基于ANSYS分析的减速器输出轴设计*

雒晓兵，许可芳，王均刚

(1.兰州交通大学 博文学院，甘肃 兰州 730101;2.山东大学 机械工程学院，山东 济南 250061)

1 引言

轴是组成机械的重要零件之一，一切作回转运动的零件，都必须安装在轴上才能进行运动和动力的传递，并通过轴承与机架或机座相联结。轴在工作过程中，易发生断裂、塑性变形和振动等失效。轴的设计通常是在完成轴结构设计后进行强度、刚度和振动稳定性的计算。在传统轴的设计过程中，需耗费大量时间进行轴的强度精确校核计算、轴的刚度和临界转速的校核，还需通过校核结果来校正设计。如果有丰富的经验，这些重复工作进行一次就可得到最终结果，否则需要设计人员多次计算。因此，计算机辅助分析可使这些传统计算分析过程简化，并得到合理的结果。ANSYS软件作为一种大型通用的软件，已成为CAE仿真分析的主流软件，能对结构进行静力学、动力学、热力学等多种分析。通过ANSYS软件的应用，可大大缩短轴类零件的设计周期，从而减少设计成本。

2 模型的创建

已知电动机的相关参数:功率P=10 kW，转速n1=1 450 r/min，齿轮机构的参数如表1所示。若取每级齿轮和轴承的效率为0.97，计算得到输出轴的功率、转速和转矩如表2所示，初步完成轴的结构设计［1］。

表1 齿轮机构的参数

表2 输出轴系的参数

在对减速器输出轴进行有限元分析时，首先要建立准确的实体模型。用SolidWoks软件进行三维实体建模，减速器输出轴的三维实体模型，如图1所示［2］。将已建立的输出轴模型另存为.X_T类型的文件，然后将建立好的模型导入ANSYS中。根据表2所示的材料参数选用单元类型为四面体8节点的Solid45单元，进行有限元网格划分，单元总数128538，节点总数23 707，如图2所示［3］。

图1 减速器输出轴三维实体模型

图2 输出轴有限元模型

因为Solid45单元只有X、Y、Z三个方向自由度，又需在轴头处加一转矩，故在轴头端面建立一个节点，定义为mass21单元，然后跟其他受力节点耦合，形成刚性区域，这样可以直接加转矩到主节点，如图3所示［4］。约束的施加，既要保证消除结构的刚体位移，又不影响输出轴的自由变形，按此原则在轴承处施加适当的约束。在对输出轴进行边界条件约束时.根据轴承座的实际工作情况和固定方式，对输出轴右端轴承处的X、Y、Z轴方向的位移以及绕Y、Z轴的转动固定。另外，因为该输出轴的转速低，在左端的轴承处添加全部约束，把作用在输出轴上的力除以面积，得到压强，用平面载荷加载，输出轴的约束和加载如图4所示。

图3 转矩的加载

图4 减速器输出轴约束与加载

3 轴的强度和刚度分析

根据强度理论，当应力值达到材料的强度极限(或屈服极限)时，材料会发生断裂破坏或塑性变形。输出轴作为轴类零件，首先应保证其结构强度，即在各种工况下，输出轴各部分的应力值不应超过材料许用应力极限。因此，有必要对输出轴进行应力分析［5-6］。

输出轴的Von Mises Stress应力云图如图5所示。由图可得输出轴的最大应力为40.5 MPa，在轴的轴头以及伸出端轴身与轴头的连接处应力较大，其它部分所受的应力较小。由图6可得，减速箱输出轴承受载荷时，总体变形最大位移为0.0396 mm，位置在输出轴的轴头和工作机轴相联接的地方，可以选择挠性联轴器联接两轴。

图5 输出轴的Von Mises Stress应力云图

图6 输出轴的整体位移

在静载荷作用下，从强度方面考虑，输出轴在各种工作情况下的最大应力值为40.5 MPa，而45调质钢的许用应力为60 MPa，所以输出轴的强度都能满足使用要求;从刚度方面考虑，输出轴在受到载荷作用下整体变形很小，可以忽略不计，所以整体来说轴的刚度满足使用要求。由此说明，齿轮减速箱输出轴的强度和刚度满足要求。

4 模态分析

同样，在ANSYS中建立有限元模型进行模态分析，采用Lanczos法求解［7-8］。在后处理中获取输出轴的前6阶固有频率和振型，并计算得到输出轴的前6阶临界转速，如表3、图7所示。由此可知，输出轴的一、二阶振型分别在X、Y方向，而输出轴实际转速为93.61 r/min，也远远低于临界转速，所以输出轴不会发生共振而破坏。

图7 结构振型图

表3 有限元模型的固有频率及临界转速和振型特点

5 结论

利用ANSYS有限元分析法完成了减速器输出轴的设计，可以得出如下结论。

(1)通过静力分析可知应力在许用的范围内，最大应力出现在轴肩处，轴的整体变形比较小，轴的强度和刚度满足要求。

(2)通过模态分析得到输出轴的前6阶固有频率和振型，从振型的动画可以直观地分析轴的模态振型。

(3)输出轴的实际转速为93.61 r/min，远远低于临界转速，所以减速器的输出轴的转速远远避开了临界转速，不至于因共振而破坏。

通过对减速器输出轴的有限元分析，我们可以快速、精确地完成设计任务，为轴的结构优化和设计的合理性提供了理论依据，同时也为轴系零部件的动态响应计算和分析奠定了基础。

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