齿轮泵浮动侧板设计方法与流程

本发明涉及齿轮泵领域，特别涉及齿轮泵浮动侧板设计方法。

背景技术：

齿轮泵轴向端面密封，不仅影响齿轮泵的容积效率，而且影响齿轮泵的寿命，齿轮啮合间隙泄漏和径向泄漏占约20％，端面泄漏占约80％，在齿轮泵的摩擦副中，端面摩擦副的失效率高达67.9％。目前高压齿轮泵通常采用浮动侧板补偿轴向结构，为了减小轴向端面的泄漏，通常在浮动侧板上的设置有密封条。高压齿轮油泵包括泵盖、泵体、主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮和从动齿轮分别安装在泵体内，主动齿轮与从动齿轮啮合，泵盖设置两个，两个泵盖与泵体之间之间设置有浮动侧板，齿轮端面与浮动侧板之间形成一层油膜，在齿轮轴向上，浮动侧板朝向齿轮端面一侧主要承受液体的液压力为分离力，使得浮动侧板与齿轮端面呈分离趋势，另一侧主要承受液体液压力与密封条的合理，使得浮动侧板与齿轮端面呈靠近趋势。密封条呈“3”字形，浮动侧板上设置有“3”字形密封槽。实际设计时，密封条的位置、对应齿轮泵高压腔区域的高压区包角通常依据经验选定，选定各参数后，然后制作浮动侧板进行模拟试验，通常需要经过很多次模拟试验才能确定最终的参数，整个设计过程浮动侧板参数调整次数较多，造成浮动侧板的设计效率低，进而导致齿轮泵研发周期长且研发成本高的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种齿轮泵浮动侧板设计方法，用于解决目前的齿轮泵浮动侧板的参数仅依靠经验选定造成试验次数多、研发周期长、研发成本高的技术问题。

本发明的齿轮泵浮动侧板设计方法采用如下技术方案：

浮动侧板上供转轴穿过的孔为转轴孔，以两个转轴孔中心连线的中点为原点建立直角坐标系，两个转轴孔中心连线在x轴上，浮动侧板关于y轴对称；通过计算浮动侧板朝向齿轮端面一侧受力ff1、浮动侧板背向齿轮一侧受力fyj、浮动侧板朝向齿轮端面一侧受力绕x轴的力矩mf1-x、浮动侧板背向齿轮一侧受力绕x轴的力矩myj-x，使浮动侧板两侧的合力和绕x轴的合力矩均为零，列出参数调整方程组：ff1-fyj＝0，mf1-x-myj-x＝0，根据参数调整方程组拟定浮动侧板参数，使浮动侧板参数满足参数调整方程组，然后对浮动侧板进行模拟试验。

本发明的有益效果：浮动侧板关于y轴对称，齿轮两端的两个浮动侧板所受压强关于y轴对称，所以浮动侧板所受的相对y轴合力矩my为0。浮动侧板所受压强分布相对x轴不对称，因此，浮动侧板所受力绕x轴形成的mx力矩是否为0，是影响浮动侧板的工作状态的重要因素，本发明的齿轮泵浮动侧板设计方法通过计算浮动侧板两侧的受力和绕x轴的力矩，浮动侧板参数调整需要保证浮动侧板两侧的合力和绕x轴的合力矩为零，缩小了浮动侧板参数的试验范围，减少了浮动侧板的模拟试验次数，避免了对不满足位置调整方程的浮动侧板参数进行不必要的模拟试验，解决了目前的齿轮泵浮动侧板的参数仅依靠经验选定造成试验次数多、研发周期长、研发成本高的技术问题。

进一步的，浮动侧板对应的齿轮的齿顶圆半径r3，计算浮动侧板朝向齿轮端面一侧受力ff1时，将与齿槽的端部开口相对的部分等效为内径为r2、外径为r3的圆环，与齿槽端部开口相对部分的面积为scc，等效后圆环面积为scd＝scc，然后计算浮动侧板朝向齿轮端面一侧受力ff1。将齿槽端部开口相对的部分等效为圆环后，便于计算，简化模型的复杂程度，提高设计效率。

进一步的，浮动侧板上对应低压腔区域的低压区包角为α1，对应高压腔区域的高压区包角为α2，转轴孔半径r1，两个转轴孔中心距为a，定义浮动侧板上处于两对称部分分界处的线段为对称分界线段，对称分界线段对应的圆心角为2α4，α4＝arcos(a/(2r1))，

齿轮泵高压腔压强为po，低压腔压强为pi，

半径为r2的圆为等效圆，两个等效圆的公共弦对应的圆心角为2α3，α3＝arcos(a/(2r2))，

在浮动侧板的圆周方向，从与齿轮泵低压腔相通区域到与齿轮泵高压腔相通区域压强逐渐增大，在浮动侧板径向方向，从外围至中心压强逐渐减小，简化压强变化为线性变化，依据此，简化浮动侧板承受的液压压强计算；

