基于Simulation的齿轮轴结构优化

蒋晶 王永 潘军远 郭钢 史文杰 黄红涛

（郑州机械研究所，河南 郑州 450052）

基于Simulation的齿轮轴结构优化

蒋晶 王永 潘军远 郭钢 史文杰 黄红涛

（郑州机械研究所，河南 郑州 450052）

分析某桥式起重机大车运行减速器齿轮轴的断裂原因，利用Solidworks Simulation软件对断裂齿轮轴建立有限元模型，在对其进行静力学分析的基础上进行结构优化，改善齿轮轴的受力状态，避免事故状态再次发生。

Simulation；齿轮轴；有限元；结构优化

桥式起重机是企业中最常用的吊装运输装备，直接影响到车间生产、设备检修、货物运输等任务的正常完成。由于桥式起重机工作时间长、操作频繁、工况恶劣，经常在重载下进行起动、制动、变速等操作，对传动齿轮轴的冲击很大，容易导致局部应力集中，造成断轴事故发生［1］［2］。文中对断裂齿轮轴进行静力学有限元分析，并根据应力状态对其进行结构优化，最终比较两种结构的应力状态，为齿轮轴的结构优化设计提供科学合理的理论依据。

减速器齿轮轴的结构尺寸如图1所示，齿轮轴转速n= 147.98r/min，传递功率P=40kW，材料为42CrMo，调质处理HB269～302，齿轮相关参数如表1所示。

图1 齿轮轴结构尺寸图

表1 齿轮相关参数表

1 齿轮轴的有限元分析

1.1 建立三维模型

利用Solidworks创建齿轮轴的三维模型，如图2所示；定义其基本属性：弹性模量为206GPa，泊松比为0.29，质量密度为7.85g/cm3，屈服极限为600MPa。

图2 齿轮轴三维模型图

图3 齿轮轴网格划分图

1.2 确定边界条件以及施加载荷

在轴承安装位置添加轴承支撑约束，使齿轮轴只能绕其轴线转动，不能移动。对齿轮轴施加载荷，轴齿1载荷直接施加到工作齿面上，轮齿2载荷则按齿轮宽度中心的分度圆顶端沿坐标系方向分别施加圆周力、径向力和轴向力。

1.3 划分网格

采用Solidworks Simulation默认的二阶四面体网格单元对齿轮轴进行网格划分，对应力较集中的区域采取网格控制细化网格单元，如图3所示。

1.4 结果分析

图4、图5、图6、图7分别是齿轮轴的Von Mises应力、合位移、等量应变、安全系数分布图，结果显示：齿轮轴的最大应力为540.6MPa，分布在靠近轴齿的轴肩过渡位置，安全系数仅为1.11，与实物的断裂源位置相符；齿轮轴的最大位移量为0.292mm，主要集中在工作齿的边缘区域。

图4 齿轮轴应力分布图

图5 齿轮轴合位移分布图

图6 齿轮轴等量应变分布图

图7 齿轮轴安全系数分布图

2 齿轮轴的结构优化

2.1 建立三维模型

依据以上分析结果，对齿轮轴上应力集中较大的位置进行结构优化，将齿和轴分离开，增加轴肩过渡圆弧、各台阶圆角等，建立改进轴三维模型，如图8所示。

图8 改进轴三维模型图

图9 改进轴网格划分图

2.2 确定边界条件以及施加载荷

同样在轴承安装位置添加轴承支撑约束，使改进轴只能绕其轴线转动，不能移动。对改进轴施加载荷，轮齿1和轮齿2载荷均按齿轮宽度中心的分度圆顶端沿坐标系方向施加圆周力、径向力和轴向力。

2.3 划分网格

采用Solidworks Simulation默认的二阶四面体网格单元对改进轴进行网格划分，对应力较集中的区域采取网格控制细化网格单元，如图9所示。

2.4 结果分析

图10、图11、图12、图13分别是改进轴的Von Mises应力、合位移、等量应变、安全系数分布图，结果显示：改进轴的最大应力为351.3MPa，安全系数为1.71，最大位移量为0.203mm，分布在左端键槽的轴肩过渡位置。

图10 改进轴应力分布图

图11 改进轴合位移分布图

图12 改进轴等量应变分布图

图13 改进轴安全系数分布图

3 结论

本文通过对齿轮轴和改进轴进行静力学有限元对比分析，从以上图表可以看出改进轴的最大应力值降低到351.3MPa，最大位移量减小为0.203mm，安全系数提升到1.71，完全满足轴的静强度要求［3］。所以当齿轮轴齿部过大时，可以通过齿轴分离，同时考虑增加轴肩过渡圆弧及各台阶圆角等措施来提升该传动轴的静强度，以保证传动轴的正常运转，避免断轴事故发生。

［1］ GB6067-2010，起重机械安全规程［S］.

［2］ GB3811-2008，起重机设计规范［S］.

［3］ 成大先等.机械设计手册.北京：化学工业出版社，2007.

U463.2

A

1003-5168（2015）11-031-02