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基于ANSYS的三环减速器的有限元分析

发布于:2020-06-08 19:25
有限元分析

       三环减速器是一种新型的少齿差内啮合行星齿轮传动装置,具有传动比大、承载能力高、结构简单、制造成本低等优点,主要应用于矿山、冶金、建筑机械等行业。三环减速器传动部分属于超静定系统,在分析其力学行为时,必须考虑各构件的弹性变形协调关系,而准确建立三环传动系统的变形协调条件往往有很大难度。因此,众多文献在分析三环减速器的力学特性时,都做了一些假设或简化,而这些假设或简化在不同程度上影响了有限元分析的精度。
       本文采用有限元方法对三环减速器整机进行分析,避开了建立变形协调条件的难题。对构件传动过程中各个构件的应力、变形分析,以确定各构件在不同传动位置时应力分布以及传动系统所受约束反力,尤其是每个构件的最大应力的大小和位置。静力分析的结果对确保三环减速器整体性能具有非常重要的意义,也是三环减速器优化设计的重要依据。三环减速器是由多个零部件组成的齿轮连杆传动系统,其装配:由支座、输入曲柄轴、。其工作原理环板、输出轴柄轴等主要部分组成。为了克服死点位置、支撑曲实际使用中采用三相环板并列布置,各环板之间互成120°相位角。
       为便于比较,本文以实验用三环减速器为例进行受力分析。其基本参数为
       减速器中心距a=160 mm。输入轴直径35.0 mm,长度235.5 mm,材料40Cr,弹性模量2.11Xe11 Pa。支撑轴直径35.0 mm,长度190.0 mm。内齿板厚度35.0 mm,材料45,弹性模量2.09Xe11 Pa。3个内齿板之间的间隙5.0 mm。偏心套偏心距2.0。行星轴承内径50.0 mm,外径90.0 mm,厚度35.0 mm,弹性模量3.0577Xe10 Pa。所有材料的泊松比为0.3,密度为7.8 Xe3 kg/m3。输入扭矩40.0Xe3 Nm。
       本文综合考虑各个构件,建立了内齿板、高速轴、偏心套、行星轴承、高速轴上的支承轴承组成的传动系统的有限元分析模型。建模时,忽略内齿板上的轮齿,对于轴承,忽略其结构细节,用一个力学能相似的弹性空心圆柱体代替,构件之间的连接关系利用自由度耦合的概念处理。考虑到三环减速器内齿板、偏心套等实体的表面为曲面,实体形状不很规则,ANSYS选择单元类型为SOLID186单元。箱体对支撑轴承的约束,处理为外侧表面节点的固定约束。输出轴对内齿板的约束,处理为内齿轮齿根尺寸范围内的节点沿切线方向的固定约束。本文通过将扭矩换算为周向节点力的方法施加扭矩载荷。通过有限元分析,得到一个周期内,各个主要承力构件的应力变化情况。
三环减速器在运转过程中作用于箱体支座的X方向反力要远大于Y方向反力,这也是引起箱体横向振动的主要原因。
       一个运动周期内,三环减速器的内齿板所受的载荷(齿轮啮合力)是变化的,各相相位差接近120°,减速器总的输出力矩也呈周期性波动。
       分析表明齿板上的最大Von mises应力发生在齿啮合位置处(本文作为约束位置),第1相和第2相内齿板30°位置角时的应力分布云图。
       对1台三环减速器实验样机的承载能力进行了实测,经计算输出扭矩的均值为2319.2 Nm。有限元分析的扭矩最大值为2262.81 Nm,与实验扭矩之间的误差为2.439000。
       本文对1个三环减速器的传动系统进行了有限元静力分析,通过数据和云图得出了一些分析结果。
       (1)进行有限元建模时,用一个力学性能相似的弹性空心圆柱体代替轴承,考虑其弹性变形对传动系统静力的影响。
       (2)构件之间的连接关系采用自由度耦合的概念处理,进一步接近实际工作情况。
       (3)将有限元静力分析的结果与试验数据对比,结果表明有限元分析的结论与实验结果很吻合。说明本研究分析的有限元模型是符合实际工况的研究模型。
       (4)本研究的结果将为三环减速器的优化设计奠定良好的基础。

 

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