基于ANSYS的叉車減速器殼體分析與研究

文/劉海林 王以陽 張 巖（安徽合力股份有限公司）

一、概述

傳動系統是叉車重要組成部分，驅動橋處于傳動系統的末端，主要由減速器、半軸和橋殼等部件組成。驅動橋中的減速器將發動機或電機提供的轉速降低，增大轉矩和牽引力，用來克服車輪行駛中遇到的外界阻力，帶動叉車前進或后退。

減速器內部有多對齒輪嚙合傳動，實現降低轉速、增大轉矩的功能。減速器外部是殼體，通過軸承、密封圈等零件與內部零件連接配合，使減速器傳動過程保持平穩。傳動過程中，減速器殼體會受到各部件重量負荷的作用，容易產生損壞，因此在設計過程中需對減速器殼體的強度進行分析。

本文以3.5t叉車雙驅單元中的減速器殼體為研究對象，在ANSYSWorkbench軟件中對殼體施加載荷和約束，經有限元分析計算，得出減速器殼體的應力分布云圖和變形分布云圖，最后經過臺架試驗驗證殼體設計的可使用性。

二、減速器殼體有限元分析

1.有限元分析前處理

利用Solidworks軟件建立減速器殼體、蓋板、螺栓、輪轂、輪輻及部分車架的三維模型。將模型導入ANSYS Workbench軟件中，重點關注的減速器殼體，設置網格尺寸大小為10mm；對于非重點關注的輪轂、輪輻和車架部分，設置網格尺寸大小為20mm。劃分網格后的模型共有239162個節點和137001個單元。減速器殼體的材料是QT450-10，材料參數為：彈性模量169GPa，泊松比0.257，密度7060kg/m，屈服極限310MPa，抗拉極限450MPa。

仿真分析的工況模擬叉車鏟取貨物后驅動橋在各部件重量和貨物重量綜合作用下的受力情況，部件主要包括配重、門架等。考慮到叉車的行駛狀態，對驅動橋負荷值乘以動載系數2，因此需在輪輻處施加83200N的力。

減速器殼與蓋板之間通過螺栓連接，需在螺栓處施加預緊力，同時蓋板與車架之間也需施加一定的預緊力。輪轂和輪輻之間雖然同樣采用螺栓連接，因不是本文研究的對象，可將其連接方式設置為綁定來簡化計算。加載螺栓預緊力時，需在ANSYSWorkbench中設置分布載荷，第一步添加螺栓預緊力值，第二步在“DefineBy”選項下選擇“Lock”來鎖定載荷，保證后面載荷步的運行都會受到預緊力的作用。其余各部件間的接觸方式定義為摩擦，設定摩擦系數，車架的另一面固定約束。

在標準扭矩作用下，等級為10.9的M10螺栓的預緊力是38700N，等級為10.9的M16螺栓的預緊力是107000 N。各個載荷和約束施加情況如圖1所示。

圖1 載荷和約束的施加情況

2.有限元分析結果

圖2是減速器殼的應力分布云圖，分析結果表明，在2倍負載和螺栓預緊力作用下，減速器殼上應力較大處的值為191.22MPa。由材料QT450-10的屈服極限值計算出最小安全系數是1.62。圖3是M16螺栓的應力分布云圖，較大處的應力值是820.21MPa，可以計算出最小安全系數為1.1。結果顯示所設計減速器殼結構的安全系數符合要求。

圖2 減速器殼應力分布云圖

圖3 螺栓應力分布云圖

圖4是減速器殼變形分布云圖，圖上顯示最大變形量是0.27mm，變形量較小，剛度變化不大。圖5是各連接面的相對移動情況，主要是以黏附現象為主，少部分位置有滑動，說明該結構的密封性較好。

圖4 減速器殼變形分布云圖

圖5 連接面的相對移動情況

三、減速器殼體臺架試驗

依據本公司“驅動橋橋殼臺架試驗及評價方法”的標準，對包含所設計減速器殼的驅動橋進行臺架試驗。試驗前調整試驗臺，保證橋殼中心與支撐裝置中心在同一水平線上，同時對壓力傳感器、應變儀等儀器進行靜標定，控制精度在±3%以內。試驗過程中，對驅動橋施加負荷上限為2倍額定橋荷和下限在500N之間的循環載荷，循環周期為3s。經過30萬次的循環試驗，減速器殼上沒有產生裂紋，連接狀態完好，螺栓沒有發生破壞，試驗結果表明符合標準要求。

四、結語

通過Solidworks軟件建立減速器殼體的三維模型，在ANSYSWorkbench軟件中加載2倍橋負荷和螺栓預緊力來仿真試驗情況，最后經過臺架試驗驗證所設計的減速器殼體是否符合標準和使用要求。在產品的設計過程中，有效利用有限元分析方法可以大幅度提高設計效率，縮短設計周期，利于企業競爭力的提升。