基于ANSYS的減速箱中軸有限元靜力分析

李博

摘 要：本文在ANSYS軟件中建立了減速箱中輸出軸模型，在約束條件下對模型進行加載，同時對模型進行有限元靜力分析，即位移分析和應力分析。證明齒輪減速箱可能發生的故障原因與輸出軸的剛度、強度無關，還要考慮其動載情況。

關鍵詞：有限元；減速箱；靜力分析

一、靜力分析概述

靜力分析是計算由于穩態外載引起的系統的應變、應力或位移[1]，也就是所謂的結構響應。結構靜力分析還可以計算近似等價為靜力作用的隨時間變化的載荷和固定不變的慣性載荷對結構的影響。

在分析過程中，通常令載荷和響應固定不變。施加的載荷一般包括：外部載荷、慣性載荷、位移載荷和溫度載荷[2]。

二、輸出軸的有限元模型

本文的減速器的輸出軸材料為45號鋼，輸出軸總長為100mm，最大直徑16mm，最小直徑8mm。彈性模量是206000MPa，泊松比0.3[3]。本文采用實體建模法來建立有限元模型。

建模過程為[4]：

利用截面尺寸生成若干個矩形區域，通過布爾運算合并矩形區域，從而形成一個完整的面；采用圖形用戶界面人工控制，對面進行映射網格劃分；通過旋轉二維面網格從而得到軸的三維映射網格有限元模型。

在有限元模型的建立過程中，為了使模型的建立清晰、準確、明了，減少運算量。一般情況下，我們忽略軸上鍵槽及退刀槽，從而減少不重要同時麻煩的細節處理，可以減少工作量，對輸出軸有限元模型的建立具有實際應用的作用。

三、邊界約束條件及加載

施加約束的原則是，既要保證消除結構的剛體位移，又不影響輸出軸的自由變形，在此條件下施加適當的約束。在對輸出軸進行邊界條件約束時，根據軸承座的固定方式和實際工作情況，對輸出軸左端軸承處繞 Y、Z 軸的轉動固定和X、Y、Z 軸方向的位移固定。另外，因為該輸出軸為低速軸，在右端的軸承處固定其繞 X 軸方向的轉動。

在減速箱工作過程中，輸出軸主要承受徑向力，包括輸出軸上齒輪所傳遞的徑向力和負載所產生的徑向力。設輸出功率為200W，轉數為1300轉，計算得出齒輪傳給軸的扭矩為3.5672N.mm。

本文主要考慮輸出軸的位移和應力，所加的載荷按額定功率的2.5倍來計算，采用直接法進行求解。

四、結果后處理及分析

根據強度理論，材料發生斷裂破壞或塑性變形的條件是應力值達到材料的強度極限或屈服極限。軸類零件應保證其結構強度，即輸出軸各部分的應力值不能超過材料的許用應力極限。

（1）位移分析。在進行位移分析時，只加載輸出軸所受的徑向力，所以從Z軸方向可以最直接看到輸出軸的位移變化情況。輸出軸右端變形比較明顯，應力集中主要分布在右端軸身與軸頭、軸身與軸頸的連接處。

在承受額定載荷時，輸出軸變形非常小，在分析齒輪減速箱的故障時，可以不必考慮軸在承受靜態載荷時的工作狀況，因為齒輪減速箱的故障不由輸出軸的變形而引起。

（2）應力分析。輸出軸的最大應力在伸出端軸身與軸頭的連接處，其他部分所受的應力較小。在靜載荷作用下，輸出軸在受到載荷作用下整體變形很小，基本可以忽略，軸的剛度可以滿足使用要求；輸出軸在各種工作情況下的最大應力值都遠遠小于其許用應力值，所以輸出軸的強度都能滿足使用要求。所以，齒輪減速箱可能發生的故障原因與輸出軸的剛度、強度無關。

對輸出軸進行靜態分析，輸出軸在強度和剛度存在很大的富余量，完全滿足應力條件。由于輸出軸的實際工作情況是允許過載2.5倍，所以不能只從強度、剛度方面考慮軸的結構承載問題，

還應該考慮動載工作情況。

參考文獻：

[1]蔣蘇民，侯 力，馬朝玲，等.風電增速箱空心輸入軸的有限元分析[J].機械傳動，2009.

[2]Chen Bingbing.Parametric Design of Modular Fixture Structure[J].Journal of Dong Hua University，2001（02）：108—112.

[3]鄧召文，陳 濤.基于ANSYS的BN492發動曲軸有限元分析[J].農業裝備與車輛工程，2010（08）： 29—34.

[4]張亞歐，谷志飛，宋 勇. ANSYS7.0有限元分析實用教程[M].北京：清華大學出版社，2004.

（作者單位：大連大學機械工程學院）