在浮动侧板朝向齿轮端面一侧，半径为r，与x轴夹角为α时，该处压强为pf1(α,r)：

当0≤α≤α1，r1≤r≤a/(2·cosα)或r1≤r≤r3时，压强为：pf1(α,r)＝pi，

当α1≤α≤2π-α2，r2≤r≤r3时，压强为：pf1(α,r)＝po，

当2π-α2≤α≤2π-α4,r2≤r≤r3或r2≤r≤a/(2cosα)时，压强为：

在r1≤r≤r2区域内，沿径向方向，在离心力和摩擦力等作用下，压强pf1(α,r)随着半径的减小而减小；

当α1≤α≤2π-α2，r1≤r≤r2时，压强

当2π-α2≤α≤2π-α3，r1≤r≤r2时，压强

当2π-α3≤α≤2π，r1≤r≤a/(2·cosα)时，压强

浮动侧板朝向齿轮端面的一侧受力：ffl＝2∫∫pfl(α,r)rdrdα，

浮动侧板朝向齿轮端面的一侧受力绕x轴的力矩：mfl-x＝2∫∫pfl(α,r)r²sinαdrdα。通过将浮动侧板朝向齿轮端面一侧的各区域分区计算，并且各区域的压强分开计算，提高计算精度。

进一步的，在计算fyj、mf1-x时，首先建立浮动侧板上与密封条配合的密封条配合部分的初始模型，具体计算方式如下：

1)模型建立

密封条配合部分呈“3”形，浮动侧板上密封条配合部分包括两个大圆弧段、一个小圆弧段、处于两端的端部直段，小圆弧段处于两个大圆弧段之间，两个大圆弧段分别以转轴孔中心为圆心，小圆弧段的圆心处于原点处，端部直段沿转轴孔径向延伸；小圆弧段为半圆弧段，小圆弧段与大圆弧段的连接点处于x轴上；

其中浮动侧板上与密封条配合部分的宽度为w，大圆弧段内径r4，外径r5为(r4+w)，大圆弧段对应的圆心角为β；小圆弧段内径r6＝(a/2-r5)，小圆弧段外径r7＝(r6+w)；

2)密封条配合部分面积为sm，处于密封条配合部分高压侧的面积为sg，处于密封条配合部分低压侧的面积为sd，计算密封条配合部分高压侧的受力和力矩：

在密封条配合部分高压侧，压强p＝po，po为齿轮泵高压腔压强，密封条配合部分高压侧所受合力fg和力矩mgx如下：

fg＝posg，

mgx＝∫pyds＝p0∫ydsg，

在密封条配合部分，单位面积上压力其中为密封条压缩率，所受合力fm和力矩mmx如下：

mmx＝∫y*pm(ζ)dsm＝pm(ζ)∫ydsm，

mmx＝mmx1+mmx2+mmx3，

在密封条配合部分低压侧，压强p＝pi，所受合力fd和力矩mdx如下：

fd＝pisd，

mdx＝∫y*pidsd＝pi∫ydsd，

∫ydsd＝∫ydsd1+∫ydsd2+∫ydsd3

＝sd1-x+sd2-x+sd3-x，

因此，浮动侧板背向齿轮一侧受力fyj和相对x轴的力矩myj-x如下：

fyj＝2(fm+fg+fd)，

myj-x＝2(mgx+mmx+mdx)；

3)计算出密封条配合部分的位置参数r4和β。

有益效果：通过建立浮动侧板的密封条配合部分模型，对密封条位置调整进行约束，减少了密封条的调整次数，根据浮动侧板的已知参数可以获知密封条的位置，能够确保浮动侧板两侧的受力平衡且力矩平衡，提高了浮动侧板的设计效率，进而降低研发周期，降低研发成本。

附图说明

图1是本发明齿轮泵浮动侧板设计方法具体实施例1中浮动侧板朝向齿轮端面一侧与齿轮的配合结构示意图；

图2是本发明齿轮泵浮动侧板设计方法具体实施例1中在某状态下与齿轮槽槽口相对的部分的结构示意图；

图3是本发明齿轮泵浮动侧板设计方法具体实施例1中浮动侧板朝向齿轮端面一侧的等效计算模型；

图4是本发明齿轮泵浮动侧板设计方法具体实施例1中浮动侧板朝向齿轮端面侧一半的参数示意图；

图5是本发明齿轮泵浮动侧板设计方法具体实施例1中浮动侧板背向齿轮端面侧一半的分区示意图；

图6是本发明齿轮泵浮动侧板设计方法具体实施例1中浮动侧板背向齿轮端面侧一半的参数示意图；

图中：1-浮动侧板；11-转轴孔；12-密封条配合部分；121-大圆弧段；122-小圆弧段；123-端部直段。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明齿轮泵浮动侧板设计方法的具体实施例1：

