基于有限元的蜗轮蜗杆传动性能模态分析

杨勇明

(上海理工大学 公共实验中心，上海200093)



基于有限元的蜗轮蜗杆传动性能模态分析

杨勇明

(上海理工大学 公共实验中心，上海200093)

针对蜗轮蜗杆传动，由于动载荷冲击引起振动变形和使用寿命等问题，文中提出基于有限元分析的蜗轮蜗杆传动性能模态分析研究，使用实验与仿真的方法，采用ANSYS Workbench软件进行蜗轮蜗杆传动性能模态分析，提取自由振动下的固有频率和振型，进行仿真分析与结果对比，实验表明，进行合理的蜗轮蜗杆传动性能模态分析，并且提取合理的模态分析参数，对于蜗轮蜗杆的可靠性研究具有重要性。

传动性能；ANSYS Workbench；模态分析；可靠性

蜗轮蜗杆作为一种重要的传动机构，专门用于传递空间交错轴间的运动和动力，利用速度转换器将电机的回转数降低到需要的回转数，可以获得较大转矩，起到降低电机回转数增加输出扭矩的作用[1]。当电机回转速度较大时，由于蜗轮蜗杆啮合处存在相对滑动和动载荷冲击等因素，容易引起蜗轮蜗杆的振动，甚至影响蜗轮蜗杆的使用寿命[2]。针对这一问题，本文提出基于有限元的蜗轮蜗杆传动性能模态分析研究，可以实时监测和分析蜗轮蜗杆的传动性能，可以有效地提升蜗轮蜗杆的安全性和可靠性。

1　蜗轮蜗杆建模

本文研究的WPA40型蜗轮蜗杆减速器，主要由蜗轮、蜗杆、轴承、箱体、端盖等零部件组成[3]，在保证联接刚度和质量分布正确性的前提下，利用Solidworks完成WPA40型蜗轮蜗杆减速器三维建模，图1所示为WPA40型蜗轮蜗杆减速器三维模型。

2　蜗轮蜗杆传动性能模态分析

本文研究的蜗轮蜗杆传动性能模态分析以振动理论为基础，在激振力作用下，通过对蜗轮蜗杆进行多点激振单点拾振的方法，采集蜗轮蜗杆拾取点上的响应信号进行模态分析，根据提取的模态参数来表示分析结果[4]，图2所示为本文提出基于有限元的蜗轮蜗杆传动性能模态分析流程图。(1)将蜗轮蜗杆三维模型导入ANSYS Wokbench平台；(2)根据实际情况，利用Wokbench Modal模块的Engineering Data对蜗轮蜗杆各零件进行材料定义，表1所示为 WPA40型蜗轮蜗杆减速器各零件材料参数；

图1　WPA40型蜗轮蜗杆减速器三维模型

图2　蜗轮蜗杆传动性能模态分析流程图

零件材料密度/kg·cm-1弹性模量/GPa泊松比蜗轮ZCuAl10Fe37500109.80.335蜗杆40#7850213.50.30轴承GCr1578302190.30轴45#78502100.31箱体端盖HT20073301480.31

(3)根据实际工况，蜗轮蜗杆的接触区域主要位于蜗轮与蜗杆、轴与轴承、轴承与端盖之间[5]，通过Workbench的Size命令和Contact Size命令减小接触区域内的网格尺寸，加密接触区域单元格数，进而提高分析精度。本文利用系统提供的网格自动划分法，对蜗轮蜗杆模型进行网格划分，结果图3所示；

图3　蜗轮蜗杆网格划分图

(4)利用Workbench的线性接触Bounded、No Separation和非线性接触Frictionless、Frictional及Rough对实际工况中蜗轮蜗杆的接触类型进行定义，结果如表2所示；

表2　蜗轮蜗杆接触类型定义

(5)在ANSYS Workbench的模态求解方法中，选用精度高、收敛速度快的分块兰索斯法[6]实现蜗轮蜗杆传动性能模态分析的求解过程。根据低阶模态对系统振动影响较大，高阶模态对系统振动的影响相对较小的原则[7]，本文选择低频范围内的模态特征参数，提取得到各阶模态的固有频率和振型后，即可完成实验结果的分析与对比。

3　蜗轮蜗杆传动性能模态分析实验

3.1实验台

图4所示为蜗轮蜗杆传动性能模态分析实验台，由机械部分和控制部分组成，机械部分包括伺服电机、转速控制系统、磁粉制动器和转矩控制等系统，实验台中典型设备的参数介绍[8]，如表3所示。

