基于ANSYS的减速箱中轴有限元静力分析

李博

摘 要：本文在ANSYS软件中建立了减速箱中输出轴模型，在约束条件下对模型进行加载，同时对模型进行有限元静力分析，即位移分析和应力分析。证明齿轮减速箱可能发生的故障原因与输出轴的刚度、强度无关，还要考虑其动载情况。

关键词：有限元；减速箱；静力分析

一、静力分析概述

静力分析是计算由于稳态外载引起的系统的应变、应力或位移[1]，也就是所谓的结构响应。结构静力分析还可以计算近似等价为静力作用的随时间变化的载荷和固定不变的惯性载荷对结构的影响。

在分析过程中，通常令载荷和响应固定不变。施加的载荷一般包括：外部载荷、惯性载荷、位移载荷和温度载荷[2]。

二、输出轴的有限元模型

本文的减速器的输出轴材料为45号钢，输出轴总长为100mm，最大直径16mm，最小直径8mm。弹性模量是206000MPa，泊松比0.3[3]。本文采用实体建模法来建立有限元模型。

建模过程为[4]：

利用截面尺寸生成若干个矩形区域，通过布尔运算合并矩形区域，从而形成一个完整的面；采用图形用户界面人工控制，对面进行映射网格划分；通过旋转二维面网格从而得到轴的三维映射网格有限元模型。

在有限元模型的建立过程中，为了使模型的建立清晰、准确、明了，减少运算量。一般情况下，我们忽略轴上键槽及退刀槽，从而减少不重要同时麻烦的细节处理，可以减少工作量，对输出轴有限元模型的建立具有实际应用的作用。

三、边界约束条件及加载

施加约束的原则是，既要保证消除结构的刚体位移，又不影响输出轴的自由变形，在此条件下施加适当的约束。在对输出轴进行边界条件约束时，根据轴承座的固定方式和实际工作情况，对输出轴左端轴承处绕 Y、Z 轴的转动固定和X、Y、Z 轴方向的位移固定。另外，因为该输出轴为低速轴，在右端的轴承处固定其绕 X 轴方向的转动。

在减速箱工作过程中，输出轴主要承受径向力，包括输出轴上齿轮所传递的径向力和负载所产生的径向力。设输出功率为200W，转数为1300转，计算得出齿轮传给轴的扭矩为3.5672N.mm。

本文主要考虑输出轴的位移和应力，所加的载荷按额定功率的2.5倍来计算，采用直接法进行求解。

四、结果后处理及分析

根据强度理论，材料发生断裂破坏或塑性变形的条件是应力值达到材料的强度极限或屈服极限。轴类零件应保证其结构强度，即输出轴各部分的应力值不能超过材料的许用应力极限。

（1）位移分析。在进行位移分析时，只加载输出轴所受的径向力，所以从Z轴方向可以最直接看到输出轴的位移变化情况。输出轴右端变形比较明显，应力集中主要分布在右端轴身与轴头、轴身与轴颈的连接处。

在承受额定载荷时，输出轴变形非常小，在分析齿轮减速箱的故障时，可以不必考虑轴在承受静态载荷时的工作状况，因为齿轮减速箱的故障不由输出轴的变形而引起。

（2）应力分析。输出轴的最大应力在伸出端轴身与轴头的连接处，其他部分所受的应力较小。在静载荷作用下，输出轴在受到载荷作用下整体变形很小，基本可以忽略，轴的刚度可以满足使用要求；输出轴在各种工作情况下的最大应力值都远远小于其许用应力值，所以输出轴的强度都能满足使用要求。所以，齿轮减速箱可能发生的故障原因与输出轴的刚度、强度无关。

对输出轴进行静态分析，输出轴在强度和刚度存在很大的富余量，完全满足应力条件。由于输出轴的实际工作情况是允许过载2.5倍，所以不能只从强度、刚度方面考虑轴的结构承载问题，

还应该考虑动载工作情况。

参考文献：

[1]蒋苏民，侯 力，马朝玲，等.风电增速箱空心输入轴的有限元分析[J].机械传动，2009.

[2]Chen Bingbing.Parametric Design of Modular Fixture Structure[J].Journal of Dong Hua University，2001（02）：108—112.

[3]邓召文，陈 涛.基于ANSYS的BN492发动曲轴有限元分析[J].农业装备与车辆工程，2010（08）： 29—34.

[4]张亚欧，谷志飞，宋 勇. ANSYS7.0有限元分析实用教程[M].北京：清华大学出版社，2004.

（作者单位：大連大学机械工程学院）