好的技術(shù)支持。機油泵在潤滑運行過程中，各個零件如發(fā)動機的缸體、活塞、連桿和曲柄需要潤滑起到散熱等作用。機油泵進行全體潤滑的主要功能是以一定壓力和數(shù)量提供的潤滑作用在零部件表面。當前常用的為齒輪和轉(zhuǎn)子式機油泵，其中儲能室及油泵其工作原理是采用全體體內(nèi)潤滑的方式，在主從動齒輪、限壓閥、進出油槍等進行循環(huán)潤滑，保證端面間隙較小，減少機油泄漏，提高既有泵的容積和工作效率。其工作狀態(tài)為當發(fā)動機工作的時候，油泵的殼體面積變小，從進油箱將齒輪的潤滑油帶到出油腔、壓縮到發(fā)動機油道中，此時機油泵的機械能變?yōu)閴毫Γ鲇蜆層蛪鹤兇?，從油口到進油槍的吸入進油泵不斷工作，齒輪機油泵具有加工簡便、工作可靠的優(yōu)點。與凸輪軸的傳動，配合端蓋和齒輪的各個直接進行相互捏合。在外界、大氣壓力的作用下形成密封狀態(tài)下的真空，將時間槽進行充滿。隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)，密封工作腔容積不斷減小，此時齒輪泵的嚙合點接觸點，分成高低壓兩個腔，排油腔的位置確定不變，基本形式是兩個尺子相同的尺子，在一個緊密配合的殼體內(nèi)緊密配合。作為逆向設(shè)計的參數(shù)，運用PRO/E等軟件進行建模。

2? 齒輪泵軸承軸頸設(shè)計

進行泵的承載量系數(shù)的模型計算，包括表面粗糙度等進行逆向設(shè)計，采用科學創(chuàng)新的設(shè)計方法，按照工況進行完善。實現(xiàn)全流性潤滑效果的提升。齒輪泵作為一種應用廣泛的液壓元件，在其承受范圍內(nèi)，采用徑向滑動軸承的設(shè)計，防止泵出現(xiàn)失效。目前關(guān)于承載力能力、徑向滑動、潤滑油動力粘度、綜合表面粗糙度和全流體潤滑條件等方面采用逆向設(shè)計流程，即先進行表面粗糙度的參數(shù)獲取，然后進行全流體潤滑的最小油膜厚度、承載量系數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)等的獲取，最終通過逆向設(shè)計，延長了軸心軸承的工作壽命，提高了齒輪泵的使用工作效率。對軸承的滑動條件等予以優(yōu)化。

3? 逆向承載量系數(shù)設(shè)計

結(jié)構(gòu)上泵的軸角傳動、軸頸承載量、逆向負荷等均在系數(shù)設(shè)計范疇內(nèi)，在減少徑向力實施的措施上采用進行無壓力工作的方法，減小外負荷在非正態(tài)曲線、進行軸承的液體中壓力的改善。通過液體動壓力在軸承軸頸的產(chǎn)生，實際情況下承載量、系數(shù)值，通過逆向設(shè)計中的參數(shù)計算，經(jīng)過優(yōu)化之后，獲得了很好的使用潤滑效果和傳動速度[1]。

計算設(shè)計參數(shù)取出口壓力為45，進口壓力為0.2，轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)每分鐘。終止角進口側(cè)為1.5。傾斜變形指數(shù)為15。優(yōu)化結(jié)果表明減少徑向力的70角和中直角的進口側(cè)的一個峰值，可以大大得到降低。經(jīng)過對比之后軸頸的傾斜變形，對承載量的技術(shù)影響可以忽略不計。整體執(zhí)行優(yōu)化結(jié)果。直徑間隙比變形濃度要小兩個數(shù)量級，剛度和強度的控制達到上限，采用優(yōu)化加工工藝之后，對于泵硬軸頸的傾斜變形可以進行控制，達到最小的承載量系數(shù)。采用擬合多項式為全流體潤滑的逆向設(shè)計提供承載量系數(shù)設(shè)計的最優(yōu)結(jié)果。

4? 實例分析

以汽車泵的軸承軸頸全潤滑流程的產(chǎn)品逆向設(shè)計過程為例，對于關(guān)鍵產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、采用數(shù)據(jù)化處理，形成實物的曲面模型重構(gòu)系統(tǒng)。再利用數(shù)控加工和數(shù)控編程的逆向設(shè)計，進行產(chǎn)品造型設(shè)計，重要環(huán)節(jié)的實施逆向思維應用進行產(chǎn)品進行設(shè)計，數(shù)據(jù)采集是第1步，采用接觸式和非接觸式的方法都可以進行數(shù)據(jù)采集。物理邊界在數(shù)據(jù)采集的技術(shù)應用下測量更加準確[2]。

4.1 泵的容積利用系數(shù)最大化和內(nèi)泄漏最小化其輕量化

泵的容積利用內(nèi)泄漏最小化和系數(shù)最大化是設(shè)計輕量化兩個關(guān)鍵要素。其中，容積利用系數(shù)最大化取決于輪齒高形化，如圖1所示。即在漸開線現(xiàn)有齒廓的基礎(chǔ)上，基于少齒數(shù)無根切的加工方法，采用先極限齒廓（即i4點位于對偶齒廓的基圓上）后高形齒廓（i5點）、先齒廓間接參數(shù)后齒廓基本參數(shù)的逆向設(shè)計方法。案例下的結(jié)果表明極限齒輪的節(jié)圓壓力角、齒頂壓力角、形狀系數(shù)、容積利用系數(shù)分別為23.37°、40.83°、1.213、0.391;高形齒輪則分別為23.37°、44.33°、1.283、0.447，容積利用系數(shù)增效14.32%。同時，為能無根切滾齒加工出這對齒輪，提出了一款專用的雙壓力角齒刀，如圖1所示。上段α0=24.6°和下段α=20°的雙壓力角刀廓。

