齿轮泵的结构改进设计【UG】【18300字】【优秀机械毕业设计论文】

文档包括:
说明书一份。54页。18300字左右。
开题报告一份。
计划周记进度检查表一份。
UG图一套。

毕 业 设 计论 文 任 务 书
一、题目及专题：
1、题目　　 齿 轮 泵 的 结 构 改 进 设 计 　　 
2、专题　 　
二、课题来源及选题依据
自古以来，人类就对水运输以及提升非常重视。很早以前人类就已经发明了多种水的运输及提升工具。比如三千年前辘轳和桔槔已经在中国使用了；三千七百年前埃及的链泵也对水的运输及提升起到很大的作用；在三千三百年前，螺旋杆的诞生能将水持续不断的提升到一定高度，这种螺旋杆是由阿基米德发明出来的，同现代螺杆泵的机械原理是一样的。 
随着工业的发展，液体运输也应用在多种多样的情况下，因此回转泵出现了。16世纪初，回转泵得到了普遍的应用，但是回转泵一直存在重大的设计缺点，比如效率低，能耗大，泄露大。直到20世纪，回转泵的各个问题才逐渐得到解决，齿轮泵就是一种典型的离心泵，其具有很多优点，比如小体积、结构简单、重量轻、容易加工，并且具有很强的自吸能力，应用范围广泛，可以适用于多种液体介质。 
三、本设计（论文或其他）应达到的要求：
① 熟悉齿轮泵的结构，及工作原理； 
② 熟练运用UG对齿轮泵进行建模及装配； 
③ 了解并分析齿轮泵的瞬间流量、理论排量等输出特性； 
④ 研究流体动力学知识，了解并掌握FLUENT流体分析软件，并对不同齿廓类型的齿轮泵进行流体分析； 
⑤ 比较不同齿廓类型的齿轮泵，分析结果并优化设计出一条新的齿轮泵； 
摘 要
齿轮泵是液压系统中最重要的动力源,在液压传动系统中应用广泛, 因此, 吸引了大量学者对其进行研究,其主要部件是内部相互啮合的一对齿轮。现代机械工程对齿轮泵提出很多新要求，如压强高、排量大、脉动低、噪音低等，所以对齿轮泵的性能分析与改进成为了很重要的课题。
本课题以齿轮泵为研究对象，总结了齿轮泵的特点，深入研究了齿轮泵整体结构及其原理，并利用UG三维建模软件对其进行实体建模，对齿轮泵的流量特征、径向啮合力进行理论分析和数值计算，为齿轮泵的设计提供必要的理论依据。研究了多种齿轮泵的齿廓类型，并推导出这些齿廓线方程。最后学习了流体动力学相关的基础理论知识，利用CFD前处理软件Gambit和后处理软件Fluent对以上五种齿廓齿轮泵进行流体分析，并比较不同齿廓分析后的结果，分别计算了齿轮泵齿间区的流量、齿轮啮合区域的流量，最后就得到了齿轮泵的流量。在时间和转速确定的情况下，得到齿轮泵的流速。外啮合齿轮泵的结构对其内部的流场有很大的影响，采用fluent有限元法求解计算模型，就不同齿廓的变化特点进行对比，可以得出每种类型齿廓的相应的优缺点，从而得出最优的分析结果并在此基础上改进设计出新的齿廓线。
本文对齿轮泵的输出特性研究，推到出齿廓线方程，最后结合流体动力学理论，运用CFD前处理软件Gambit和后处理软件Fluent对以上五种不同的齿廓齿轮泵进行流体分析，在相同的转速下，比较不同齿廓的分析结果，渐开线齿廓在齿轮泵中的增压效果最好，并提出一些优化方案。

