３２液压与气动２０１１年第２期基于ＡＮＳＹＳ的内啮合齿轮泵壳体有限元分析及优化李宏伟。杨成ＴｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｈｅｌｌｆｏｒｉｎｔｅｒｎａｌｇｅａｒｐｕｍｐｂａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳＬＩＨｏｎｇ—ｗｅｉ，ＹＡＮＧＣｈｅｎｇ（济南大学机械工程学院，山东济南２５００２２）摘要：该文利用ＡＮＳＹＳ有限元软件对内啮合齿轮泵壳体进行了强度和刚度分析，首先找出了壳体的应力主要集中区和变形量较大的位置，为壳体的设计提供了参考；其次，对壳体进行了优化，在保证壳体的强度达到设计要求的情况下，增强了泵壳的刚度，改善了泵的整体性能，减少了材料的使用，降低了泵的重量，达到节约材料资源的目的。关键词：内啮合齿轮泵；壳体；有限元；ＡＮＳＹＳ中图分类号：ＴＨｌ３７文献标识码：Ｂ文章编号：１０００－４８５８（２０１１）０２－００３２－０４内啮合齿轮泵是将机械能转化成液压能的一种能刚度，减轻重量，节省材料，提高经济效益的目的。１量转换装置，为液压系统提供有压力的油液，是液压传动系统中常用的动力元件。内啮合齿轮泵有很多优点：它的尺寸小、结构比较紧凑、重量轻。内啮合齿轮泵齿轮同向旋转，因此齿面的相对滑动速度较小，磨损比较轻微，使用的寿命长，噪声和压力脉动也都比较小。由于流量脉动小，内啮合齿轮泵在电液比例控制系统和室内机械，特别是舰船等要求噪音很低的场合有着广泛的应用。内啮合齿轮泵的转速可以达到较高的值，使得内啮合齿轮泵的容积效率比较高。由于以上这些优点，内啮合齿轮泵在今后的机械工业中会有更大的需求和广阔的发展应用前景。内啮合齿轮泵的工作原理如图ｌ所示，内啮合齿轮泵的主体结构由一对内啮合的渐开线齿轮组成，采用轴向间隙和径向间隙自动补偿的密封装置，提高了齿轮泵的容积效率，输出压力和输出功率也随之得到大幅度提高。在渐开线内啮合齿轮泵中，小齿轮和内齿圈之间要安装一对活动的月牙块３和密封棒４，以便把吸油腔与压油腔隔开。当小齿轮按某一方向旋转时，内齿轮也以相同的方向旋转，轮齿脱开啮合的部分，齿间容积逐渐增大形成真空，油液在大气压力作用下，进入吸油腔，填满各齿间，由于国内近几年才开始发展和研究耐高压的内．啮合齿轮泵，缺乏对内啮合齿轮泵设计参数、工作性能等方面的基础分析研究，使得目前国内的内啮合齿轮泵在输出压力、容积效率等参数和性能的稳定性方面与国外的产品还有较大的差距，且我国企业生产的内啮合齿轮泵产量少、品种少、规格不齐全…。壳体是内啮合齿轮泵的重要部分，壳体的强度和刚度对于齿轮泵的质量和工作性能有着非常重要的影响，通过有限１．小齿轮２．内齿轮３．月牙块４．密封棒图１内啮合齿轮泵工作原理图收稿日期：２０１０－０７－１８元分析模拟壳体在真实工况下的应力、变形等情况，对提高产品的设计水平和设计质量提供一定的参考。对泵壳进行优化，在满足强度要求的情况下，达到了增强作者简介：李宏伟（１９５５一），男，山东昌邑人，教授，主要从事液压系统设计、电液比例控制技术、液压系统的计算机控制技术方面的教学与研究工作。万方数据２０１１年第２期液压与气动３３而轮齿进入啮合的地方，齿间容积逐渐缩小，形成高压腔，油液被挤压出去”Ｊ。