基于有限元分析的输出轴的设计

撰文/付卓 谭晶莹 罗平水 喻正佳

■湖南理工学院南湖学院机电系



基于有限元分析的输出轴的设计

撰文/付卓 谭晶莹 罗平水 喻正佳

■湖南理工学院南湖学院机电系

对减速器输出轴进行动力学分析，根据受力方程、边界条件建立减速器输出轴动力学模型，采用有限元单元法进行求解，得出输出轴最危险点的位置为轴身与轴颈的交界处，此区域应力最大；另外，输出轴的轴端变形最大，因此同样是危险区域之一。以有限元分析软件ANSYS为基础，论述了输出轴的初步设计，校核其强度、刚度。关键词：输出轴；有限元分析；ANSYS；设计；强度；刚度

轴的设计应满足下列几方面的要求：在结构上要受力合理、尽量避免或减少应力集中，足够的强度（静强度和疲劳强度），必要的刚度，特殊情况下的耐腐蚀性和耐高温性，高速轴的振动稳定性及良好的加工工艺性，并应使零件在轴上定位可靠、装配适当和装拆方便等。在带式输送机使用的减速器中，输出轴在其工作中所起的作用很关键，是最容易破坏的零件。减速器在设计过程中必须对其主要运动部件进行强度分析，本文主要针对减速器的输出轴进行研究。

减速器输出轴的受力研究

a减速器所处的环境

减速器用于某车间零件传送设备的传动装置，设备工作条件：室内工作，连续单向运转，载荷平稳，每日两班，工作8年，车间有三相交流电源。减速器传动布置方案及其各已知量如下：

图1　输送装置的整体布置图

①输送带主动轴输出转矩T=720mm

②输送带工作速度V=1.08m/s

③滚筒直径D=380mm

④滚筒效率η=0.96

b减速器输出轴的有限元建模

减速器输出轴的材料为45Cr并调质处理，常温下弹性模量E=2.1E05Mpa，泊松比为 0.3。采用三维20节点六面等参单元（Solid95）进行分析。根据设计要求，对输出轴的轴承处施加零位移约束。

c减速器输出轴计算结果的分析与讨论

图2　减速器输出轴有限元模型加载后总体变形图

图3　减速器输出轴有限元模型等效应力图

从图2及图3可以发现减速器输出轴在受到静力均匀分布的线载荷后，发生了弯曲变形，由于静力载荷垂直作用于输出轴的轴线，使原为直线的轴线自输出轴的右边轴承处开始变形而成为曲线。减速器输出轴最大应力与最大变形发生在伸出端与轴承处，而变形后的输出轴位移变化最大的区域是输出轴的尖端。

通过ANSYS有限元分析，输出轴的总体位移图2看出输出轴最大位移为0.14532mm， 出现在输出轴的伸出端；从图3中可以看出其最大等效应力为144.08MPa ，出现在伸出端轴头与轴身的交界处。从强度方面考虑，轴在承受2.5倍过载工况下的最大应力值都远小于许用应力，其强度满足设计要求；从刚度方面考虑，轴的整体变形很小，只有0.14532mm ，其刚度也是满足设计要求的。总体来说 ，输出轴在强度和刚度方面都存在很大的裕量，材料的承载能力并没有得到充分的利用 ，这为输出轴的优化提供了很大的空间。

结论

本文通过建立减速器输出轴的有限元计算模型和实体模型，在ANSYS软件中进行仿真分析和计算，得出以下结论：

a输出轴在受到2.5倍工况载荷下最有可能受到变形破坏的地方是输出轴伸出端、轴头与轴身、轴身与轴颈的交界处，减速器输出轴能承受的最大等效应力为144.08Mpa，输出轴最大位移为0.14532mm。输出轴在工作时最大应力和最大变形出现的部位是输出轴伸出端轴头与轴身。

b减速器输出轴的强度与刚度的加强可以通过选择制造的材料以及通过更为合理的热处理方法来实现。为了加工制造条件和经济节约的考虑，各方面综合考虑减速器输出轴采用调质处理的45Cr钢就能满足设计要求。在输出轴的结构设计中，为了降低应力集中，应尽量减少输出轴的形状和尺寸的突变或使其变化尽可能地平滑和均匀。为此，要尽可能地增大过渡处的圆角半径；使输出轴上相邻截面处的刚性变化尽可能地小等。提高输出轴的表面质量，通过在输出轴的加工过程中切削用量的控制来达到减小表面粗糙度值的目的。

参考：

［1］王骁，王敏毅，黄朝学.基于ANSYS模态分析的某行星减速器输出轴设计［J］水雷战与战船防护，2012，20（1）81-84

［2］梁琼，李少川.金属矿山井下有轨运输控制方案设计［J］矿业工程，2015，13（6）：54-56

［3］郑昆，蔡安江，贾爽.基于ANSYS的小模数花键轴动态特性分析［J］机械传动，2011，35（4）:44-45

付卓，男，南湖学院2012级机械设计制造及其自动化专业学生。

谭晶莹（1973.04-），男，湖南理工学院副教授，博士，副教授；主要从机械及制冷方面的教学与研究工作。

*湘教通〔2015〕269号湖南省湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目；湖南省自然科学基金项目13JJ6067；岳阳市科技计划项目。