基于ANSYS分析的減速器輸出軸設(shè)計*

雒曉兵，許可芳，王均剛

(1.蘭州交通大學(xué) 博文學(xué)院，甘肅 蘭州 730101;2.山東大學(xué) 機械工程學(xué)院，山東 濟南 250061)

1 引言

軸是組成機械的重要零件之一，一切作回轉(zhuǎn)運動的零件，都必須安裝在軸上才能進(jìn)行運動和動力的傳遞，并通過軸承與機架或機座相聯(lián)結(jié)。軸在工作過程中，易發(fā)生斷裂、塑性變形和振動等失效。軸的設(shè)計通常是在完成軸結(jié)構(gòu)設(shè)計后進(jìn)行強度、剛度和振動穩(wěn)定性的計算。在傳統(tǒng)軸的設(shè)計過程中，需耗費大量時間進(jìn)行軸的強度精確校核計算、軸的剛度和臨界轉(zhuǎn)速的校核，還需通過校核結(jié)果來校正設(shè)計。如果有豐富的經(jīng)驗，這些重復(fù)工作進(jìn)行一次就可得到最終結(jié)果，否則需要設(shè)計人員多次計算。因此，計算機輔助分析可使這些傳統(tǒng)計算分析過程簡化，并得到合理的結(jié)果。ANSYS軟件作為一種大型通用的軟件，已成為CAE仿真分析的主流軟件，能對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)、動力學(xué)、熱力學(xué)等多種分析。通過ANSYS軟件的應(yīng)用，可大大縮短軸類零件的設(shè)計周期，從而減少設(shè)計成本。

2 模型的創(chuàng)建

已知電動機的相關(guān)參數(shù):功率P=10 kW，轉(zhuǎn)速n1=1 450 r/min，齒輪機構(gòu)的參數(shù)如表1所示。若取每級齒輪和軸承的效率為0.97，計算得到輸出軸的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩如表2所示，初步完成軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計［1］。

表1 齒輪機構(gòu)的參數(shù)

表2 輸出軸系的參數(shù)

在對減速器輸出軸進(jìn)行有限元分析時，首先要建立準(zhǔn)確的實體模型。用SolidWoks軟件進(jìn)行三維實體建模，減速器輸出軸的三維實體模型，如圖1所示［2］。將已建立的輸出軸模型另存為.X_T類型的文件，然后將建立好的模型導(dǎo)入ANSYS中。根據(jù)表2所示的材料參數(shù)選用單元類型為四面體8節(jié)點的Solid45單元，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)128538，節(jié)點總數(shù)23 707，如圖2所示［3］。

圖1 減速器輸出軸三維實體模型

圖2 輸出軸有限元模型

因為Solid45單元只有X、Y、Z三個方向自由度，又需在軸頭處加一轉(zhuǎn)矩，故在軸頭端面建立一個節(jié)點，定義為mass21單元，然后跟其他受力節(jié)點耦合，形成剛性區(qū)域，這樣可以直接加轉(zhuǎn)矩到主節(jié)點，如圖3所示［4］。約束的施加，既要保證消除結(jié)構(gòu)的剛體位移，又不影響輸出軸的自由變形，按此原則在軸承處施加適當(dāng)?shù)募s束。在對輸出軸進(jìn)行邊界條件約束時.根據(jù)軸承座的實際工作情況和固定方式，對輸出軸右端軸承處的X、Y、Z軸方向的位移以及繞Y、Z軸的轉(zhuǎn)動固定。另外，因為該輸出軸的轉(zhuǎn)速低，在左端的軸承處添加全部約束，把作用在輸出軸上的力除以面積，得到壓強，用平面載荷加載，輸出軸的約束和加載如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)矩的加載

圖4 減速器輸出軸約束與加載

3 軸的強度和剛度分析

根據(jù)強度理論，當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到材料的強度極限(或屈服極限)時，材料會發(fā)生斷裂破壞或塑性變形。輸出軸作為軸類零件，首先應(yīng)保證其結(jié)構(gòu)強度，即在各種工況下，輸出軸各部分的應(yīng)力值不應(yīng)超過材料許用應(yīng)力極限。因此，有必要對輸出軸進(jìn)行應(yīng)力分析［5-6］。