２实体模型建立在内啮合齿轮泵的设计中，利用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件根据对内啮合齿轮泵的压力分区的研究，低压区的压力为负值，对于壳体的强度和剐度几乎无影响，可以忽略不计；而高压区则为壳体内侧右端曲部分蹴弧区。由于ＡＮＳＹＳ在一个面上只能施加一种载荷压力，建立了内啮合齿轮泵的各零部件的实体模型，并虚拟装配成整机如图２所示。其中壳体、齿轮轴、齿圈、配油盘、支撑盘等是内啮合齿轮泵的关键零部件．它们的强度和刚度是影响齿轮泵性能的重要因素。本文仅以为了实现在部分圆弧区加载，这里将高压圆弧区的面在高低压分界处切开很薄的小口，这样就能将需要加载的高压部分面分离出来一。这样划分嗣格后的有限元模型如图４所示。壳体为例来研究基于ＡＮＳＹＳ的有限元分析来对壳体进行优化。＿匿一¨■图３壳体实体模型２５Ｅ图４壳体有跟元模型２）施加载荷并进行求解计算ＡＮＳＹＳ的载荷主要有六大类：位移约束、表面的分布载荷、力、惯性载荷、体积载荷、耦舍场载荷。在对壳体施加边界约束时，考虑到端盖在功能上与壳体一起形成低压油腔与高压油腔；在约束关系上，端盖通过壳体的４个连接螺栓孔对壳体的自由度进行约束，因而对安装固定螺孔内部施加全约束（ＡＬＬＤＯＦ），在壳体的４个连接螺栓孔施加ＵＸ、ｕＹ、ＵＺ三个方向的约束。考虑到内啮合齿轮泵的压力分区，因而加载时只在高压油区的内壁及高压油出口通道内壁施加３基于ＡＮＳＹＳ的壳体分析步骤由于内啮台齿轮泵在正常丁作时，高压油区和低压油区处于稳定状态，压力保持稳定，所以壳体的强度和刚度分析属于ＡＮＳＹＳ结构分析中的静力分析问题。典型的ＡＮＳＹＳ结构分析过程包括３个步骤。创建有限元模型，包括创建或导人几何模型、定义单元类型、定义单元实体常数、定义材料属性、划分有限元网格。ＭＰａ的压力载荷（ＩＧＰ４系列泵此尺寸下的最高ＦＥ力），模拟齿轮泵在２５ＭＰａ压力载荷下的工况。施加载荷和约束后，选择相应的命令，ＡＮＳＹＳ开始求解计算。３）查看求解结果ＡＮＳＹＳ计算完成后，通过后处理器来查看壳体的变形情况和等效应力云图。４结果分析施加载荷进行求解，包括施加约束条件、载荷，然后进行求解计算。１）创建有限元模型将在Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中完成的壳体实体模型保存为通过ＡＮＳＹＳ后处理器，得到壳体在载荷下的等效应力云图和合位移变形云图分别如图５和图６所示。Ｘ－Ｔ格式的文件，然后导人副ＡＮＳＹＳ中。选甩线性单元ｓｏｕＩ）９５并采用ＡＮＳＹＳ智能划分网格方式，选用２级精度对壳体划分网格。泵壳体的材料为球墨铸铁ＱＴＳ００－７，它的密度为Ｐ＝７３００ｋｇ／ｍ３、重力加速度ｇ＝９８ｍ／ｓ２、弹性模量Ｅ＝ｌ圆圈５壳体等效应力分布圈４８×１０“Ｐｎ泊松比㈣０２５、抗拉强度ｏ－ｂ＝５００ＭＰ一屈服点Ｏ－。＝３２０ＭＰａ。由图５可以看出，壳体的等效应力主要分布在壳Ｎ／ｍｍ２＝５００体的右半侧，其中在高压区受力面月牙槽内侧、高压油万方数据：！兰垩圭垒兰！，，：：：兰坚兰鳖尘网格精度），同样加载２５ＭＰａ后进行运算求解，计算完成后通过ＡＮＳＹＳ的后处理器得到优化后壳体的新的等效应力图和合位移分布云图分别如阁８和图９所示。图６壳体台位移分布图出口通道出口处的应力比较大，同时右侧两个螺栓孔的应力也较大，最大应力发生在…油ｒ３处以及月牙槽内侧的小部分，大小为ｏ－＝１２２ＭＰａ，此应力值远小于材料的屈服极限值３２０ＭＰａ和抗拉强度值５００ＭＰａ。图８材料的许爿ｊ应力【ｏ－。】