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基于ANSYS的三環(huán)減速器的有限元分析

發(fā)布于:2020-06-08 19:25
有限元分析

       三環(huán)減速器是一種新型的少齒差內嚙合行星齒輪傳動裝置,具有傳動比大、承載能力高、結構簡單、制造成本低等優(yōu)點,主要應用于礦山、冶金、建筑機械等行業(yè)。三環(huán)減速器傳動部分屬于超靜定系統(tǒng),在分析其力學行為時,必須考慮各構件的彈性變形協(xié)調關系,而準確建立三環(huán)傳動系統(tǒng)的變形協(xié)調條件往往有很大難度。因此,眾多文獻在分析三環(huán)減速器的力學特性時,都做了一些假設或簡化,而這些假設或簡化在不同程度上影響了有限元分析的精度。
       本文采用有限元方法對三環(huán)減速器整機進行分析,避開了建立變形協(xié)調條件的難題。對構件傳動過程中各個構件的應力、變形分析,以確定各構件在不同傳動位置時應力分布以及傳動系統(tǒng)所受約束反力,尤其是每個構件的最大應力的大小和位置。靜力分析的結果對確保三環(huán)減速器整體性能具有非常重要的意義,也是三環(huán)減速器優(yōu)化設計的重要依據。三環(huán)減速器是由多個零部件組成的齒輪連桿傳動系統(tǒng),其裝配:由支座、輸入曲柄軸、。其工作原理環(huán)板、輸出軸柄軸等主要部分組成。為了克服死點位置、支撐曲實際使用中采用三相環(huán)板并列布置,各環(huán)板之間互成120°相位角。
       為便于比較,本文以實驗用三環(huán)減速器為例進行受力分析。其基本參數為
       減速器中心距a=160 mm。輸入軸直徑35.0 mm,長度235.5 mm,材料40Cr,彈性模量2.11Xe11 Pa。支撐軸直徑35.0 mm,長度190.0 mm。內齒板厚度35.0 mm,材料45,彈性模量2.09Xe11 Pa。3個內齒板之間的間隙5.0 mm。偏心套偏心距2.0。行星軸承內徑50.0 mm,外徑90.0 mm,厚度35.0 mm,彈性模量3.0577Xe10 Pa。所有材料的泊松比為0.3,密度為7.8 Xe3 kg/m3。輸入扭矩40.0Xe3 Nm。
       本文綜合考慮各個構件,建立了內齒板、高速軸、偏心套、行星軸承、高速軸上的支承軸承組成的傳動系統(tǒng)的有限元分析模型。建模時,忽略內齒板上的輪齒,對于軸承,忽略其結構細節(jié),用一個力學能相似的彈性空心圓柱體代替,構件之間的連接關系利用自由度耦合的概念處理?紤]到三環(huán)減速器內齒板、偏心套等實體的表面為曲面,實體形狀不很規(guī)則,ANSYS選擇單元類型為SOLID186單元。箱體對支撐軸承的約束,處理為外側表面節(jié)點的固定約束。輸出軸對內齒板的約束,處理為內齒輪齒根尺寸范圍內的節(jié)點沿切線方向的固定約束。本文通過將扭矩換算為周向節(jié)點力的方法施加扭矩載荷。通過有限元分析,得到一個周期內,各個主要承力構件的應力變化情況。
三環(huán)減速器在運轉過程中作用于箱體支座的X方向反力要遠大于Y方向反力,這也是引起箱體橫向振動的主要原因。
       一個運動周期內,三環(huán)減速器的內齒板所受的載荷(齒輪嚙合力)是變化的,各相相位差接近120°,減速器總的輸出力矩也呈周期性波動。
       分析表明齒板上的最大Von mises應力發(fā)生在齒嚙合位置處(本文作為約束位置),第1相和第2相內齒板30°位置角時的應力分布云圖。
       對1臺三環(huán)減速器實驗樣機的承載能力進行了實測,經計算輸出扭矩的均值為2319.2 Nm。有限元分析的扭矩最大值為2262.81 Nm,與實驗扭矩之間的誤差為2.439000。
       本文對1個三環(huán)減速器的傳動系統(tǒng)進行了有限元靜力分析,通過數據和云圖得出了一些分析結果。
       (1)進行有限元建模時,用一個力學性能相似的彈性空心圓柱體代替軸承,考慮其彈性變形對傳動系統(tǒng)靜力的影響。
       (2)構件之間的連接關系采用自由度耦合的概念處理,進一步接近實際工作情況。
       (3)將有限元靜力分析的結果與試驗數據對比,結果表明有限元分析的結論與實驗結果很吻合。說明本研究分析的有限元模型是符合實際工況的研究模型。
       (4)本研究的結果將為三環(huán)減速器的優(yōu)化設計奠定良好的基礎。

 

                                                                                  專業(yè)從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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