減速箱體結構優化設計

張晴晴

摘要：為了解決巴哈賽車減速箱體輕量化問題，本文利用CATIA軟件建立三維模型，并基于ANSYS軟件進行減速箱的靜力學分析和拓撲優化設計，結果表明：減速箱殼體優化后為3mm，應力和形變滿足材料屈服強度要求，為巴哈賽車的減速箱機械結構輕量化設計提供重要參考。

Abstract： In order to solve the problem of the baja racing deceleration box body lightweight， in this paper， a three-dimensional model is established by using CATIA software， and based on ANSYS software for reducer statics analysis and topology optimization design， the results show that the optimized reducer shell is 3 mm， the stress and deformation meet the requirement of material yield strength， and for the baja racing reducer mechanical structure lightweight design to provide important reference.

關鍵詞：減速箱;有限元;靜力分析;拓撲優化

Key words： reducer;finite element;static analysis;topology optimization

0? 引言

由于鏈條傳動在運轉時因多邊形效應因而不能保持恒定的瞬時傳動比、帶傳動無法兼顧密封性與散熱性[1，2]，故無法應用于巴哈賽車，齒輪傳動成為了其傳動的主要形式。然而大家為了提高其安全系數，經驗性的給定減速器殼體結構參數，造成體積太大，從而導致原材料的浪費，成本偏高[3，4]。為解決該問題，對減速器進行優化設計具有重要意義。

本文采用有限元法分析對給定載荷下分析箱體結構的應力和形變云圖。并對箱體結構強度進行校核。在此基礎上進行拓撲優化，滿足設計和使用要求，從而達到殼體輕量化目的和降低生產成本。

1? 三維模型及有限元模型建立

在有限元模型建立過程中會出現很多問題，它們會直接影響到模型仿真得出結果的有效性[5]。為保證胸部-護欄薄壁長桿的有效性和精確性，采用如圖1所示的流程圖。

利用CATIA建立減速器三維模型，減速器包括齒輪、齒輪軸、減速箱殼體等部件。導入ANSYA Workbench進行前處理，網格采用四面體，節點數66935，單元數量39510，如圖2所示。

2? 結果分析

從圖3（a）中可以得出，最大應變位置在第一軸箱體邊緣附近和第二軸第三軸軸承座根部附近，最大應變為 0.00053732mm，遠遠小于許用的變形量。從圖3（b）可以得出應力較大位置在第二軸第三軸軸承座根部附近，應力大小為 0.51454 MPa，遠遠小于選用材料的許用應力。

3? 拓撲優化設計

由上述分析發現，減速箱殼體設計強度較高，致使減速箱體積過大造成浪費。現使用ANSYS中Shape Optimization模塊進行形狀優化，在拓撲優化選項中，設置要去除的材料為你所想要的百分比，求解得出可以優化的方案。如圖4所示有限元模型在形狀優化后的結果。將圖中紅色部分修改其厚度，原厚度為5mm，現將厚度縮小為3mm，如圖4所示。

從圖5箱體應變云圖可以看出經過形狀優化后的模型最大應變數值為0.0053779mm。最大變形量為 10.343MPa。由結果可知其變形與應力值仍遠遠小于材料的許用值，但考慮到賽車在比賽過程中遇到復雜的沖擊載荷和耐久性等情況，認定該優化后的方案可行。

4? 結束語

通過采用有限元法和優化設計理論，在變速器箱最大應力小于材料屈服強度的條件下，利用ANSYS軟件計算和分析箱體的應力情況，優化結果與原設計方案相比優化效果明顯，提高設計、修改設計的效率。為巴哈賽車中變速器殼體輕量化的設計提供了思路和參考。

參考文獻：

[1]楊萍，王彥云，李智勇.一種圓柱直齒輪減速箱箱體的有限元模態分析[J].機械制造，2016，54（2）：19-22.

[2]李一鳴，叢丹.基于有限元法對單螺桿擠出機減速箱箱體強度分析[J].橡塑技術與裝備，2016（16）：89-91.

[3]譚昕，陳定方，張爭艷.三級齒輪減速箱動態特性分析與結構優化設計[J].裝備制造技術，2010（1）：77-80.

[4]李士玉，魏引煥.直齒圓柱齒輪減速箱的優化設計與有限元分析[J].機械設計與制造，2011，3（3）：28-29.

[5]朱秀娟.有限元分析網格劃分的關鍵技巧[J].機械工程與自動化，2009（1）：185-186.