关键词：齿轮泵；齿廓；有限元法；输出特性；流体分析 
Abstract
Gear pump is the most important source of power in the hydraulic system, widely used in the hydraulic drive system, therefore, attracted a large number of scholars study, and its main components are a pair of gears meshing with each other by the internal。Modern mechanical engineering have made a lot of new requirements to gear pump ,such as high pressure, large displacement, low ripple and low noise, Performance Analysis and Improvement of the gear pump has become a very important issue.
The topics to gear pump for the study, summed up the characteristics of the gear pump, in-depth study of the overall structure and principle of the gear pump and UG three-dimensional modeling software, solid modeling, the flow characteristics of the gear pump, theoretical analysis and numerical calculation of the radial direction meshing force of radial direction, to provide the necessary theoretical basis for the design of gear pump. A variety of the type tooth profile of the gear pump and derive the equations of these tooth profile. Finally learn the basic theoretical knowledge of fluid dynamics, to CFD pre-processing software Gambit and post-processing software Fluent for more than five tooth profile gear pump fluid analysis, and comparison results of different tooth profile analysis were calculated flow rate of the area of the interdental, gear meshing area of flow of the gear pumpthe, and finally got the flow of the gear pump. In the case of time and speed determined to obtain flow rate of the gear pump. Structure of the external gear pump has a great influence on its internal flow field, using the fluent finite element method for solving the calculation model, comparison of the changes in the characteristics of the different tooth profile can be drawn from the corresponding advantages and disadvantages of each type of tooth profileto arrive at the best results of the analysis to improve the design of a new tooth profile on this basis. 
The output characteristics of the gear pump onto the tooth profile equation and finally the theory of fluid dynamics, the use of pre-processing of software CFD Gambit and post-processing software Fluent fluid analysis more than five different tooth profile of the gear pump in the same speed, different tooth profile analysis result of that the best of booster effect is involute line tooth profile of the gear pump, and put forward some optimization program of it.

Keywords: gear pump; tooth profile; finite element method; output characteristics; 
fluid analysis 
目录
摘 要 III
Abstract IV
目录 V
1 绪论 1
1.1 齿轮泵的研究内容及意义 1
1.2 齿轮泵国内外的发展概况 1
1.3 本课题应达到的要求 3
2 齿轮泵的工作原理及三维建模 4
2.1 外啮合液压齿轮泵的工作原理 4
2.2 齿轮泵分类、用途、应用范围 4
2.2.1 齿轮泵的分类 4
2.2.2 齿轮泵的用途及应用范围 5
2.3 齿轮泵的三维建模 5
3 齿轮泵的流量特性 8
3.1 齿轮泵流量的研究 8
3.1.1 齿轮泵平均流量 10
3.1.2 齿轮泵瞬态流量 10
3.2 齿轮泵排量的研究 11
3.2.1 根据齿槽有效容积的排量计算方法 11
3.2.2 根据轮齿有效体积的排量计算方法 12
3.3 本章小结 13
4 流体动力学理论知识研究 14
4.1 流体力学简介 14
4.2 流体动力学的基本思想 14
4.3 计算流体动力学的特点 15
4.4 计算流体力学的基本步骤 15
4.5 流体力学基本方程 17
4.6 流体流动模型的确定 19
4.7 一般结构 19
4.7.1 前处理 19
4.7.2 求解器 19
4.7.3 后处理 19
4.8 本章小结 19
5 齿轮泵不同齿廓的流体动力学分析 20
5.1 Fluent简介 20
5.2 齿轮泵的流体力学分析 20
5.2.1 建立流体模型 20
5.2.2 划分流体模型的网格 20
5.2.3 设置流体模型的边界条件 20
5.3 齿轮泵不同齿廓的流体分析 21
5.3.1 渐开线齿廓齿轮泵的流体分析 21
5.3.2 余弦齿廓齿轮泵的流体分析 23
5.3.3 圆弧齿廓齿轮泵的流体分析 26
5.3.4 三齿摆线齿廓齿轮泵的流体分析 29
5.3.5 二齿摆线齿廓齿轮泵的流体分析 32
5.4 齿轮泵的结构改进设计 36
5.4.1 齿轮泵齿廓的改进 36
5.5 本章小结 39
6 结论与展望 40
6.1 课题总结 40
6.2 课题展望 40
致谢 41
参考文献 42

