柱塞泵缸体-主轴花键齿面修形及抗磨损研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.08.012

摘要/Abstract

摘要：

轴向柱塞泵在运行过程中，其柱塞腔内压力的变化易使缸体和主轴花键碰撞时产生应力集中现象，加剧齿面的微动磨损。为了延长其花键的使用寿命，结合有限元法和Archard模型，对柱塞泵缸体和主轴花键抗磨损设计进行了研究。首先利用有限元法建立了轴向柱塞泵缸体-主轴花键碰撞有限元模型；然后提出一种新的渐开线花键副修形方法，对比传统的齿向修形方法，对花键副修形前后的接触特性进行分析；最后结合Archard模型对花键副修形前后的齿面微动磨损进行预测和对比。结果表明：对花键齿面进行适当的修形后，其接触时的应力集中现象有所缓解，齿面的最大接触应力有所减小；四种修形法都可以降低花键两端的齿面微动磨损，精准齿面修形法的修形效果比传统的齿向修形法好一些。研究结果对柱塞泵花键运行的可靠性和抗磨损设计有一定的指导意义。

关键词: 轴向柱塞泵, 有限元法, 齿向修形, 接触特性, 微动磨损

Abstract:

During the operations of an axial piston pump， the changes in pressure inside the piston chamber might easily cause stress concentration when the contact of the spline pair between the cylinder and shaft of piston pumps， exacerbating the fretting wear of the tooth surfaces. In order to extend the service life of the splines， finite element method and Archard model were combined to study the wear resistance design of the spline pair between the cylinder and shaft of piston pumps. Firstly， a finite element contact model of the spline pair between the cylinder and shaft of piston pumps was developed using the finite element method. Secondly， a new method for modifying involute spline pairs was proposed， and compared with traditional tooth profile modification methods， the contact characteristics of spline pairs before and after modification were analyzed. Finally， the Archard model was used to predict and compare the fretting wear of the tooth surfaces before and after the modification of the spline pair. The results show that after appropriate modification of the spline tooth surfaces， the stress concentration phenomenon during contact is alleviated， and the maximum contact stress of the tooth surfaces is reduced. All four modification methods may reduce the fretting wear of the tooth surfaces at both ends of the spline， and the precise tooth surface modification method has a better modification effectiveness than the traditional tooth profile modification method. The results have certain guiding significance for the reliability and wear resistance design of piston pump spline operations.

Key words: axial piston pump, finite element method, tooth profile modification, contact characteristics, fretting wear

中图分类号:

TH322

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图/表 11

图1 鼓形修形示意图

Fig.1 Drum shaped modification diagram

图2 空间点阵移动示意图

Fig.2 Spatial lattice movement diagram

表1 缸体和主轴花键副参数

Tab.1 Parameters of cylinder and shaft spline pair

参数	外花键	内花键
齿数z	16	16
压力角α/（°）	30	30
齿顶圆直径D_a/mm	12.75	11.36
齿厚H/mm	1.31	1.29
泊松比υ	0.28	0.28
模数m/mm	0.75	0.75
齿槽宽E/mm	1.12	1.04
齿根圆直径D_f/mm	10.88	13.13
弹性模量E/GPa	211	211

图3 柱塞泵缸体-主轴花键碰撞有限元模型

Fig. 3 Finite element contact model of the spline pair between the cylinder and shaft of the piston pump

表2 刚度阻尼设置参数

Tab.2 Parameters of stiffness and damping

参数名称	参数值
轴承1沿Y向的刚度K_sh1_y /（N·m^-1）	2.8×10⁷
轴承1沿Z向的刚度K_sh1_z /（N·m^-1）	2.8×10⁷
轴承1沿Y向的阻尼C_sh1_y /（N·s·m^-1）	2.0×10³
轴承1沿Z向的阻尼C_sh1_z /（N·s·m^-1）	2.0×10³
轴承2沿Y向的刚度K_sh2_y /（N·m^-1）	3.2×10⁷
轴承2沿Z向的刚度K_sh2_z /（N·m^-1）	3.2×10⁷
轴承2沿Y向的阻尼C_sh2_y /（N·s·m^-1）	1.0×10³
轴承2沿Z向的阻尼C_sh2_z /（N·s·m^-1）	1.0×10³
轴承3沿Y向的刚度K_sh3_y /（N·m^-1）	2.0×10⁷
轴承3沿Z向的刚度K_sh3_z /（N·m^-1）	2.0×10⁷
轴承3沿Y向的阻尼C_sh3_y /（N·s·m^-1）	2.0×10³
轴承3沿Z向的阻尼C_sh3_z /（N·s·m^-1）	2.0×10³
缸体与配流盘间的刚度K_vp/（N·m^-1）	8.5×10⁸
缸体与配流盘间的阻尼C_vp/（N·s·m^-1）	1.0×10³

图4 不同修形下花键齿面接触应力云图

Fig. 4 Cloud diagram of contact pressure on spline tooth surface at different modifications

图5 不同修形下花键齿面最大接触应力

Fig. 5 Maximum contact pressure on spline tooth surface at different modifications

图6 微动磨损预测流程

Fig.6 The estimated process of fretting wear

图7 不同修形下花键各位置的磨损增量

Fig.7 Wear increments at different positions of splines under different modifications

图8 不同修形方法下各齿的磨损量预估

Fig.8 Estimation of wear amount of each tooth under different modifications

图9 不同修形方法下各齿最大磨损量

Fig. 9 Maximum wear of each tooth under different modifications

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