齒輪泵軸承-軸頸全流體潤滑的逆向設計

楊海峰 姜東全 陳強

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

關鍵詞：齒輪泵;軸頸設計;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

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

1? 機油泵發動機齒輪油泵以及逆向設計分析

機油泵的質量好壞影響到設備的正常運行，發動機工作的時候，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、循環指數等。對機油泵提供潤滑劑降低發動機產生的摩擦起到較好的技術支持。機油泵在潤滑運行過程中，各個零件如發動機的缸體、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量提供的潤滑作用在零部件表面。當前常用的為齒輪和轉子式機油泵，其中儲能室及油泵其工作原理是采用全體體內潤滑的方式，在主從動齒輪、限壓閥、進出油槍等進行循環潤滑，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。其工作狀態為當發動機工作的時候，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、壓縮到發動機油道中，此時機油泵的機械能變為壓力，出油槍油壓變大，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下的真空，將時間槽進行充滿。隨著齒輪的旋轉，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緊密配合。作為逆向設計的參數，運用PRO/E等軟件進行建模。

2? 齒輪泵軸承軸頸設計

進行泵的承載量系數的模型計算，包括表面粗糙度等進行逆向設計，采用科學創新的設計方法，按照工況進行完善。實現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，采用徑向滑動軸承的設計，防止泵出現失效。目前關于承載力能力、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計流程，即先進行表面粗糙度的參數獲取，然后進行全流體潤滑的最小油膜厚度、承載量系數、結構參數等的獲取，最終通過逆向設計，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化。

3? 逆向承載量系數設計

結構上泵的軸角傳動、軸頸承載量、逆向負荷等均在系數設計范疇內，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生，實際情況下承載量、系數值，通過逆向設計中的參數計算，經過優化之后，獲得了很好的使用潤滑效果和傳動速度[1]。

計算設計參數取出口壓力為45，進口壓力為0.2，轉速為2500轉每分鐘。終止角進口側為1.5。傾斜變形指數為15。優化結果表明減少徑向力的70角和中直角的進口側的一個峰值，可以大大得到降低。經過對比之后軸頸的傾斜變形，對承載量的技術影響可以忽略不計。整體執行優化結果。直徑間隙比變形濃度要小兩個數量級，剛度和強度的控制達到上限，采用優化加工工藝之后，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。采用擬合多項式為全流體潤滑的逆向設計提供承載量系數設計的最優結果。

4? 實例分析

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

4.1 泵的容積利用系數最大化和內泄漏最小化其輕量化

泵的容積利用內泄漏最小化和系數最大化是設計輕量化兩個關鍵要素。其中，容積利用系數最大化取決于輪齒高形化，如圖1所示。即在漸開線現有齒廓的基礎上，基于少齒數無根切的加工方法，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）、先齒廓間接參數后齒廓基本參數的逆向設計方法。案例下的結果表明極限齒輪的節圓壓力角、齒頂壓力角、形狀系數、容積利用系數分別為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據采集法采集到實物模型要求的相關數據，采集速度非常快。在模型重構上進行數據處理的結果應用，如數據優化。多視頻和噪聲濾波透風技術應用下，進行全面構造法的運用[3]。例如在汽車產品設計中逆向工程設計，其發展前景是非常大的。汽車設計中逆向工程設計對于零部件、汽車產品改型等發揮了重要作用。首先獲取汽車相關重要數據，重構三維數字化模型，檢測產品的變形分析，對已有產品進行數據測量、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和網絡技術，進行產品工程分析，實現高精度、系統化的操作手段，減少汽車產品設計的風險，提高汽車產品設計的質量。對機油泵、泵流量、機油泵進口、出口壓力等進行計算，測量并確定技術功能基本尺寸數據。

4.2 齒輪泵齒輪副的偏心設計

為提高泵齒頂間隙內的潤滑性能，提出了旨在強化其內動壓潤滑效應的齒輪副偏心的設計方法，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，齒頂間隙內動潤滑效應明顯的重要結論[4]。

4.3 逆向設計法應用

泵軸承軸頸全流體潤滑設計應用中。首先進行機械設備的結構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外徑深度。采用PRO/E產品設計軟件，進行造型設計、零件設計、裝備設計、結構分析、模型設計、管路設計等。PRO根據泵的潤滑優點，能夠為設計師提供技術幫助，在軸承軸頸潤滑的逆向設計中反映出無需任何數據轉換的方案，在完全可控發展的平臺上提供強大功能和速度，設計結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計時，首先進行參數化建模運用。PRO/E齒輪鍵開線方程推導，以齒輪的齒數魔術壓力角來定義標準化的尺寸。新建PRO/E文件，包括指數參數、提示輸入次數、加入模式次數。參考繪圖平面選擇方法和問題基準輸入任意數值，進入測繪圖階段，得到齒輪相關參數之后，生成整個齒輪三D模型，對齒根圓直徑、齒鋸直徑等進行設計應用。

5? 結論

采用傳統的潤滑軸承設計，相對逆向設計來說，在泵的軸承軸頸滑動副的全流體潤滑狀態上，優化設計的效果由于具有對直徑間隙、軸頸設計的變量的特點，對于最小油膜厚度比值等目標函數的優化更加具有技術優勢，在加工工藝實施過程中能夠控制泄露上限值，通過優化模型將變形、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更佳的全流體潤滑的應用效果。逆向設計當前擁有廣闊的發展前景，今后研究的方向應注重在提升承載量系數擬合式應用、構建設計變量、優化目標函數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值分析[D].黑龍江：哈爾濱工業大學，2015.

[2]寶雞航天動力泵業有限公司.往復泵動力端壓力潤滑系統油路：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值模擬分析[D].安徽：安徽農業大學，2016.

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

[5]李偉.基于逆向工程技術的產品設計[J].農機使用與維修，2020（2）：17-19.