基于UG/Structure的緩降器有限元分析

曲振華（淄博職業學院 機電工程學院,山東 淄博 255314）

基于UG/Structure的緩降器有限元分析

曲振華
（淄博職業學院 機電工程學院,山東 淄博 255314）

介紹了摩擦阻尼型救生緩降器的工作原理，利用UG/Structure模塊，針對緩降器支撐部件主軸、行星齒輪傳動系統進行了有限元分析，獲得主軸工作時的最大應力和齒輪嚙合時的齒根最大彎曲應力及齒面最大接觸應力，并和理論計算結果進行了分析與比較，為齒輪設計提供了參考依據，并有效的提高了工程設計、分析的效率和精度，保證了制造實施的可行性。

緩降器；有限元分析；UG

近年來高層建筑遞增，一旦發生意外和火災，電梯斷電失靈，樓道煙氣堵塞，逃生和疏散很困難,緩降器可以使受困人員安全地逃離。現今市場中的緩降器，設計與開發尚不成熟，使用方法復雜，不能被廣泛普及。為此，研制適合居民實用的逃生緩降器成了一個急需解決的問題。

1 緩降器工作原理分析

如圖1所示，緩降器用NGW型行星齒輪傳動，固定內齒圈，鋼絲繩可通過三個導向輪跨繞在繩輪的輪槽內，將繩輪與行星架制成一體，內齒圈與外殼制成了一體，摩擦面在內齒圈上，兩個摩擦塊沿著太陽輪向分布裝在太陽輪上，在結構設計上使其能和太陽輪一起同速旋轉，并可以在太陽輪上沿徑向方向甩出，制動盤發生旋轉摩擦形成制動力，從而自動調節下降速度，實現勻速下降，保證了人落地時無沖擊感且工作過程無空程。

2 基于UG/Structure的緩降器的有限元分析

有限元分析了齒輪的接觸應力，并能真實地表明輪齒的實際受力狀態，能明顯地看出輪齒的變形情況，并明確應力的分布區域及最大、小應力值，避免傳統算法中查圖、查表的復雜性，以及計算的煩瑣性，計算模型將更真實、精確、全面、誤差更小[1]，不僅是實驗法無法相比且也是實驗法無法做到的。

緩降器主要零部件有限元分析：本文的有限元分析是在最大負荷力1470N（參考值）的作用下進行的，即150kg人或物體所受的重力。主軸和行星機構是緩降器主要受力部件，因此對行星機構和主軸進行了有限元分析。

2.1 行星輪傳動系統有限元分析

太陽輪、行星輪和內齒圈采用同一種材料40Cr。圖2顯示了齒輪嚙合時的應力云圖；從圖中分析可知，在齒輪嚙合過程，齒根最大彎曲應力為約329.0MPa，發生在內嚙合時，行星輪距齒根較近的節點處，材料的許用彎曲應力為=1107.6MPa，所以＜，齒根彎曲應力滿足材料的強度要求。傳統計算方法能得到行星輪齒根最大彎曲應力為372.8MPa，因此仿真結果與理論計算結果相差非常相近。

圖3顯示了齒輪輪齒接觸應力云圖。由圖中分析可知，在齒輪嚙合過程中，輪齒最大接觸應力為1262.0Mpa，生在太陽輪接觸線距離齒根較近的節點，材料的許用接觸應力為1695.7MPa，所以接觸應力滿足材料的強度要求，經傳統計算方法得太陽輪節點處的接觸應力最大為1353.9MPa，由于傳統方法計算時考慮了重合度影響，而在用有限元分析時沒有考慮重合度的影響，所以會有一定的誤差。

2.2 主軸的有限元分析

假設繩輪為理想剛體且接觸面不存在塑性變形，此時可視主軸受繩輪反作用力沿主軸軸線方向呈線性分布。且由于主軸為整個緩降器承受負載時的主要支撐部件，因此為易破損的部件，在UG軟件里，分析破損情況。預制主軸材料為45＃鋼，并進行調質處理，屈服強度 =355MPa。因主軸固定，載荷比較平穩，并裝有齒輪，因此取許用應力 MPa，允許撓度為 mm。

雙擊Results命令，進入UG/Structure有限元分析后處理模塊。圖2-3顯示了主軸位移變形，由圖可以看出，最大位移發生在距離主軸右側定位面19mm處，最大值為 =6.628×103mm， ＜ ，因此軸的撓度能夠滿足彎曲剛度的要求。

圖5顯示了主軸應力分布情況，并從圖中可以看出，在軸肩處由于截面突變引起應力集中，所以最易破損的地方發生在軸肩過渡位置，其最大值為 =109.3MPa，可見 ＞ 。為滿足軸的強度要求，可采用兩種方法，一：根據實際情況采用性能較好材料，如40Cr，或者改進熱處理辦法，如滲碳淬火；二：可以通過增加軸肩的過渡圓角半徑，以減小應力集中，減小最大應力，分析表明當過渡圓角半徑r為0.5mm時，最大應力為96MPa，能夠滿足材料的強度要求。

3 結束語

應用UG軟件提供的有限元分析模塊對緩降器行星齒輪傳動系統進行了有限元分析，得到了主軸工作時的最大應力及輪齒嚙合時的最大接觸應力與最大齒根彎曲應力，通過比較仿真結果和理論計算結果相差并不大，并能滿足材料的強度要求。計算機仿真結果顯示，緩降器的優化結構基本能夠滿足設計要求，并且為機構強度、剛度及疲勞分析提供了準確的數據，保證了制造的可行性。由此可見，仿真結果對緩降器的設計制造具有較高的參考價值。

[1]楊生華.齒輪接觸有限元分析[J].計算力學學報，2003(02):189-194

[2]馬秋成，韓利芬.UG.CAE篇[M].北京：機械工業出版社，2002(06).

[3]趙娥.汽車變速器優化設計與有限元分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2004.

[4]耿魯怡，徐六飛.UG結構分析培訓教程[M].北京：清華大學出版社，2005(02).

曲振華（1979-），男，山東省淄博人，助教，碩士，從事機械設計及制造及其自動化方面的學習研究。