PUKYONG

새로운 기하학적 접근 방법을 활용한 연속 접촉 나선형 기어 펌프의 가변 동적 부하 예측

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Abstract
Conventional involute gear profiles inherently suffer from trapped volume phenomena due to two point contact within the meshing region. This leads to discontinuities in the fluid flow and irregular torque fluctuations. To overcome this limitation, the present study introduces a novel hybrid tooth profile, which combines circular arc and involute curves, enabling continuous contact without trapped volume throughout the meshing cycle. A numerical model was developed to analyze the flow rate, torque pulsation, and axial thrust characteristics of a helical gear pump with this hybrid tooth design. Based on a rotational angle dependent meshing mechanism, the model calculates the time dependent variation of the fluid domain geometrically. The results indicate that helical gears exhibit significantly reduced flow pulsations compared to spur gears, promoting flow continuity and stability. A lumped parameter model was further implemented to reflect actual experimental conditions and assess pressure and flow behavior, validating the numerical results against theoretical predictions. Axial thrust analysis revealed that meshing induced axial forces act in opposite directions on the driving and driven gears, emphasizing the necessity for bearing design and mechanical compensation systems. The proposed continuous contact based numerical model demonstrated strong agreement with the actual pump geometry and flow characteristics, confirming its applicability to precision gear pump design. In particular, it offers a robust framework for analyzing transient torque and axial force responses caused by the intrinsic structural asymmetry of helical gears. Future extensions of this research may include the design of balancing mechanisms, line of contact analysis, and experimental validation to support broader implementation in high precision pumping systems.
Author(s)
장호성
Issued Date
2025
Awarded Date
2025-08
Type
Dissertation
Keyword
유압 시스템, 외접 기어펌프, 연속 접촉 나선형 기어펌프
Publisher
국립부경대학교 대학원
URI
https://repository.pknu.ac.kr:8443/handle/2021.oak/34476
http://pknu.dcollection.net/common/orgView/200000903934
Alternative Author(s)
jang ho sung
Affiliation
국립부경대학교 대학원
Department
대학원 기계시스템공학과
Advisor
지상원
Table Of Contents
Ⅰ. 서 론 1
1. 연구 배경 및 필요성 1
2. 선행 연구 및 연구 목적 4
Ⅱ. 기어 치형 및 형상 설계 8
1. 기어 펌프의 치형 8
가. 이론적 배경 8
나. 기어 설계 13
다. 인벌류트 치형 17
라. 원호 치형 20
마. 원호 인벌류트 치형 22
2. 나선형 기어 27
가. 이론적 배경 27
나. 펌프 선정 및 설계 변수 선정 31
Ⅲ. 제어 체적의 기하학적 모델 33
1. 기본 정의 33
가. 인벌류트 기어의 물림과 맥동 33
나. 기하학적 기본 정의 38
2. 제어 체적 41
가. 제어 체적의 기본 정의 41
나. 이홈의 기본 정의44
다. 이산화된 이홈간의 전환 48
라. 제어체적의 기하학적 알고리즘 51
Ⅳ. 운동학적 유량 모델 56
1. 이론 유량 56
2. 수치 해석적 운동학적 유량 59
가. 평기어 펌프의 운동학적 유량 59
나. 나선형 기어펌프의 운동학적 유량 67
Ⅴ. 가변 부하의 추정 70
1. 이론적 배경 및 정의 70
2. 평기어형 연속 접촉식 펌프 78
가. 풀림 영역의 부하 추정 78
나. 물림 영역의 부하 추정 81
2. 나선형 연속 접촉식 펌프 92
가. 제어체적의 기하학적 정의 92
나. 작용선 경로의 정의 92
다. 풀림 영역의 부하 추정 97
라. 물림 영역의 부하 추정 101
Ⅵ. 시뮬레이션 모델 105
1. 지배방정식 105
2. 집중 매개변수 모델 107
가. 이상적인 펌프 모델 107
나. 펌프 누설 모델 113
다. 동적 베어링 모델 116
라. CFD 모델 123
Ⅵ. 계산 결과 및 고찰 128
1. 이홈의 체적 변화와 검증 120
2. 유량 및 압력맥동 132
3. 기어축의 거동 139
4. 펌프의 토크 맥동 149
5. 기어 펌프의 축 추력 152
Ⅶ. 결 론 155
Ⅷ. 향후 연구 157
참고문헌 160
감사의 글 167
Degree
Doctor
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대학원 > 기계시스템공학과
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