本实施例中以调整齿轮泵浮动侧板密封条位置进行说明。

如图1至图6所示，浮动侧板1上有两个转轴孔11，两个转轴孔11供转轴穿过。以两个转轴孔11中心连线的中点为原点建立直角坐标系，两个转轴孔11中心连线在x轴上，浮动侧板1关于y轴对称。通过计算浮动侧板1朝向齿轮端面一侧的受力ff1、浮动侧板1背向齿轮一侧的受力fyj、浮动侧板1朝向齿轮端面一侧受力绕x轴的力矩mf1-x、浮动侧板1背向齿轮一侧受力绕x轴的力矩myj-x，浮动侧板朝向齿轮端面一侧主要承受液体的液压力ff1为分离力，使得浮动侧板与齿轮端面呈分离趋势，另一侧主要承受液体液压力与密封条的合力fyj，使得浮动侧板与齿轮端面呈靠近趋势。

使浮动侧板1两侧的合力和绕x轴的合力矩均为零，列出参数调整方程组：

ff1-fyj＝0，

mf1-x-myj-x＝0，

根据参数调整方程组拟定浮动侧板1参数，使浮动侧板1参数满足参数调整方程组，然后对浮动侧板1进行模拟试验。具体方式如下：

两个转轴孔11中心距为a，转轴孔11半径r1，浮动侧板1对应的齿轮的齿顶圆半径r3，为了方便计算，将浮动侧板1上与齿槽的端部开口相对的部分等效为内径为r2、外径为r3的圆环。

浮动侧板1上对应低压腔区域的低压区包角为α1(进口包角)，浮动侧板1上对应高压腔区域的高压区包角为α2(出口包角)，半径为r2的圆为等效圆，两个等效圆的公共弦对应的圆心角为2α3，α3＝arcos(a/(2r2))，定义浮动侧板1上处于两对称部分分界处的线段为对称分界线段，对称分界线段也即两个齿顶圆的公共弦，对称分界线段对应的圆心角为2α4，α4＝arcos(a/(2r1))，齿轮泵高压腔压强为po，齿轮泵高压腔与出口相通；齿轮泵低压腔压强为pi，齿轮泵低压腔与入口相通。

以齿轮齿廓为边界，将浮动侧板1朝向齿轮端面一侧的受力区域分为sf1和sf2。sf1区域为齿轮轮廓至齿顶圆之间的区域，sf2区域为齿轮轮廓至轴径之间的区域。与齿槽端部开口相对部分的面积为scc＝sf1。

齿槽相对于浮动侧板1的位置是周期性连续变化的，为了便于计算分析，将sf1和sf2等效为与轮轴孔同心的两个圆环面积，将sf1等效为与轮轴孔同心的圆环面积为scd，外圆与齿顶圆相同，如图2和图3所示，

由scc＝scd，r3＝ra，

scc≈πdjm，

scd＝π(ra²-r2²)，

ra为浮动侧板1外圆半径，dj为渐开线齿轮的节圆直径渐开线齿轮的节圆直径dj＝zm(z为齿轮齿数，m为齿轮模数)，

可求得r2。

1)首先计算浮动侧板1朝向齿轮端面一侧的受力ff1及受力绕x轴的力矩mf1-x，浮动侧板1是关于y轴对称的，所以计算浮动侧板1的一半，然后乘以2即可得出浮动侧板1朝向齿轮端面一侧的受力和力矩。一半等效浮动侧板如图4所示，浮动侧板1与齿轮之间的缝隙中，与齿轮泵低压腔相通区域压强为pi，与齿轮泵高压腔相通区域压强为po。在浮动侧板1的圆周方向，从与齿轮泵低压腔相通区域到与齿轮泵高压腔相通区域压强逐渐增大，在浮动侧板1径向方向，从r3到r1，压强逐渐减小。简化压强变化为线性变化，依据此，简化浮动侧板1承受的液压压强计算。

