多齿轮变量齿轮泵机理研究

摘要

齿轮泵作为齿轮在工业应用中的典型代表液压元件，其具有结构简单且紧凑，体积小、质量轻，污染敏感性小，方便维修，价格低廉等特点，决定了其在液压传动系统中占据举足轻重的重要地位。但是由于普通齿轮泵存在径向力不平衡、流量的脉动大等各种缺陷，其中不能变排量又大大的限制了使用范围。本课题综合普通齿轮泵的结构特点，设计出一种变排量的多齿轮外啮合齿轮泵，降低了种种缺陷的危害。
　　 本文首先通过普通外啮合齿轮泵与多齿轮变量齿轮泵工作原理和流量特性的分析对比，并以齿轮泵体积最小和流量脉动系数最小为双目标，寻求建立多齿轮变量齿轮泵结构的优化数学模型，利用优化设计软件分析得出最优解。
　　 接着针对齿轮泵存在的径向液压力、困油等现象分析计算，可知该变量泵主动轮的径向液压力基本完全平衡;相同排量下，该泵齿顶圆直径比普通齿轮泵大约减少1/3，从动轮径向力也减小1/3，泵体体积减小，受力情况有效改善，不但延长齿轮的工作寿命，而且为解决齿轮泵高压化提供有力措施。同时对主要零件、变量机构进行选材设计，分析可知轴向变量机构的最小啮合宽度bmin≥B/3，则最大排量大约是最小排量的三倍。
　　 而后运用有限元分析软件对多齿轮变量齿轮泵的中心轮、从动轮进行静态分析，得出给定载荷下的应力、位移与安全系数等分布云图，观察分析结果，预测评估其是否满足工作要求，提高结构设计的可靠性。
　　 其次分别分析了普通外啮合齿轮泵与多齿轮变量齿轮泵的几何流量、瞬时流量及瞬时流量特性，通过理论分析得出多齿轮泵的瞬时流量变大，而且降低了流量脉动，流量品质获得很大改善。经过仿真验证结论的真实性。
　　 为进一步探讨多齿轮变量齿轮泵的齿轮传动，运用虚拟样机仿真技术进行运动学仿真和齿轮碰撞接触力的动力学仿真。利用三维软件初步建立结构简化模型，仿真分析得出角速度与接触力的结果图解，并观察记录。同时对普通外啮合齿轮泵进行虚拟运动仿真，通过对比分析我们发现，变量泵的角速度脉动降低，接触力波动变小，峰值下降，流量脉动也降低，明显减小了冲击、振动等对液压系统的损毁，验证了此结构的可行性，而且缩短了产品结构设计周期，提高了工作效率。
　　 为准确捕捉变量泵的内部流场泄漏的变化情况，针对此齿轮泵的三维简化模型进行流场仿真，做有限元分析和计算。重点对主要泄漏即端面间隙和径向间隙的泄漏仿真，仿真分析出当压差△p=2Mpa时，不同端面间隙、径向间隙与泄漏流量的关系，为深入研究齿轮泵的内部流场奠定了坚实的基础。

目录

声明

摘要

引言

1 绪论

1．1 齿轮泵的研究现状及发展趋势

1．2 本课题研究的意义

1．3 多齿轮变量齿轮泵的结构设计方案

1．4 本课题研究的主要内容与目的

2 多齿轮变量齿轮泵的结构优化设计

2．1 简介优化工具箱

2．2 多目标函数的最优化

2．3 多齿轮变量齿轮泵的优化设计

2．3．1 建立优化数学模型与目标函数

2．3．2 确定约束条件

2．3．3 编程求最优解

2．3．4 小结

2．4 多齿轮变量齿轮泵的结构设计

2．4．1 齿轮泵关键结构形式的确定

2．4．2 关键零件的结构设计

2．4．3 小结

2．5 多齿轮变量齿轮泵的静态分析

2．5．1 多齿轮变量齿轮泵的有限元分析

2．5．2 从动轮的静态分析

2．5．3 小结

2．6 变量机构设计

2．7 本章小结

3 多齿轮变量齿轮泵的流量特性分析

3．1 普通外啮合齿轮泵流量特性的研究

3．1．1 普通外啮合齿轮泵的几何排量

3．1．2 普通外啮合齿轮泵的瞬时流量

3．1．3 瞬时流量的品质分析

3．1．4 瞬时流量特性的仿真研究

3．2 多齿轮变量齿轮泵的流量特性研究

3．2．1 多齿轮变量齿轮泵的几何排量

3．2．2 瞬时流量特性的仿真研究

3．3 本章小结

4 多齿轮变量齿轮泵的运动仿真

4．1 简介运动仿真软件

4．2 普通外啮合齿轮泵的三维建模

4．3 普通外啮合齿轮泵的运动学仿真

4．3．1 运动学仿真插件简介

4．3．2 普通外啮合齿轮泵的运动学仿真

4．3．3 普通外啮合齿轮泵的运动学仿真方法二

4．3．4 小结

4．4 多齿轮变量齿轮泵的运动学仿真

4．5 普通外啮合齿轮泵的动力学仿真

4．5．1 基于Hertz静力弹性接触理论轮齿接触力的理论分析

4．5．2 普通外啮合齿轮泵接触力的动力学仿真

4．6 多齿轮变量齿轮泵的动力学仿真

4．7 本章小结

5 多齿轮变量齿轮泵的流场仿真

5．1 简介计算流体动力学软件

5．2 多齿轮变量齿轮泵的端面泄漏仿真

5．2．1 齿轮端面泄漏分析

5．2．2 平行圆盘间隙流动理论

5．2．3 多齿轮变量齿轮泵端面泄漏的理论分析

5．2．4 齿轮端面泄漏的流场仿真

5．3 齿轮径向泄漏分析

5．3．1 平行平板间隙理论

5．3．2 多齿轮变量齿轮泵径向泄漏理论分析

5．4 齿轮径向泄漏的流场仿真

5．5 齿面啮合处间隙泄漏

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果

攻读硕士学位期间主要科研成果