基于SolidWorks的拖拉机齿轮泵虚拟装配及模态分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西南林业大学机械与交通学院 作者:王应彪

  基于SolidWorks 软件的高级建模装配和机构运动仿真等功能,实现了拖拉机用外啮合圆柱形齿轮泵的各零部件结构特征造型和关键部件的虚拟装配及运动仿真,有利于齿轮泵快速优化设计,简化了设计过程;同时应用Simulation 仿真模块对齿轮泵齿轮进行模态分析,得到了齿轮泵用齿轮的固有振动频率和振型特征,为进一步研究齿轮泵的结构和动力学分析提供了依据。

  齿轮泵因结构简单紧凑、体积小、质量轻、自吸性能好、便于维护修理、成本低等特点广泛运用于石油、化工、矿山、农业机械等行业,为油类介质的传输、增压、燃油喷射等提供动力输出。拖拉机作为重要的农业耕作动力输出机械,在现代化农业生产过程中发挥着重要的作用;而齿轮泵作为为拖拉机液压系统提供加压液体的装置,其工作状态和性能直接影响着拖拉机动力输出的稳定性,是影响拖拉机作业性能的主要因素。

  为此,基于SolidWorks 软件对齿轮泵体零件结构特征造型进行了设计,将复杂的零件结构分解成SolidWorks 所能建立的基本特征要素, 选用合理的顺序进行建模, 通过SolidWorks 软件的Simulation模块对齿轮泵用齿轮进行了模态分析,计算得出其固有振动频率和振型,为进一步研究齿轮的动力学仿真和结构分析提供了依据。

1、齿轮泵的结构特征造型

  在进行齿轮泵整体设计过程中,齿轮参数设计是关键,为了获得完整的齿轮轮齿及获得给定齿数的齿轮,需解决的关键问题就是如何精确绘制齿轮轮廓线,通过渐开线方程创建齿形,通过拉伸、阵列等操作实现齿轮的创建,具体实施过程如下。

  1.1、齿轮泵齿轮参数的确定

  1)工作参数。以现有拖拉机外啮合圆柱形齿轮泵为例,其基本参数有主轴转速(1 450~1 650)r /min,配套动力8.7 kW,额定工作压力10 MPa;

  2)齿轮结构参数。采用硬齿面,45 钢,齿数Z1=Z2=19,压力角α=20°,齿顶高系数ha=1,齿顶间距系数C*=0.25,齿宽b=24 mm,变位系数X1=X2=0.33,中心距a=45 mm。

  1.2、齿轮泵体零部件三维实体建模

  利用SolidWorks 的参数化特征建立齿轮啮合的实体模型,为了便于计算和施加边界条件,将实体模型简化,其中常用标准件是通过SolidWorks 的标准件库“Tool box”按照相关尺寸参数设置简化其建模过程,通过拉伸、旋转、扫描等操作完成。

2、基于SolidWorks 的齿轮泵虚拟装配

  在SolidWorks 软件的基础上,在装备环境下对齿轮泵各部分零部件进行约束提取、装配路径定义、装配序列规划模块、装配过程仿真模块坐标系定义和干涉等过程,其建模系统装配方框图如图1。

基于SolidWorks的拖拉机齿轮泵虚拟装配及模态分析

图1 系统设计方框图

  对齿轮泵零部件或组件通过一定的约束方式集合在一起,通过插入零部件、对齐、相切、同心等约束方法进行装配,生成的总装配模型如图2。

基于SolidWorks的拖拉机齿轮泵虚拟装配及模态分析

图2 齿轮泵装配体模型

6、小结

  应用SolidWorks 软件可以方便、高效地建立齿轮泵的三维模型及虚拟装配,并通过添加驱动装置、运动副、约束自由度实现了齿轮泵的运动仿真,并对齿轮泵进行干涉检测,提高了工作效率,降低了产品成本,为齿轮泵的设计提供了一种高效途径。

  通过SolidWorks Simulation 仿真模块对齿轮进行分析计算,得到齿轮的固有谐振频率且利用动态显示可以观察齿轮的振型、变形、位移分布状态,结果非常直观,在齿轮传动系统的设计中考虑齿轮固有频率和振型,避免齿轮系统发生共振,影响传动效率。

  试验测量结果表明,固有频率只取决于振动系统本身的参数,敲击力度的大小决定了振幅的大小,齿轮在不同振型的频率有限元仿真结果与试验测试结果基本一致。

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