在浮动侧板朝向齿轮端面一侧，半径为r，与x轴夹角为α时，该处压强为pf1(α,r)。

当0≤α≤α1，r1≤r≤a/(2·cosα)或r1≤r≤r3时，压强pf1(α,r)＝pi，

当α1≤α≤2π-α2，r2≤r≤r3时，压强pf1(α,r)＝po，

当2π-α2≤α≤2π-α4,r2≤r≤r3或r2≤r≤a/(2cosα)时，压强

在r1≤r≤r2区域内，沿径向方向，在离心力和摩擦力等作用下，压强pf1(α,r)随着半径的减小而减小；

当α1≤α≤2π-α2，r1≤r≤r2时，压强

当2π-α2≤α≤2π-α3，r1≤r≤r2时，压强

当2π-α3≤α≤2π，r1≤r≤a/(2·cosα)时，压强

浮动侧板1朝向齿轮端面的一侧受力：ffl＝2∫∫pfl(α,r)rdrdα，

浮动侧板1朝向齿轮端面的一侧受力绕x轴的力矩：mfl-x＝2∫∫pfl(α,r)r²sinαdrdα。

2)计算浮动侧板1背向齿轮一侧受力fyj、浮动侧板1背向齿轮一侧受力绕x轴的力矩mf1-x：

a、模型建立

密封条配合部分12呈“3”形，浮动侧板1上密封条配合部分12包括两个大圆弧段121、一个小圆弧段122、处于两端的端部直段123，小圆弧段122处于两个大圆弧段121之间，两个大圆弧段121分别以转轴孔中心为圆心，小圆弧段122的圆心处于原点处，端部直段123沿转轴孔11径向延伸；小圆弧段122为半圆弧段，小圆弧段122与大圆弧段121的连接点处于x轴上。大圆弧段对应的内径大于小圆弧段对应的内径。

其中浮动侧板1上与密封条配合部分12的宽度为w，大圆弧段121内径r4，外径r5＝(r4+w)，大圆弧段121对应的圆心角为β；小圆弧段122内径r6＝(a/2-r5)，小圆弧段122外径r7＝(r6+w)。

b、由于浮动侧板1关于y轴对称，y轴两侧力分布相同。计算浮动侧板1的一半受力乘以2即可得出浮动侧板1背向齿轮一侧的受力和力矩，如图5所示，密封条配合部分12面积为sm，处于密封条配合部分12高压侧的面积为sg，处于密封条配合部分12低压侧的面积为sd，计算密封条配合部分12高压侧的受力和力矩：

在密封条配合部分12高压侧，压强p＝po，po为齿轮泵高压腔压强，密封条配合部分12高压侧所受合力fg和力矩mgx如下：

fg＝posg，

mgx＝∫pyds＝p0∫ydsg，

在密封条配合部分12，单位面积上压力其中为密封条压缩率，所受合力fm和力矩mmx如下：

mmx＝mmx1+mmx2+mmx3，

在密封条配合部分12低压侧，压强p＝pi，所受合力fd和力矩mdx如下：

fd＝pisd，

mdx＝∫y*pidsd＝pi∫ydsd，

∫ydsd＝∫ydsd1+∫ydsd2+∫ydsd3

＝sd1-x+sd2-x+sd3-x，

因此，浮动侧板背向齿轮一侧受力fyj和相对x轴的力矩myj-x如下：

fyj＝2(fm+fg+fd)，

myj-x＝2(mgx+mmx+mdx)；

c、根据参数调整方程组计算出密封条配合部分12的位置参数r4和β。

其他参数根据经验值确定，根据上述方式确定密封条配合部分12的位置参数r4和β，然后进行模拟试验，如果试验结果不满足要求，则改变其他参数，根据上述方式重新确定密封条配合部分12的位置参数r4和β，然后继续进行模拟试验。

本发明的齿轮泵浮动侧板1设计方法通过计算浮动侧板1相对两侧的受力和力矩，可以对密封条的位置调整进行约束，在密封条位置调整的过程中，需要始终满足：ff1-fyj＝0，mf1-x-myj-x＝0，在其他参数不变时，不需要改变密封条配合部分12的位置，提高了浮动侧板1的设计效率，降低了研发成本。

本实施例中的密封条配合部分12为与密封条配合的密封平面，其他实施例中，密封条安装在浮动侧板上时，密封条配合部分可以是安装密封条的安装槽。

本发明的齿轮泵浮动侧板1设计方法的具体实施例2：

与具体实施例1的区别仅在于：本实施例中根据经验选定高压区包角为α2之外的其他参数，待其他参数确定后，根据参数调整方程组确定高压区包角的值，然后对浮动侧板进行模拟试验。其他实施例中，也可以根据参数调整方程组确定浮动侧板参数的其他值，比如低压区包角等。

其他实施例中，齿轮泵浮动侧板设计方法中ff1、fyj、mf1-x、myj-x的计算可以采用其他计算方式，比如浮动侧板朝向齿轮端面一侧的作用力ff1时，将与齿槽的端部开口相对的部分不等效为圆环，按照实际的面积计算，此时可以借助计算机软件建模后对面积进行计算，比如通过matlab等软件辅助计算；对密封条配合部分建模时，也可以建立其他的模型，比如大圆弧段与转轴孔偏心的模型。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。