图4　蜗轮蜗杆传动性能测试实验台

名称型号性能脉冲锤9724A20000～2000N采集系统NIUSB-44315通道,24位分辨率分析系统ModalVIEWVersionR2Rev2012.02加速度传感器KISTLER8688A50灵敏度x=95.8,y=104.1,z=98.9

将WPA40型蜗轮蜗杆减速器用橡皮绳悬挂在刚性较大的实验台架上，使其处于自由状态[9]，并且定义X方向平行于蜗杆的轴向，Y方向平行于蜗轮的轴向，Z方向垂直于工作台平面方向。如图5和图6所示，在箱体上选择能够反映蜗轮蜗杆结构特点的测试点18个以及拾振点1个，实验中，将实验设置实验模式为激励点变化拾振点不变，对X、Y和Z这3个方向的加速度信号进行采集、显示与保存。

图5　蜗轮蜗杆结构特点测试点示意图

图6　拾振点选取图

3.2实验分析

利用Wokbench的ModalVIEW模块，将采集的实验数据进行模态分析，求出0～2 000 Hz范围内的前十阶低频振型和固有频率，并且与模态仿真结果进行比较，如表4和表5所示。

表4　振型结果比较

表5　固有频率结果比较

由表4和表5可知，蜗轮蜗杆在各阶模态下，蜗轮轴、蜗杆轴和箱体均发生振动变形，两轴端侧因属于悬臂布置，外部激励对其影响较大，并且低阶模态上实验振型和仿真振型较好吻合，表明实验结果与仿真结果值基本保持一致。

如表6所示，将自由实验状态的固有频率值和蜗轮蜗杆工作状态的固有频率进行比较[10]可知，WPA40型蜗轮蜗杆1 500 r/min恒速转动，当给蜗轮施加不同的载荷时，固有频率随着载荷频率的增加而增大，当载荷达到15 N·m，蜗轮蜗杆的工作频率与固有频率非常相近，易产生共振，所以15 N·m载荷的加载时间不宜过长，否则容易造成蜗轮蜗杆损坏。

表6　不同试验状态下固有频率值的比较

4　结束语

本文提出基于有限元的蜗轮蜗杆传动性能模态分析研究，采用仿真与实验的方法，主要解决涡轮蜗杆传动过程中由于动载荷冲击造成减速器发生振动变形等问题，所以开展合理的模态分析，提取合理的模态参数，对于蜗轮蜗杆减速器的可靠性研究十分重要。

[1]王丽佳.减速机故障诊断与解决办法[J].液压与气动, 2011(3):101-102.

[2]章文强,盛云,于莉,等.燃料电池轿车变速器齿轮强度分析及疲劳寿命计算[J].传动技术, 2009(3):23-47.

[3]台机减速器厂.减速器手岫[EB/OL].(2003-12-19)[2015-10-10]http://www.taijidg.com/show-241-628.html.

[4]杨龙宝.基于ANSYS Workbench的汽车盘式制动器性能分析[D].南宁: 广西大学,2013.

[5]刘江. ANSYS 14.5 Workbench机械仿真实例详解[D].北京: 机械工业出版社,2015.

[6]张洪才ANSYS13.0从入门到实战[D].北京：机械工业出版社，2010.

[7]赵富强.商用车变速器疲劳实验特征辨识与寿命预测[D].太原: 太原理工大学,2012.

[8]刘宜敞,田春林,刘涛,等.蜗杆蜗轮有预应力的模态分析[J].工业技术创新,2015(1):3-7.

[9]关雪梅,许立忠,郝秀红.机电集成电磁蜗杆传动系统自由振动分析[J].中国机械工程, 2013,24(4):517-522.

[10] 刘三忠.基于Pro/E的蜗杆传动参数化设计及有限元分析研究[D].成都：西南交通大学,2012.

Modal Analysis of Worm Gear Transmission Performance by the Finite Element Method

YANG Yongming

(Public Experiment Center, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

A modal analysis of worm gear transmission performance based on finite element method is proposed to reduce the vibration deformation caused by dynamic load in a worm gear transmission system for longer service life. The ANSYS Workbench is used for modal analysis of worm gear transmission performance to extract the free vibration natural frequencies and vibration types. Experimental results show that a reasonable modal analysis of worm gear transmission performance and the extraction of rational parameters of are of great importance to the reliability of the worm gear.

transmission performance; ANSYS Workbench; modal analysis; reliability

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.024

2016-03-10

杨勇明(1986-)，男，硕士，讲师。研究方向：机器人技术。

TP391.9

A

1007-7820(2016)08-082-04