小模數齒輪減速器結構設計仿真分析

任宏喜 馮雪 陳永紅

【摘? 要】針對小模數三級齒輪減速器的結構設計，首先利用UG建立減速器三維的實體單元模型，然后利用ANSYS Workbench軟件對該減速器結構進行靜力分析，并依據仿真結果進行方案優化。從而在滿足設計指標的前提下，提高工作效率并延長減速器使用壽命。

【關鍵詞】小模數;減速器;仿真分析;設計優化

引言

舵機系統屬于典型的伺服控制系統，應用于飛行器制導控制系統，通過電機的動力輸入，經過減速增力機構，控制舵面的轉角，從而控制整個武器系統的飛行姿態，最終達到精確制導的目的[1]。隨著新一輪技術的革新，減速器向著高精度、高速度、小型化方向發展，所以執行機構可占據的空間越來越小，其中，驅動力矩與舵機在飛行過程中產生的阻力力矩是設計過程中需要特別考慮的因素。這就給傳動機構的傳動精度、行程、質量以及體積等重要指標提出更高的要求。

減速器作為舵機系統重要的組成部件之一，本課題在進行減速器設計時，減速器設計為三級減速，電機與減速箱之間的安裝方式為螺釘固定式結構，減速器外形結構尺寸長為56mm，寬30mm，高24mm;通過設置一對錐齒輪傳動，實現了動力方向的轉變;減速比為54，整個結構較為緊湊，傳動較為平穩;減速器能夠合理利用空間，外形結構尺寸較小。齒輪減速器的設計可以通過有限元仿真分析[2]進行設計優化。

1.減速器結構仿真分析

齒輪初始設計從電機的輸入端，依次命名為齒輪軸1、2、3，齒輪軸2為中間傳遞齒輪，大齒輪為動力輸出端，所有齒輪模數為0.2，減速比分別為3、4、4.5。

針對減速器初始設計方案進行仿真分析，輸出端最大力矩1.5N·m，對齒輪軸3施加1.5N·m的力矩，經過仿真計算，最大應力為979.61MPa。從仿真結果分析，齒輪長時間工作狀態下不能夠承受1.5N·m的扭矩，結構應力會大于600MPa。齒輪處于超載工作狀態使用，產品短時間工作無明顯影響，但是經過長時間的應用，齒輪極度磨損，齒輪的可靠性會大大降低，因此要在現有結構基礎上，對齒輪進行結構強度優化。

基于現有結構的限制，在空間允許的范圍內，選擇增加齒（寬）的齒輪，提高結構的強度。由最初的1.5mm增加到3mm，如圖1所示，再次進行仿真分析。

通過有限元仿真分析結果，如圖2所示，在輸出端施加1.5N·m的扭矩時，得到齒輪軸2、3接觸之間的最大應力為596.9MPa，小于600MPa。與未增加齒厚時相比較，在施加1.5N·m時，最大應力集中點達到979.61MPa，大于600MPa，通過設計方案前后對比，減速器齒輪結構性能得到較大提升。

2.總結

本文通過小模數齒輪進行有限元分析，并針對仿真結構進一步優化，通過齒寬增加，提高了齒輪的耐磨強度，滿足長時間內1.5N·m的使用要求，齒面接觸應力小于600MPa，可以在短時間內達到2.0N·m的力矩指標。齒輪長時間超載使用，會嚴重影響壽命，設計過程中，可以通過仿真方法進行優化。小模數齒輪在精密產品工程設計中經常會用到，但是有限元仿真分析并不能代表結構的真實變形和位移，只能幫助了解結構的變化趨勢，從而避免工程中的結構問題。

參考文獻

[1] 張遠平，王生.飛艇電動舵機的研究與仿真分析[J].計算機仿真，2011（04）.

[2] 楊金堂，張珂，全芳成，許海.基于ANSYS的減速機齒輪有限元分析[J].武漢科技大學學報，2014（04）.