基于UG/Structure的缓降器有限元分析

曲振华（淄博职业学院 机电工程学院,山东 淄博 255314）

基于UG/Structure的缓降器有限元分析

曲振华
（淄博职业学院 机电工程学院,山东 淄博 255314）

介绍了摩擦阻尼型救生缓降器的工作原理，利用UG/Structure模块，针对缓降器支撑部件主轴、行星齿轮传动系统进行了有限元分析，获得主轴工作时的最大应力和齿轮啮合时的齿根最大弯曲应力及齿面最大接触应力，并和理论计算结果进行了分析与比较，为齿轮设计提供了参考依据，并有效的提高了工程设计、分析的效率和精度，保证了制造实施的可行性。

缓降器；有限元分析；UG

近年来高层建筑递增，一旦发生意外和火灾，电梯断电失灵，楼道烟气堵塞，逃生和疏散很困难,缓降器可以使受困人员安全地逃离。现今市场中的缓降器，设计与开发尚不成熟，使用方法复杂，不能被广泛普及。为此，研制适合居民实用的逃生缓降器成了一个急需解决的问题。

1 缓降器工作原理分析

如图1所示，缓降器用NGW型行星齿轮传动，固定内齿圈，钢丝绳可通过三个导向轮跨绕在绳轮的轮槽内，将绳轮与行星架制成一体，内齿圈与外壳制成了一体，摩擦面在内齿圈上，两个摩擦块沿着太阳轮向分布装在太阳轮上，在结构设计上使其能和太阳轮一起同速旋转，并可以在太阳轮上沿径向方向甩出，制动盘发生旋转摩擦形成制动力，从而自动调节下降速度，实现匀速下降，保证了人落地时无冲击感且工作过程无空程。

2 基于UG/Structure的缓降器的有限元分析

有限元分析了齿轮的接触应力，并能真实地表明轮齿的实际受力状态，能明显地看出轮齿的变形情况，并明确应力的分布区域及最大、小应力值，避免传统算法中查图、查表的复杂性，以及计算的烦琐性，计算模型将更真实、精确、全面、误差更小[1]，不仅是实验法无法相比且也是实验法无法做到的。

缓降器主要零部件有限元分析：本文的有限元分析是在最大负荷力1470N（参考值）的作用下进行的，即150kg人或物体所受的重力。主轴和行星机构是缓降器主要受力部件，因此对行星机构和主轴进行了有限元分析。

2.1 行星轮传动系统有限元分析

太阳轮、行星轮和内齿圈采用同一种材料40Cr。图2显示了齿轮啮合时的应力云图；从图中分析可知，在齿轮啮合过程，齿根最大弯曲应力为约329.0MPa，发生在内啮合时，行星轮距齿根较近的节点处，材料的许用弯曲应力为=1107.6MPa，所以＜，齿根弯曲应力满足材料的强度要求。传统计算方法能得到行星轮齿根最大弯曲应力为372.8MPa，因此仿真结果与理论计算结果相差非常相近。

图3显示了齿轮轮齿接触应力云图。由图中分析可知，在齿轮啮合过程中，轮齿最大接触应力为1262.0Mpa，生在太阳轮接触线距离齿根较近的节点，材料的许用接触应力为1695.7MPa，所以接触应力满足材料的强度要求，经传统计算方法得太阳轮节点处的接触应力最大为1353.9MPa，由于传统方法计算时考虑了重合度影响，而在用有限元分析时没有考虑重合度的影响，所以会有一定的误差。

2.2 主轴的有限元分析

假设绳轮为理想刚体且接触面不存在塑性变形，此时可视主轴受绳轮反作用力沿主轴轴线方向呈线性分布。且由于主轴为整个缓降器承受负载时的主要支撑部件，因此为易破损的部件，在UG软件里，分析破损情况。预制主轴材料为45＃钢，并进行调质处理，屈服强度 =355MPa。因主轴固定，载荷比较平稳，并装有齿轮，因此取许用应力 MPa，允许挠度为 mm。

双击Results命令，进入UG/Structure有限元分析后处理模块。图2-3显示了主轴位移变形，由图可以看出，最大位移发生在距离主轴右侧定位面19mm处，最大值为 =6.628×103mm， ＜ ，因此轴的挠度能够满足弯曲刚度的要求。

图5显示了主轴应力分布情况，并从图中可以看出，在轴肩处由于截面突变引起应力集中，所以最易破损的地方发生在轴肩过渡位置，其最大值为 =109.3MPa，可见 ＞ 。为满足轴的强度要求，可采用两种方法，一：根据实际情况采用性能较好材料，如40Cr，或者改进热处理办法，如渗碳淬火；二：可以通过增加轴肩的过渡圆角半径，以减小应力集中，减小最大应力，分析表明当过渡圆角半径r为0.5mm时，最大应力为96MPa，能够满足材料的强度要求。

3 结束语

应用UG软件提供的有限元分析模块对缓降器行星齿轮传动系统进行了有限元分析，得到了主轴工作时的最大应力及轮齿啮合时的最大接触应力与最大齿根弯曲应力，通过比较仿真结果和理论计算结果相差并不大，并能满足材料的强度要求。计算机仿真结果显示，缓降器的优化结构基本能够满足设计要求，并且为机构强度、刚度及疲劳分析提供了准确的数据，保证了制造的可行性。由此可见，仿真结果对缓降器的设计制造具有较高的参考价值。

[1]杨生华.齿轮接触有限元分析[J].计算力学学报，2003(02):189-194

[2]马秋成，韩利芬.UG.CAE篇[M].北京：机械工业出版社，2002(06).

[3]赵娥.汽车变速器优化设计与有限元分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2004.

[4]耿鲁怡，徐六飞.UG结构分析培训教程[M].北京：清华大学出版社，2005(02).

曲振华（1979-），男，山东省淄博人，助教，硕士，从事机械设计及制造及其自动化方面的学习研究。