最佳化齒輪泵浦設計之動態分析

齒輪泵浦之齒輪對於運轉中，針對內部液體流動情形與輪齒曲面上承受輸送 液體的壓力及因齒輪對運轉產生之熱量與液體洩漏現象，在本研究動態分析上將 簡化其設定模式，僅初步單獨探討齒輪泵浦之齒輪對於不同負載及轉速下，輪齒 的動態von Mises齒根應力值。因此本節將以第二章所獲得之容積最佳化齒輪泵浦 及各影響齒輪泵浦容積效率之齒輪設計參數值，在不同負載及轉速動態分析設定 下，探討其齒根應力於泵浦內部齒輪對運轉效能之影響。

本節首先以容積最佳化的泵浦設計於不同負載及轉速下進行齒輪對之動態 分析，探討齒輪網格元素中齒根之動態應力。首先建立如圖4-6所示之容積最佳化 齒輪泵浦齒輪對分析網格，而其齒輪設計參數為：模數2.338 mm，齒數9齒，壓 力角28.879°，齒頂係數1.05，移位係數0.0，於有限元素分析軟體ANSYS/LS-DYNA 中進行齒輪對動態分析設定，動態分析結果於LS-DYNA後處理器中獲得齒輪von Mises應力分佈與齒根處最大應力所在之元素及其應力值，也可觀察運轉過程中 的動態von Mises齒根應力變化情形。圖4-7為其動態von Mises應力分佈圖與局部 放大等分線圖。如圖4-8顯示是將第2477齒輪元素以自行設定之馬達馬力1.5HP所

應承受的負載2.633 N-m及轉速4000 rpm，於齒輪對旋轉一圈之動態von Mises齒根 應力數值，其最大齒根應力值約略為144 MPa。

圖4-6 容積最佳化齒輪泵浦設計之齒輪對網格模式

局部放大等分線圖

網格元素2477之位置

圖4-7 容積最佳化齒輪泵浦設計之齒輪對動態von Mises應力分佈圖

0 20 40 60 80 100 120 140 160

0 60 120 180 240 300 360

轉動角度(degree) 齒根應力(MPa)

圖4-8 容積最佳化齒輪之動態von Mises齒根應力：負載2.633 N-m，轉速4000 rpm

針對容積最佳化齒輪泵浦分別於小負載及低轉速之下，分析其動態特性。首 先分析以小負載0.527 N-m，轉速 4000 rpm 之下的動態情形，其動態 von Mises 齒根應力如圖4-9。由圖中可見容積最佳化齒輪泵浦於小負載中，以第 2477 齒輪 網格元素所得最大齒根應力值約略為50 MPa。而於低轉速中，初始條件仍給予負 載力2.633 N-m，但以轉速 800 rpm 進行動態分析，其獲得齒輪對之動態 von Mises 齒根應力如圖4-10。由圖中可見容積最佳化齒輪泵浦於低轉速中，以第 2477 齒輪 網格元素所得最大齒根應力值約略為100 MPa。從中可發現降低容積最佳化齒輪 泵浦的負載及轉速，皆會減少齒輪輪齒的負荷，且降低輪齒嚙合時的振動現象，

如此可避免泵浦內腔齒輪對的損壞並增加此種齒輪泵浦之使用壽命。

0 10 20 30 40 50 60

0 60 120 180 240 300 360

轉動角度(degree) 齒根應力(MPa)

圖4-9 容積最佳化齒輪之動態 von Mises 齒根應力：負載 0.527 N-m，轉速 4000 rpm

0 20 40 60 80 100 120

0 60 120 180 240 300 360

轉動角度(degree) 齒根應力(MPa)

圖4-10 容積最佳化齒輪之動態von Mises齒根應力：負載2.633 N-m，轉速800 rpm