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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳冠瑋
研究生(外文):Guan-Wei Chen
論文名稱:包含洩漏與應力分析之齒輪泵浦最佳化設計與實驗
論文名稱(外文):The Optimization Design and Experiment of Gear Pumps Including Consideration Leakages and Stress Analyses
指導教授:黃國饒
指導教授(外文):Kuo-Jao Huang
學位類別:碩士
校院名稱:中華大學
系所名稱:機械工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:99
語文別:中文
中文關鍵詞:齒輪泵浦排量有限元素法最佳化
外文關鍵詞:GearPumpDisplacementFinite element methodOptimization
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  泵浦是機械系統的重要組成,運用領域極為多元化,在各種產業常扮演關鍵角色。泵浦種類繁多,大至可分為流體靜力型式泵浦(hydrostatic pump)與流體動力型式泵浦(hydrodynamic pump)二種型式。齒輪泵浦(gear pump)即為流體靜力型式泵補,屬於定容積型式(或稱為排量型式)中的旋轉泵浦。其中,齒輪泵浦由於具有流量連續穩定、高運轉可靠度以及可負荷中到大壓力的優良特性,為重要的泵浦種類,至今關於齒輪泵浦設計、製造等技術在工業界持續研究發展。齒輪泵浦依使用齒輪的種類型式,又可分為外齒輪泵浦與內齒輪泵浦,而其中利用外正齒輪運轉嚙合之正齒輪泵浦,機構動作與轉動流體穩定度高,並且可以精密製造完成,在石化工業、紡絲工業及汽車工業等產業運用,都極為重要。
  外正齒輪泵浦工作原理是利用嚙合齒輪對的旋轉過程中,將液體從入口端填充到攜油區帶動至出口端輸出。外正齒輪泵具有組成零件單純、運作穩定度高,極適用將其運用於高黏滯係數流體和高壓力的運作環境,然而齒輪泵浦在設計與製造之限制,仍會有流體之壓力、流量變動或洩漏等現象,其中嚙合區造成困油壓力變動更是造成液壓或各種管路系統震動及噪音的主要來源。因此,如何提高齒輪泵浦設計與製造技術以符合更嚴格的應用要求,必須包括準確計算理論排量,以及有效的考慮泵浦洩漏分析與齒輪應力特性,以獲得穩定最大排量輸出,達到高精度、高穩定、壽命長、低震動與低噪音的泵浦性能,是很重要的課題。本文之研究即在整合外正齒輪泵浦的幾何關係、理論排量、洩漏量大小、齒輪應力以及各種設計與製造限制之考慮,希望完成排量最佳化設計分析,並進行影響參數探討,以建立有用之齒輪泵浦設計最佳化的分析技術。

Displacement efficiency, flow rate fluctuation, and stresses on gears are the essential considerations in designing gear pumps. Therefore, this thesis develops an optimal approach to facilitate pump design by taking the constraint consideration of geometric relation, displacement, pressure, leakage, and gear stresses into account. An experimental result of the pump displacement is used to verify the numerical result. Additionally, through parametric analyses, optimal pumps to attain an excellent displacement incorporating wide design and manufacturing constraints can be achieved.
Firstly, using a derived analytic expression for pump flow rate, the pump theoretical displacements, dimensionless displacements, and flow rate fluctuation can be calculated. Then, both the models of the pressurized and shear flow theories for the parallel plates are used to obtain the leakage and pressure of the carry over region. Also, the pressure distribution of the meshing region is also included through the hydrodynamic analysis. The flow behavior of the SGP using three kinds of relief grooves is also analyzed to reveal the relation between its flow rate and dynamic pressure and pump relief groove design. The essential role for relief grooves is demonstrated. In the finite element stress analysis to pump gears, the resulting pressures are imported into package ANSYS via APDL programming. Accordingly, the fillet bending stress and contact stress of gear pairs are obtained. The essentiality of pump pressure in the gear stress analysis is exhibited. Finally, including the constraints incorporating the design, machining, and stress considerations, the optimization analysis to obtain the geometric displacement of the spur gear pumps is performed using an optimal code, MOST. Furthermore, parametric study is executed. The influences of gear design factors of the module, tooth number, and pressure angle on the displacement and flow rate fluctuation of the optimization spur gear pumps are investigated.