＝５００ＭＰａ，壳体的安牟系数＂＝【口Ｉ，１／ｏ＂＝５００／１２２＝４１０，计算结果表明泵壳体设计的强度完全能满足使用要求。由图６可以看到，壳体的位移变形沿着高压面中心向上、下两端逐渐减少．最大变形发生在高压面的中心位置，变形量为０。一Ｄ图９优化壳体合位移分布圈０２４２一，能够满足齿轮泵的工作要求。由于国内对渐开线式内啮合齿轮泵的基础研究比由图８以看出，优化后的壳体的等效应力分布范围和渐变趋势和原壳体的应力分布大致相同，最大等效应力发生在出油口通道出口处，其值为１３７ＭＰａ，此值小于材料的屈服极限和抗拉强度值。新的安全系数＂＝５００／１３７＝３５壳体优化较少．而且国内产品还主要在发展和完善阶段，缺少对主要部件的研究及优化。传统的设计理论与方法通常是运用一些经验公式或者通过一些估算来计算产品的设计参数，如果一批产品中有个别由于铸造质量等原因在设计要求的寿命内提前失效，就只能加大安全系数，从而使设计过于保守。如今全社会都在提倡和推行节能减排、节约资源、节省能源，我们对壳体通过一系列的尺寸和结构优化后用ＡＮＳＹＳ分别对它们进行有限元分析强度和剐度，发现可以将壳体的厚度减少２５～３６５，计算结果表明优化后的壳体在强度上能够满足设计要求。由图９可以得出．壳体的最大变形量在高压面中心部分，最大变形量的值与原壳体的变形量相比减少了０ｍｍ．能够满足设计要求。综上所述，在对壳体进行优化之后，在其重量减少７１０００２５ｍｍ，最大值为００２１７４％的情况下，还能使壳体的最大变形量减少３％．园为壳体的最大变形量对于泵的齿轮与齿圈ｍｍ进行优化，同时将高压油出口处的平面厚的啮合精度和输出压力等１二作性能影响比较大。优化后使得壳体的刚度得到了较大的改善，同时可以降低泵的噪声，延长泵的使用寿命，使泵的接体性能有较大的改善。而对于优化后壳体的强度而言，其安全系数仍然比较大，能达到相关要求。说明对泵壳的结构优化是比较合理的。度增加，优化后的三维模型囤如图７所示。：ｄ５碱少优化后的壳体重量比原壳体减少了１３５６７ｔ，能产生较好的社会经济效益。１８９ｋｇ，以一个年产３０万台的齿轮泵厂为例，一年可节约材料囤７优化后壳体实体模型对壳体的原来模型和优化后的模型分别用Ｓｏｌｉｄ－ｗｏｒｋｓ的质量特性功能来测量这两个实体模型的重量。得出优化后的齿轮泵壳体所使用的材料的重量减少了１在对壳体进行一系列优化的时候，可以利用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件几何实体模型的全相关性，进行不断调整内啮合齿轮泵壳体的尺寸，直到分析时强度和刚度符合要求。在调整尺寸后进行有限元分析时，材料的性能参数，模型划分网格的精度，模型的约束条件，加载的载荷等保持不变。经过一系列的优化和分析可以１８９ｋｇ，壳体优化后重量比原壳体减少了７４％。参照原壳体有限元分析的步骤，对优化后的壳体再用ＡＮＳＹＳ进行网格划分（同原壳体采用相同的２级万方数据２０１１年第２期液压与气动３５一种新型公交车辆制动能量循环利用装置黄惠，吴彦锋，刘旭红，周灿星。余立成，罗忠辉，李玉忠ＡｎｏｖｅｌｅｎｅｒｇｙｒｅｃｙｃｌｉｎｇｄｅｖｉｃｅｆｏｒｔｒａｎｓｉｔｖｅｈｉｃｌｅｂｒａｋｉｎｇＨＵＡＮＧＨｕｉ，ＷＵＹａｎ－ｆｅｎｇ，ＬＩＵＸｕ－ｈｏｎｇ，ＺＨＯＵＣａｎ—ｘ．ｉｎｇ，ＹＵＬｉ－ｃｈｅｎｇ，ＬＵＯＺｈｏｎｇ—ｈｕｉ，ＬＩＹｕ—ｚｈｏｎｇ（广东技术师范学院机电学院，数控技术广东普通高校重点实验室，广东广州５１０６３５）摘要：设计了一套综合应用机械、微电子、液压传动技术的城市公交车辆制动能量循环利用装置。