利用非接觸三維表面數(shù)據(jù)采集法采集到實物模型要求的相關(guān)數(shù)據(jù)，采集速度非?？臁Ｔ谀Ｐ椭貥?gòu)上進行數(shù)據(jù)處理的結(jié)果應用，如數(shù)據(jù)優(yōu)化。多視頻和噪聲濾波透風技術(shù)應用下，進行全面構(gòu)造法的運用[3]。例如在汽車產(chǎn)品設(shè)計中逆向工程設(shè)計，其發(fā)展前景是非常大的。汽車設(shè)計中逆向工程設(shè)計對于零部件、汽車產(chǎn)品改型等發(fā)揮了重要作用。首先獲取汽車相關(guān)重要數(shù)據(jù)，重構(gòu)三維數(shù)字化模型，檢測產(chǎn)品的變形分析，對已有產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)測量、擬合分析和改進，采用高度集成化、課程，可視化、開放式的計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進行產(chǎn)品工程分析，實現(xiàn)高精度、系統(tǒng)化的操作手段，減少汽車產(chǎn)品設(shè)計的風險，提高汽車產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量。對機油泵、泵流量、機油泵進口、出口壓力等進行計算，測量并確定技術(shù)功能基本尺寸數(shù)據(jù)。

4.2 齒輪泵齒輪副的偏心設(shè)計

為提高泵齒頂間隙內(nèi)的潤滑性能，提出了旨在強化其內(nèi)動壓潤滑效應的齒輪副偏心的設(shè)計方法，通過綜合考慮泵體變形、軸-軸承不同心等因素，建立了壓差效應與動壓效應組合下的齒頂泄漏計算，并由該泄漏最小計算出齒輪副相對于泵殼的偏心距，如圖2所示。得出通過齒輪副的偏心，齒頂間隙內(nèi)動潤滑效應明顯的重要結(jié)論[4]。

4.3 逆向設(shè)計法應用

泵軸承軸頸全流體潤滑設(shè)計應用中。首先進行機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)性的工作原理和使用情況的測量，從機油泵的主動齒輪從動齒輪機油泵蓋的入手進行測量內(nèi)外徑深度。采用PRO/E產(chǎn)品設(shè)計軟件，進行造型設(shè)計、零件設(shè)計、裝備設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析、模型設(shè)計、管路設(shè)計等。PRO根據(jù)泵的潤滑優(yōu)點，能夠為設(shè)計師提供技術(shù)幫助，在軸承軸頸潤滑的逆向設(shè)計中反映出無需任何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方案，在完全可控發(fā)展的平臺上提供強大功能和速度，設(shè)計結(jié)論用于擴展仿真和分析[5]。比如在進行齒輪泵全流體潤滑逆向設(shè)計時，首先進行參數(shù)化建模運用。PRO/E齒輪鍵開線方程推導，以齒輪的齒數(shù)魔術(shù)壓力角來定義標準化的尺寸。新建PRO/E文件，包括指數(shù)參數(shù)、提示輸入次數(shù)、加入模式次數(shù)。參考繪圖平面選擇方法和問題基準輸入任意數(shù)值，進入測繪圖階段，得到齒輪相關(guān)參數(shù)之后，生成整個齒輪三D模型，對齒根圓直徑、齒鋸直徑等進行設(shè)計應用。

5? 結(jié)論

采用傳統(tǒng)的潤滑軸承設(shè)計，相對逆向設(shè)計來說，在泵的軸承軸頸滑動副的全流體潤滑狀態(tài)上，優(yōu)化設(shè)計的效果由于具有對直徑間隙、軸頸設(shè)計的變量的特點，對于最小油膜厚度比值等目標函數(shù)的優(yōu)化更加具有技術(shù)優(yōu)勢，在加工工藝實施過程中能夠控制泄露上限值，通過優(yōu)化模型將變形、傾斜等情況加以預計，得到寬徑比、軸徑的最佳取值，最終幫助泵用軸頸軸承實現(xiàn)更佳的全流體潤滑的應用效果。逆向設(shè)計當前擁有廣闊的發(fā)展前景，今后研究的方向應注重在提升承載量系數(shù)擬合式應用、構(gòu)建設(shè)計變量、優(yōu)化目標函數(shù)的模型等方面加大研究力度。

參考文獻：

[1]岳峰.液力變矩器逆向造型及流場數(shù)值分析[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學，2015.

[2]寶雞航天動力泵業(yè)有限公司.往復泵動力端壓力潤滑系統(tǒng)油路：CN201410465731.3[P].2015-04-01.

[3]田俊良.基于流固耦合的典型機械部件多場耦合數(shù)值模擬分析[D].安徽：安徽農(nóng)業(yè)大學，2016.

[4]張超，王堯.基于SolidWorks的逆向工程設(shè)計探索與應用[J].機械研究與應用，2018，31（4）：68-69.

[5]李偉.基于逆向工程技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計[J].農(nóng)機使用與維修，2020（2）：17-19.