课题来源
课题来源于工程生产实际。
齿轮传动因其具有传动功率大、效率比较高、结构相当紧凑、传动比稳定精确等优点而应用在化工、汽车、船舶、航空、能源等国民经济的重要领域中。齿轮泵是液压传动中一种广泛应用的液压机构。在液压传动与控制技术中占有很大比重，其主要特点是结构简单、体积小、重量轻、自吸性好、耐污染、使用可靠、寿命较长、制造容易、维修方便、价格便宜。但渐开线型齿轮泵也有不少缺点，主要是流量和困油引起的压力脉动较大、噪声较大、排量不可变、高温效率低等。这些缺点在某些结构经过改进的齿轮泵上己得到了很大的改善。近年来，齿轮泵的工作压力有了很大提高，额定压力可达到25Mpa，最高压力可达31.5Mpa。另外，产品结构也有不少改进，特别是三联、四联齿轮泵的问世，部分地弥补了齿轮泵不能变量的缺点。而复合齿轮泵的出现使齿轮泵的流量均匀性得到了很大的改善。其使用领域也在不断扩大，许多过去使用柱塞泵的液压设备也已改用齿轮泵（如工程起重机等）。
科学依据（包括课题的科学意义；国内外研究概况、水平和发展趋势；应用前景等）
由于齿轮泵在液压传动系统中应用广泛, 因此, 吸引了大量学者对其进行研究。目前, 国内外学者关于齿轮泵的研究主要集中在以下方面: ( 1)齿轮参数及泵体结构的优化设计; ( 2) 齿轮泵间隙优化及补偿技术 ; ( 3) 困油冲击及卸荷措施 ; ( 4) 齿轮泵流量品质研究 ; ( 5) 齿轮泵的噪声控制技术; ( 6) 轮齿表面涂覆技术; ( 7) 齿轮泵的变量方法研究; ( 8) 齿轮泵的寿命及其影响因素研究 ; ( 9) 齿轮泵液压力分析及其高压化的途径 ; ( 10) 水介质齿轮泵基础理论研究。
提高齿轮泵的工作压力是齿轮泵的一个发展方向, 而提高工作压力所带来的问题是: ( 1) 轴承寿命大大缩短; ( 2) 泵泄漏加剧, 容积效率下降。产生这2 个问题的根本原因在于齿轮上作用了不平衡的径向液压力, 并且工作压力越高, 径向液压力越大。
目前, 国内外学者针对以上2 个问题所进行的研究是: ( 1) 对齿轮泵的径向间隙进行补偿; ( 2)减小齿轮泵的径向液压力, 如优化齿轮参数、缩小排液口尺寸等; ( 3) 提高轴承承载能力, 如采用复合材料滑动轴承代替滚针轴承等。但这些措施都没从根本上解决问题。
目前液压传动系统的发展目标是：缩小体积、快速响应、降低噪音。因此要想达到这个目的，齿轮泵除了要稳住其在润滑系统、中低压定量系统的绝对优势地位，另外还需要向以下几个方面纵深发展：(1)高压化 (2)低流量脉动 (3)低噪音 (4)大排量 (5)变排量。
研究内容
1、收集齿轮泵的相关资料，确定方案。
2、完成齿轮泵的三维结构模型建模，并制作成二维图。
3、根据收集的资料，制作不同齿廓的齿轮
4、借助有限元分析对不同齿廓的齿轮泵进行流体力学分析。
5、利用流体力学软件fluent分析各类型齿轮泵的流体力学性能的优劣。
6、选取综合性能最好的齿轮泵，并提出优化方案，
拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析
查阅各种资料，了解齿轮泵的工作原理、结构、流量计算方法和优化设计方法。学会熟悉UG软件对产品结构的设计，并了解齿轮泵的运动特性，对其不同齿廓进行有限元分析，比较不同齿廓的优劣，在综合性性能较好的齿轮泵上提出优化方案。

研究计划及预期成果
研究计划：
2012年11月1日-2012年12月25日：按照任务书要求查阅论文相关参考资料，填写毕业设计开题报告书。
2013年1月11日-2013年3月5日：填写毕业实习报告。
2013年3月8日-2013年3月14日：按照要求修改毕业设计开题报告。
2013年3月15日-2013年3月21日：学习并翻译一篇与毕业设计相关的英文材料。
2013年3月22日-2013年4月11日：齿轮泵建模、有限元分析、比较优劣。
2013年4月12日-2013年4月25日：齿廓设计、装配图和说明书。
2013年4月26日-2013年5月21日：毕业论文撰写和修改工作。
预期成果：
工艺规程：有限元分析资料，齿轮泵总图及主要零件图，设计说明书
特色或创新之处
运用UG对产品完成三维建模，制作完成二维图形，通过对二维图形有限元结构分析，尽早发现产品设计的缺陷，及时更改问题和缺陷，并对其优化，以提高齿轮泵的性能
已具备的条件和尚需解决的问题
在比较熟悉运用UG的基础上制作齿轮泵的二维图，能运用Gambit和Fluent软件对不同齿轮泵的齿廓分析比较，总结出不同齿廓的优劣，尚需解决的是，如果在硬件条件允许下，可以尝试对三维的软件进行流体分析，更能准确的了解不同齿轮泵的优劣。