第一章 序論
1.1 研究背景
1.2 研究動機與目的
1.3 文獻回顧
1.4 內容大綱
第二章 齒輪泵浦理論排量
2.1 正齒輪式泵浦構造與原理
2.1.1 回流現象與卸壓槽設計
2.2 齒輪泵浦理論排量推導
2.2.1 輪齒面積
2.2.2 泵浦淨輸出容積流率
第三章 包含洩漏與壓力條件
3.1 洩漏
3.1.1 齒頂與腔體之間隙洩漏
3.1.2 壓力與軸偏心洩漏
3.2 泵浦內腔壓力分佈
3.3 泵浦卸壓槽與嚙合區壓力
第四章 數值分析結果
4.1 齒輪泵浦排量與洩漏分析
4.2 齒輪泵浦流量模擬與測試
4.2.1 測試泵浦簡介
4.2.2 流量測試台簡介
4.2.3 泵浦參數條件與實驗程序
4.2.4 流量測試與模擬結果
4.3 齒輪泵浦排量與洩漏參數分析
4.3.1 出口壓力變化
4.3.2 齒頂與腔體間隙變化
4.3.3 流體黏度參數變化
4.3.4 泵浦轉速變化
4.3.5 嚙合背隙參數值變化
4.4 齒輪泵浦嚙合區壓力分析
4.4.1 齒輪泵浦嚙合區壓力參數分析
4.4.2 出、入口壓力差變化
4.4.3 不同轉速與壓力變化
4.4.4 卸壓槽偏移與壓力變化
4.5 泵浦齒輪應力分析
4.5.1 有限元素模型
4.5.2 邊界條件
4.5.3 齒輪應力參數分析
第五章 齒輪泵浦排量最佳化分析
5.1 泵浦排量最佳化分析流程
5.2 泵浦排量最佳化之數值結果
5.3 泵浦排量最佳化參數分析
5.3.1 模數
5.3.2 齒數
5.3.3 壓力角
第六章 結論與未來發展
6.1 結論
6.2 未來展望

1.K. Nagamura, K. Ikejo, and F. G. Tutulan, 2004, “Design and performance of  gear pumps with a non-involute tooth profile,” Proc. Instn. Mech. Engrs Part B: J. Engineering Manufacture, Vol. 218, pp. 699-711.
2.吳育仁、馮恒境、葉佳倫、陳重儒,2006,“外嚙合齒輪泵之卸壓槽設計及數值模擬”,機械月刊,Vol. 32,No.8,pp. 40-49。
3.李玉龍、王學軍、顏廣華,2004,“外嚙合困油歷程的仿真研究”,合肥學院機械系(中國大陸),Vol. 28,No.6,pp. 19-21。
4.杜昌義,2002,“齒輪泵困油現象及卸荷措施的分析”,四川農機(中國大陸),pp. 24。
5.鄭鳴,2005,“齒輪泵瞬時流量分析及改善措施”,天津成人高等學校聯合學報(中國大陸),Vol. 7,No.5,pp. 43-45。
6.B. Paffoni, 2003, “Pressure and film thickness in a trochoidal hydrostatic gear pump,” Proc. Instn. Mech. Engrs Part G: J. Aerospace Engineering, Vol. 217, pp. 179-187.
7.B. Paffoni, R. Progri, and R. Gras, 2004, “Teeth clearance effects upon pressure and film thickness in a trochoidal hydrostatic gear pump,” Proc. Instn. Mech. Engrs Part G: J. Aerospace Engineering, Vol. 218, pp. 247-256.
8.Y. W. Liu, and K. Tang, 2004, “The design of asymmetric spur gear pump with crisscross spurs structures,” Journal of Dalian Ralway Institute, Vol. 25, No. 3, pp. 28-30.
9.毛平淮、侯波,2005,“平面式並聯齒輪泵”,農業機械學報(中國大陸),
Vol. 36, No.8,pp. 165-167。
10.K. Hou, 2004, “The design of compensating groove in external gear pump,” Fluid Power Transmission and Control, China, No.6(Serial/No.7) , pp. 31-33.
11.N. D. Manring, and S. B. Kasaragadda, 2003, “The theoretical flow ripple of an external gear pump,” Transactions of the ASME, Vol.125, pp. 396-404.
12.R. H. Frith, and W. Scott, 1996, “Comparison of an external gear pump wear model with test data,” Wear, Vol. 196, pp. 64-71.
13.E. Koc, and C. J. Hooke, 1997, “An experimental investigation into the design and performance of hydrostatically loaded floating wear plates in gear pumps,” Wear, Vol. 209, pp. 184-192.
14.E. Koc, 1994, “Bearing misalignment effects on the hydrostatic and hydrodynamic behaviour of gears in fixed clearance end plates, ” Wear, Vol. 173, pp. 199-206.
15.E. Koc, 1991, “An investigation into the performance of hydrostatically loaded end-plates in high pressure pumps and motors: movable plate design,” Wear, Vol. 141, pp. 249-265.
16.K. Foster, R. Taylor, and I. M. Bidhendi, 1985, “Computer prediction of cyclic excitation sources for an external gear pump,” Proc. Inst. Mech. Eng., Part C: J. Mech. Eng. Sci., Vol. 199, No. B3, pp. 175-180.
17.Y. C. Chen, and C.B. Tsay, 2002, “Stress analysis of a helical gear set with localized bearing contact,” Finite Elements in Analysis and Design, Vol. 38 pp. 707-723.
18.林廷軒,2004,“外接正齒輪之最佳間隙研究”,清華大學碩士論文。
19.連文川,2007,“外齒輪式泵浦之容積最佳化與動態特性之研究”,中華大學碩士論文。
20.陳志傑,2009,“進行整合排量與應力特性之外齒輪式泵浦最佳化研究”,中華大學碩士論文。
21. K. J. Huang, and C. C. Chen, 2010, “Geometric Displacement Optimization and Flow Rate Characterization of External Helical Gear Pumps,” Journal of Mechanical Engineering Science, Vol. 223, pp. 2191-2199.

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