基于ANSYS 技术的蜗杆机械结构优化设计
2022-07-21魏波
魏 波
(哈尔滨石油学院机械工程学院,黑龙江哈尔滨 150028)
0 引言
蜗杆传动作为一种常用的传动方式,具有承载性能高、传动平稳、冲击力小等特点,广泛应用于造船、机械等领域。蜗杆传动装置的接触部位具有一定的特殊性,该部位属于复杂曲面,增加了蜗轮蜗杆传动的设计难度。而ANSYS 技术的出现和应用可以很好地解决这一问题。利用ANSYS 技术,可以实现对蜗杆三维模型的构建,并对其传动过程进行有效模拟,为后期开展蜗杆机械优化设计提供重要的依据和参考。结合实际应用,提出一套系统、完善的蜗杆机械优化设计方案。首先,根据有限元分析相关理论知识,从蜗轮蜗杆选择、网格划分、载荷条件3 个方面入手,对蜗轮蜗杆的传动受力进行ANSYS 分析。其次,分别研究蜗杆在不同模数、不同头数、不同压力角下所对应的有限元情况;最后得到蜗杆机械结构优化结果。
1 有限元分析
1.1 产生的背景
对于蜗杆而言,其传动副所对应的接触部分具有一定的特殊性,机械部分整体外观呈现出的曲面比较复杂。在设计蜗杆机械结构时,多个蜗轮蜗杆之间通常含有齿面接触应力、变形、齿根弯曲应力等参数,这些参数的调整和控制均需要采用齿轮计算方法,该计算方法在实际使用中,要对载荷接触线分布情况进行科学假设,并利用赫兹接触理论相关知识,提出相应的推导公式,然后根据空间曲线使用需求,对蜗杆的接触线进行设计,但最终设计效果难以符合实际应用需求,而有限元分析法的出现和应用,可以解决以上问题。有限元分析法采用数学近似法,不仅提高了计算结果的精确度,还能提高蜗杆接触线设计水平,确保所设计的蜗杆接触线符合实际应用需求。
1.2 应用价值
有限元分析软件在具体的运用中,通常会利用数学近似法,以实现对物理系统的真实化、逼真化模拟。在信息技术的不断发展和普及下,通过利用有限元分析方法,可以快速、精确地计算结构工程强度,为后期开展结构工程实施工作提供重要的依据和参考。为了实现对蜗杆机械结构的规范化、标准化设计,保证蜗杆优化效果,设计时要重视对有限元分析方法的运用,并结合ANSYS 技术,完成对蜗杆有限元模型的构建,以达到提高蜗杆机械结构优化设计水平的目的。由此可见,有限元分析方法具有较高的应用价值和应用前景,可以在科学地分析和计算蜗杆传动接触应力方面发挥重要作用。因此,重视对该分析方法的应用是解决蜗杆机械结构优化设计的关键。
2 蜗轮蜗杆传动受力的ANSYS 分析
2.1 蜗杆的选择
工程应用的蜗杆类型较多,但常用的主要以圆柱蜗杆为主,蜗轮与蜗杆作为空间交错传动形式,其空间角为90°(图1)。蜗杆制作所用的材料也具有一定的多样性,为了简化研究过程变,选用传动速度较低的合金钢(40Cr)蜗杆[1]。蜗杆结构如图2 所示,该蜗杆的弹性模量、泊松比和抗剪模量分别为209 GPa、0.29、80 GPa。蜗轮蜗杆传动设计参数见表1。
表1 蜗轮蜗杆传动设计参数
图1 蜗轮蜗杆传动示意
图2 蜗杆结构
2.2 网格划分
对蜗杆选择四面体结构的单元类型进行网格划分,选择的网格尺寸为1 mm(图3)。
图3 蜗杆网格划分
2.3 载荷条件的施加
对该蜗杆进行受力分析,在施加载荷前,选择蜗杆的两个端面进行一定约束[2],然后再对其施加载荷。在进行静应力分析的过程中,施加的载荷为3 500 N(图4)。
图4 蜗杆施加载荷
3 蜗轮蜗杆传动受力的有
限元分析
3.1 不同模数蜗杆的有限元分析
将蜗杆的头数、压力角分别设置为2、20°,取不同模数时对蜗杆进行有限元分析。当模数设置为2 时,蜗杆所承受的最大应力和最大应变分别为118.62 MPa、0.000 568 97;当模数设置为2.5 时,蜗杆所承受的最大应力和最大应变分别为73.152 MPa、0.000 350 63[3];当模数设置为4 时,蜗杆所承受的最大应力和最大应变分别为735.413 MPa、0.000 171 04。由此得出,当模数设置为2 时,蜗杆所承受的静应力和应变达到最大值。
3.2 不同头数蜗杆的有限元分析
将蜗杆的模数、压力角分别设置为2、20°,取不同头数时对蜗杆进行有限元分析。当头数设置为1 时,蜗杆所承受的最大应力和最大应变分别为75.597 MPa、0.000 373 83;当头数设置为2 时,蜗杆所承受的最大应力和最大应变分别为7181.62 MPa、0.000 568 97;当头数设置为4 时,蜗杆所承受的最大应力和最大应变分别为149.29 MPa、0.000 718 90。由此得出,当头数设置为4 时,蜗杆所承受的的静应力和应变达到最大值[4]。
3.3 不同压力角蜗杆的有限元分析
将蜗杆的模数、头数分别设置为2、2,在不同压力角下进行有限元分析。当压力角设置为15°时,蜗杆所承受的最大应力和最大应变分别为114.05 MPa、0.000 553 33;当压力角设置为20°时,蜗杆所承受的的静应力和应变达到最大值[5]。
4 优化结果与分析
通过利用ANSYS 软件,全面分析蜗杆在不同模数、头数、压力角下所对应的有限元情况,得出以下优化结果:当模数为2时,蜗杆所对应的静应力达到114.05 MPa;当头数达到4 时,蜗杆对应的静应力达到149.29 MPa;当压力角达到20°的标准角时,蜗杆对应的静应力达到118.62 MPa。由此得出,当蜗杆模数足够小、头数足够大、压力角达到20°时,蜗杆所受到的静应力最小[6-8]。因此,设计时要在综合考虑ANSYS 最终优化结果以及相关传动参数设置的基础上,将蜗杆的模数、头数和压力角分别设置为2、4、20°,仿真结果如图5 所示,可以看出,蜗杆所承受的最大应力和最大应变分别为149.57 MPa、0.000 729。
图5 优化后蜗杆应力、应变云图
5 结语
为全面了解和把握蜗杆应力应变情况,基于ANSYS 技术,提出一套行之有效的蜗杆机械结构优化设计的方案。利用该方案得到以下结论:①模数与蜗杆接触应力之间存在正相关关系,后者会随着前者的增加呈现出不断增加的趋势,为了降低蜗杆的接触应力,应尽可能降低模数;②头数与蜗杆接触应力之间存在反相关关系,后者会随着前者的增加呈现出不断下降的趋势,为了降低蜗杆接触应力,应优先选用较大的头数;③当压力角设置为20°这一标准度时,蜗杆所对应的接触应力达到最小值,因此应优先选用标准压力角。