选用液压蓄能器以液压能的方式储存能量；采用嵌入式微机控制技术及电液比例阀控制技术，能自适应汽车缓慢刹车及紧急刹车＿ｘ－彩Ｌ对制动力的要求。在液压回路设计及控制程序设计方面，采取了提高装置能量利用效率的有效措施。关键词：车辆制动；能量循环利用；液压；单片机中图分类号：ＴＨｌ３７文献标识码：Ａ文章编号：１０００－４８５８（２０１１）０２－００３５－０３１方案设计机械联接部分是在方向传动装置上把动力大齿轮参仿为了减轻装置重量，采用了液压泵／马达双作用液联轴器的原理安装在传动轴上面，动力大齿轮与本装压动力元件；为了传递较大扭矩，且能快速分离与平稳结合，选用牙嵌式电磁离合器。本装置采用单片机控收稿日期：２０１０－０８—１５制单元（ＥＣＵ）智能控制电磁离合器的分离与结合、电基金项目：广东技术师范学院数控技术重点实验室及创新研磁换向阀的换向，以及电液比例调速阀的开度，从而控究训练项目资助（Ｎｏ．２０１０１０２４）制液压彩马达的工况，进而控制制动力、释放力的大作者简介：黄惠（１９８８一），女，广东梅州人，在校生，研究方向小。为了实现高密度的能量储存，采用液压蓄能器。为液压传动与控制。发现：如果进一步减少壳体的厚度（比如将厚度减少３这种分析优化的方法也可以推广到泵的其它零部—３．５ｍｍ）时。再用ＡＮＳＹＳ进行有限元分析发现壳体件的设计优化，通过主要零部件的优化使泵总的工作右边两个螺栓孔的应力比较大，同时继续增加右边出性能达到最优，这样就可以完成整个泵的设计优化，有口平面的厚度时，最大变形量的减少非常少，而最大等较好的现实意义。效应力几乎没有变化，这主要是因为此时最大应力发同时这种方法为其它型号、不同压力等级的内啮生在月牙槽的内侧，说明进一步优化壳体的尺寸意义合齿轮泵的设计优化提供了分析依据，对于其它型号不大。的泵，如果能在生产设计的初期对产品进行不同样式６结柬语设计并建立对应的模型，就可以用ＡＮＳＹＳ按实际工作本文运用ＡＮＳＹＳ软件的有限元分析功能对内啮状况进行分析，找出最优的设计样式。合齿轮泵壳体的强度和刚度进行了分析，找出了壳体的应力主要集中区和变形量较大的位置，为壳体的设参考文献：［１］李宏伟，张方晓．内啮合齿轮泵的排量分析［Ｊ］．液压与。计提供了参考；然后对壳体进行了优化，在保证壳体的动，２００６，（３）：１３５—１３６．强度达到设计要求的情况下，增强了泵壳的刚度，减少［２］李宏伟，成小创．内啮合齿轮泵齿轮轴强度分析［Ｊ］．机了壳体变形，改善了泵的整体性能，减少了材料的使床与液压，２００９，（１０）：９６—９８．用，降低了泵的重量，达到节约材料资源的目的，有较［３］李宏伟，高绍站．内啮合齿轮泵齿轮轴的受力分析［Ｊ］．好的社会经济效益。液压与气动，２００７，（５）：７０－７２．万方数据基于ANSYS的内啮合齿轮泵壳体有限元分析及优化
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李宏伟， 杨成， LI Hong-wei， YANG Cheng济南大学机械工程学院,山东济南,250022液压与气动
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引用本文格式：李宏伟.杨成.LI Hong-wei.YANG Cheng 基于ANSYS的内啮合齿轮泵壳体有限元分析及优化[期刊论文]-液压与气动 2011(2)
