[發(fā)明專利]一種航天用泵的輕量化漸開線齒廓構(gòu)造及其逆向設(shè)計(jì)方法

有效

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• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111442074B
• 公開（公告）日: 2023-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李玉龍;劉萍;范鈞;臧勇
• 申請（專利權(quán)）人: 宿遷學(xué)院
• 主分類號: F16H55/08
• 分類號: F16H55/08
• 代理公司: 宿遷市永泰睿博知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32264
• 代理人: 孫麗麗

本發(fā)明公開了一種航天用漸開線齒輪泵，包括主動(dòng)輪和與其構(gòu)成嚙合運(yùn)動(dòng)的完全相同的從動(dòng)輪，所述主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的輪廓為：半齒輪廓通過鏡像操作后圓周陣列操作的構(gòu)造設(shè)置，所述半齒輪廓由齒頂圓弧段12、頂過渡圓弧段23、漸開線輪廓段34、根過渡圓弧45，組成首尾相連的4段輪廓段本發(fā)明在主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的嚙合運(yùn)動(dòng)中，頂過渡圓弧段23的構(gòu)造是為了彼此間能完全避讓齒基點(diǎn)4。本發(fā)明旨在滿足漸開線齒輪泵性能要求的基礎(chǔ)上，采用與現(xiàn)行正向流程相反的逆向流程，以最能體現(xiàn)漸開線齒輪泵性能的重合度和齒數(shù)作為齒廓構(gòu)造的直接參數(shù)，并通過形狀系數(shù)最大化及以其為前提的模數(shù)最大化，從而實(shí)現(xiàn)航天用泵的輕量化性能要求，方法簡單。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一類泵用齒輪，特別涉及到輕量化齒廓構(gòu)造及其參數(shù)逆向設(shè)計(jì)的泵用齒輪。

背景技術(shù)：

齒輪泵是一種泵送工作介質(zhì)的液壓元件，應(yīng)用極其廣泛，在大型航天器的水處理系統(tǒng)和熱控系統(tǒng)中也得到運(yùn)用，航天高發(fā)射成本由此對泵輕量化性能提出了更高要求，由完全相同的一對齒輪所構(gòu)成的齒輪副是該泵的核心部件，其輪廓參數(shù)(簡稱為齒廓參數(shù))的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響了泵的性能。現(xiàn)有研究表明泵輕量化程度取決于齒輪的齒頂圓半徑的最大化程度，齒頂圓半徑越大，泵輕量化性能越好。

在各種傳動(dòng)形式中，漸開線齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用最為普遍，為此國內(nèi)外制定了大量的標(biāo)準(zhǔn)以規(guī)范其設(shè)計(jì)和加工，規(guī)范內(nèi)容一般為模數(shù)、齒數(shù)、變位系數(shù)和齒頂高系數(shù)等齒廓構(gòu)造的基本參數(shù)。

泵用齒輪作為齒輪在泵上的特殊應(yīng)用，設(shè)計(jì)上目前多延續(xù)“規(guī)范”齒輪的設(shè)計(jì)方法，即采用由“額定轉(zhuǎn)速、額定壓力、額定流量的工況參數(shù)→設(shè)計(jì)出泵用齒廓的基本參數(shù)→泵容積效率、流量脈動(dòng)、傳動(dòng)、氣穴等性能要求的校核”的正向流程。其中，該流程為一反復(fù)過程，直到所設(shè)計(jì)出的基本參數(shù)能完全滿足泵性能要求為至，因此，設(shè)計(jì)效率相對低下。

設(shè)定基本參數(shù)的目的原在于“規(guī)范”漸開線齒輪的設(shè)計(jì)與加工，但它們卻不能直接體現(xiàn)泵性能的特殊要求，按照現(xiàn)有的正向流程，反而將最能夠體現(xiàn)泵性能要求的重合度、齒頂角、形狀系數(shù)等歸結(jié)為齒廓的間接參數(shù)。

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的快速發(fā)展，泵用齒輪的少齒數(shù)無根切加工等早已不是問題。

航天用漸開線齒輪泵主要涉及到的性能要求為(1)由徑向密封所限定的最小齒頂半角σ_min；(2)由平穩(wěn)傳動(dòng)等所限定的1.05～1.15之間的重合度ε；(3)由脈動(dòng)質(zhì)量所要求的最少齒數(shù)z；(4)泵氣蝕性能所限定的齒頂最大圓周速度v_max；(5)輕量化性能要求齒頂圓半徑的最大化程度。

現(xiàn)有研究表明泵輕量化取決于齒輪的齒頂圓半徑r_a的最大化，而“齒頂圓半徑r_a＝形狀系數(shù)λ×節(jié)圓半徑r”，得泵輕量化等價(jià)于λ最大化前提下的r最大化；而r＝“0.5m×z×cosα_n/cosα”，在λ最大化和脈動(dòng)質(zhì)量所要求的最少齒數(shù)z前提下，分度圓壓力角α_n＝20°、節(jié)圓壓力角α和齒數(shù)z均為確定值，其中，齒數(shù)z即為由脈動(dòng)質(zhì)量所要求的最少齒數(shù)。則，泵輕量化程度又等價(jià)于λ最大化前提下模數(shù)m的最大化。

λ最大化程度由齒頂半角σ≥σ_min、z、ε＝1.05～1.15所共同決定，而σ由齒輪副間恰好的避讓關(guān)系直接計(jì)算出；模數(shù)m的最大化由齒頂圓周速度v“＝λr×πn/30”小于v_max所確定，n為額定轉(zhuǎn)速，v_max由介質(zhì)粘度所決定。則，ε、z、σ_min、v_max、n為本發(fā)明預(yù)先確定的五個(gè)獨(dú)立參量。

發(fā)明內(nèi)容

針對航天用泵的齒輪的特殊應(yīng)用要求，通過采用與正向流程相反的逆向流程，徹底從泵性能的實(shí)際要求出發(fā)，以最能體現(xiàn)泵用性能的所謂的“間接參數(shù)”作為齒廓的直接構(gòu)造參數(shù)，是航天用泵的輕量化漸開線齒廓構(gòu)造及逆向設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。