基于有限元分析的輸出軸的設(shè)計(jì)

撰文/付卓 譚晶瑩 羅平水 喻正佳

■湖南理工學(xué)院南湖學(xué)院機(jī)電系

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基于有限元分析的輸出軸的設(shè)計(jì)

撰文/付卓 譚晶瑩 羅平水 喻正佳

■湖南理工學(xué)院南湖學(xué)院機(jī)電系

對(duì)減速器輸出軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，根據(jù)受力方程、邊界條件建立減速器輸出軸動(dòng)力學(xué)模型，采用有限元單元法進(jìn)行求解，得出輸出軸最危險(xiǎn)點(diǎn)的位置為軸身與軸頸的交界處，此區(qū)域應(yīng)力最大；另外，輸出軸的軸端變形最大，因此同樣是危險(xiǎn)區(qū)域之一。以有限元分析軟件ANSYS為基礎(chǔ)，論述了輸出軸的初步設(shè)計(jì)，校核其強(qiáng)度、剛度。關(guān)鍵詞：輸出軸；有限元分析；ANSYS；設(shè)計(jì)；強(qiáng)度；剛度

軸的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列幾方面的要求：在結(jié)構(gòu)上要受力合理、盡量避免或減少應(yīng)力集中，足夠的強(qiáng)度（靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度），必要的剛度，特殊情況下的耐腐蝕性和耐高溫性，高速軸的振動(dòng)穩(wěn)定性及良好的加工工藝性，并應(yīng)使零件在軸上定位可靠、裝配適當(dāng)和裝拆方便等。在帶式輸送機(jī)使用的減速器中，輸出軸在其工作中所起的作用很關(guān)鍵，是最容易破壞的零件。減速器在設(shè)計(jì)過程中必須對(duì)其主要運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行強(qiáng)度分析，本文主要針對(duì)減速器的輸出軸進(jìn)行研究。

減速器輸出軸的受力研究

a減速器所處的環(huán)境

減速器用于某車間零件傳送設(shè)備的傳動(dòng)裝置，設(shè)備工作條件：室內(nèi)工作，連續(xù)單向運(yùn)轉(zhuǎn)，載荷平穩(wěn)，每日兩班，工作8年，車間有三相交流電源。減速器傳動(dòng)布置方案及其各已知量如下：

圖1　輸送裝置的整體布置圖

①輸送帶主動(dòng)軸輸出轉(zhuǎn)矩T=720mm

②輸送帶工作速度V=1.08m/s

③滾筒直徑D=380mm

④滾筒效率η=0.96

b減速器輸出軸的有限元建模

減速器輸出軸的材料為45Cr并調(diào)質(zhì)處理，常溫下彈性模量E=2.1E05Mpa，泊松比為 0.3。采用三維20節(jié)點(diǎn)六面等參單元（Solid95）進(jìn)行分析。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)輸出軸的軸承處施加零位移約束。

c減速器輸出軸計(jì)算結(jié)果的分析與討論

圖2　減速器輸出軸有限元模型加載后總體變形圖

圖3　減速器輸出軸有限元模型等效應(yīng)力圖

從圖2及圖3可以發(fā)現(xiàn)減速器輸出軸在受到靜力均勻分布的線載荷后，發(fā)生了彎曲變形，由于靜力載荷垂直作用于輸出軸的軸線，使原為直線的軸線自輸出軸的右邊軸承處開始變形而成為曲線。減速器輸出軸最大應(yīng)力與最大變形發(fā)生在伸出端與軸承處，而變形后的輸出軸位移變化最大的區(qū)域是輸出軸的尖端。

通過ANSYS有限元分析，輸出軸的總體位移圖2看出輸出軸最大位移為0.14532mm， 出現(xiàn)在輸出軸的伸出端；從圖3中可以看出其最大等效應(yīng)力為144.08MPa ，出現(xiàn)在伸出端軸頭與軸身的交界處。從強(qiáng)度方面考慮，軸在承受2.5倍過載工況下的最大應(yīng)力值都遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；從剛度方面考慮，軸的整體變形很小，只有0.14532mm ，其剛度也是滿足設(shè)計(jì)要求的?？傮w來說 ，輸出軸在強(qiáng)度和剛度方面都存在很大的裕量，材料的承載能力并沒有得到充分的利用 ，這為輸出軸的優(yōu)化提供了很大的空間。

結(jié)論

本文通過建立減速器輸出軸的有限元計(jì)算模型和實(shí)體模型，在ANSYS軟件中進(jìn)行仿真分析和計(jì)算，得出以下結(jié)論：

a輸出軸在受到2.5倍工況載荷下最有可能受到變形破壞的地方是輸出軸伸出端、軸頭與軸身、軸身與軸頸的交界處，減速器輸出軸能承受的最大等效應(yīng)力為144.08Mpa，輸出軸最大位移為0.14532mm。輸出軸在工作時(shí)最大應(yīng)力和最大變形出現(xiàn)的部位是輸出軸伸出端軸頭與軸身。

b減速器輸出軸的強(qiáng)度與剛度的加強(qiáng)可以通過選擇制造的材料以及通過更為合理的熱處理方法來實(shí)現(xiàn)。為了加工制造條件和經(jīng)濟(jì)節(jié)約的考慮，各方面綜合考慮減速器輸出軸采用調(diào)質(zhì)處理的45Cr鋼就能滿足設(shè)計(jì)要求。在輸出軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了降低應(yīng)力集中，應(yīng)盡量減少輸出軸的形狀和尺寸的突變或使其變化盡可能地平滑和均勻。為此，要盡可能地增大過渡處的圓角半徑；使輸出軸上相鄰截面處的剛性變化盡可能地小等。提高輸出軸的表面質(zhì)量，通過在輸出軸的加工過程中切削用量的控制來達(dá)到減小表面粗糙度值的目的。

參考：

［1］王驍，王敏毅，黃朝學(xué).基于ANSYS模態(tài)分析的某行星減速器輸出軸設(shè)計(jì)［J］水雷戰(zhàn)與戰(zhàn)船防護(hù)，2012，20（1）81-84

［2］梁瓊，李少川.金屬礦山井下有軌運(yùn)輸控制方案設(shè)計(jì)［J］礦業(yè)工程，2015，13（6）：54-56

［3］鄭昆，蔡安江，賈爽.基于ANSYS的小模數(shù)花鍵軸動(dòng)態(tài)特性分析［J］機(jī)械傳動(dòng)，2011，35（4）:44-45

付卓，男，南湖學(xué)院2012級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生。

譚晶瑩（1973.04-），男，湖南理工學(xué)院副教授，博士，副教授；主要從機(jī)械及制冷方面的教學(xué)與研究工作。

*湘教通〔2015〕269號(hào)湖南省湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目13JJ6067；岳陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目。