輸出軸的Von Mises Stress應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖可得輸出軸的最大應(yīng)力為40.5 MPa，在軸的軸頭以及伸出端軸身與軸頭的連接處應(yīng)力較大，其它部分所受的應(yīng)力較小。由圖6可得，減速箱輸出軸承受載荷時，總體變形最大位移為0.0396 mm，位置在輸出軸的軸頭和工作機軸相聯(lián)接的地方，可以選擇撓性聯(lián)軸器聯(lián)接兩軸。

圖5 輸出軸的Von Mises Stress應(yīng)力云圖

圖6 輸出軸的整體位移

在靜載荷作用下，從強度方面考慮，輸出軸在各種工作情況下的最大應(yīng)力值為40.5 MPa，而45調(diào)質(zhì)鋼的許用應(yīng)力為60 MPa，所以輸出軸的強度都能滿足使用要求;從剛度方面考慮，輸出軸在受到載荷作用下整體變形很小，可以忽略不計，所以整體來說軸的剛度滿足使用要求。由此說明，齒輪減速箱輸出軸的強度和剛度滿足要求。

4 模態(tài)分析

同樣，在ANSYS中建立有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，采用Lanczos法求解［7-8］。在后處理中獲取輸出軸的前6階固有頻率和振型，并計算得到輸出軸的前6階臨界轉(zhuǎn)速，如表3、圖7所示。由此可知，輸出軸的一、二階振型分別在X、Y方向，而輸出軸實際轉(zhuǎn)速為93.61 r/min，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于臨界轉(zhuǎn)速，所以輸出軸不會發(fā)生共振而破壞。

圖7 結(jié)構(gòu)振型圖

表3 有限元模型的固有頻率及臨界轉(zhuǎn)速和振型特點

5 結(jié)論

利用ANSYS有限元分析法完成了減速器輸出軸的設(shè)計，可以得出如下結(jié)論。

(1)通過靜力分析可知應(yīng)力在許用的范圍內(nèi)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸肩處，軸的整體變形比較小，軸的強度和剛度滿足要求。

(2)通過模態(tài)分析得到輸出軸的前6階固有頻率和振型，從振型的動畫可以直觀地分析軸的模態(tài)振型。

(3)輸出軸的實際轉(zhuǎn)速為93.61 r/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于臨界轉(zhuǎn)速，所以減速器的輸出軸的轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)避開了臨界轉(zhuǎn)速，不至于因共振而破壞。

通過對減速器輸出軸的有限元分析，我們可以快速、精確地完成設(shè)計任務(wù)，為軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計的合理性提供了理論依據(jù)，同時也為軸系零部件的動態(tài)響應(yīng)計算和分析奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 蒲良貴，紀(jì)名剛.機械設(shè)計［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［2］ 王在偉，焦 青.SolidWorks與ANSYS之間的數(shù)據(jù)交換方法研究［J］.煤礦機械，2011，32(9):248-250.

［3］ 刑靜忠，王永崗，陳曉霞，等.ANSYS分析實例與工程應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［4］ 胡意立，孫明利，沈燕青，等.ANSYS軟件中施加扭矩的方法［J］.機械工程師，2010(11):172-173.

［5］ 王禹林，廖 凱，金 娜.主軸箱動/靜/熱態(tài)特性綜合分析與優(yōu)化［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報，2013，37(1):87-93.

［6］ 鄭群川.基于ANSYS的齒輪減速箱的仿真技術(shù)研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2011.

［7］ 秦廣樂，朱 華，陳曉輝，等.基于ANSYS的采煤機擺線齒輪的模態(tài)分析［J］.煤礦機械，2011，32(2):86-88.

［8］ 周秦源，周志雄，湯愛民，等.基于ANSYS的數(shù)控機床7∶24錐度工具系統(tǒng)模態(tài)分析［J］.制造技術(shù)與機床，2011(2):136-138.