基于ANSYS的蝸能蝸桿及其箱體的有限元分析

基于ANSYS的蝸能蝸桿及其箱體的有限元分析引言蝸桿斜齒輪傳動是在傳統(tǒng)的蝸能蝸桿傳動中用斜齒輪取代渦輪形成的傳動副，由于渦輪廓形狀復(fù)雜，齒面無法磨削，因此加工精度較低，本文主要采用ANSYSWorkbench軟件對蝸能蝸桿傳動系統(tǒng)進行了強度分析，其中分析分析了傳動系統(tǒng)，即蝸能蝸桿的接觸應(yīng)力，同時還分析了蝸能蝸桿箱體結(jié)構(gòu)的強度和剛度問題，為設(shè)計提供了一定的指導(dǎo)意義。蝸能蝸桿嚙合有限元分析首先通過三維軟件建立蝸能蝸桿的三維幾何模型，然后通過ansys軟件的幾何接口將幾何模型導(dǎo)入至ansys軟件中。在幾何模型建立時候，需要注意蝸能蝸桿的裝配關(guān)系，需要提前調(diào)整好嚙合位置，導(dǎo)入幾何如下圖所示。圖1幾何模型在Workbench中通過engineeringdata菜單中進行材料定義，設(shè)計中蝸桿材料為20Cr，其中彈性模量為206GPa，泊松比為0.3。齒輪材料為40Cr，其中彈性模量為206GPa，泊松比為0.28。圖2蝸桿材料屬性圖3齒輪材料屬性單元類型選用solid185。solid185單元用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu).單元通過8個節(jié)點來定義,每個節(jié)點有3個沿著xyz方向平移的自由度.單元具有超彈性,應(yīng)力鋼化，蠕變,，大變形和大應(yīng)變能力.還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑材料和完全不可壓縮超彈性材料。圖4solid185單元類型網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格劃分，因為結(jié)構(gòu)的倒角形狀比較復(fù)雜，四面體可以適應(yīng)任何形狀的幾何結(jié)構(gòu)，通過局部加密的方法可以實現(xiàn)應(yīng)力梯度的細化，非常適合用于齒輪方面的接觸分析。如圖5所示為嚙合部分的有限元模型。圖5蝸能蝸桿有限元模型整體的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5mm，接觸分析的主要關(guān)心區(qū)域則為結(jié)構(gòu)的嚙合區(qū)域，所以對嚙合區(qū)域進行了局部加密，加密尺寸為1.5mm。如圖6所示，在嚙合區(qū)域設(shè)置影響球，通過控制球直徑的大小來調(diào)整加密的區(qū)域大小，最終要保證球的區(qū)域覆蓋住結(jié)構(gòu)的嚙合區(qū)域，然后進行加密劃分。整體網(wǎng)格數(shù)量為175627，節(jié)點總數(shù)為34582。圖6影響球局部網(wǎng)格加密蝸能蝸桿嚙合的接觸傳動分析是一種靜態(tài)分析，通過對齒輪施加扭矩，分析結(jié)構(gòu)在嚙合狀態(tài)下的接觸應(yīng)力，分析過程中需要固定蝸桿的所有自由度，約束齒輪的軸向和經(jīng)向自由度，放開轉(zhuǎn)動自由度，用于扭矩的施加。齒輪和蝸桿的接觸設(shè)置為摩擦接觸，實際情況下載傳動過程中會有潤滑的存在，所以本文在分析的時候采用無摩擦接觸設(shè)置，即認為不考慮摩擦力。如圖7所示，在蝸桿與軸承配合面上施加固定約束，在齒輪內(nèi)孔設(shè)置圓柱約束，約束徑向和軸向自由度，放開轉(zhuǎn)動，同時在內(nèi)孔施加扭矩，扭矩大小為300N*m。接觸設(shè)置如圖8所示。圖7結(jié)構(gòu)載荷約束圖8接觸位置通過ansys分析，可得出蝸能蝸桿在上述工況下的應(yīng)力和變形情況。圖9為結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，蝸能蝸桿嚙合作用下最大等效應(yīng)力為316.15MPa，最大應(yīng)力位置為蝸桿與齒輪的接觸處，發(fā)生在齒輪上。齒輪材料為40Cr，40Cr是一種最常用的合金調(diào)質(zhì)鋼。用于較重要的調(diào)質(zhì)零件，如在交變載荷下工作的零件，中等轉(zhuǎn)速和中等截面的零件；經(jīng)調(diào)質(zhì)并高頻表面淬火后可用于耐磨性和載荷包較高而無很大沖擊的零件，如齒輪、軸、主軸、曲軸、心軸、連桿螺釘?shù)取?0Cr材料的屈服極限為785MPa，同時蝸桿材料為20Cr，其屈服極限為540MPa，結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力遠小于屈服極限，其中齒輪上最大等效應(yīng)力為316.15MPa，則安全系數(shù)為785/316.15=2.48，蝸桿上的最大等效應(yīng)力為198.42MPa，安全系數(shù)為540/198.42=2.72。均滿足強度要求。蝸能蝸桿的最大變形為0.04116mm，發(fā)生在齒輪的邊緣位置，在扭矩作用下，齒輪產(chǎn)生離心力，所以在齒輪的邊緣位移最大，和實際情況問題，最大位移較小，所以結(jié)構(gòu)也滿足剛度要求。圖9應(yīng)力云圖圖10蝸桿應(yīng)力云圖圖11結(jié)構(gòu)位移云圖蝸能蝸桿箱體有限元分析對于蝸能蝸桿系統(tǒng)而言，蝸能蝸桿的擬合傳動是整個系統(tǒng)重點，此外箱體也是重要結(jié)構(gòu)之一，在工作過程中，箱體也承受較大載荷，容易產(chǎn)生較大應(yīng)力和應(yīng)變，所以對箱體結(jié)構(gòu)的有限元分析也由為重要，如果箱體結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形和破壞都會影響到整體傳動系統(tǒng)的工作狀態(tài)，同上述方法，在三維模型中建立箱體結(jié)構(gòu)，然后通過ansys的幾何接口將箱體模型導(dǎo)入至ansys軟件中用于有限元分析。在有限元分析前對箱體結(jié)構(gòu)進行了簡單的幾何處理，去除了部分小的螺栓孔，整體的幾何清理不影響結(jié)構(gòu)的有限元分析，最終幾何模型如圖12所示。圖12箱體幾何模型箱體材料為HT250，可用于要求高強度和一定耐蝕能力的泵殼、容器、塔器、法蘭、填料箱本體及壓蓋、碳化塔、硝化塔等；還可制作機床床身、立柱、氣缸、齒輪以及需經(jīng)表面淬火的零件。其中材料的彈性模量為1.1e11Pa，泊松比為0.28，密度為7200kg/m^3，屈服極限為250MPa。對箱體結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，單元類型同樣采用solid185，有限元網(wǎng)格模型如下圖所示。其中網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5mm，最終網(wǎng)格總數(shù)為111197，節(jié)點總數(shù)為25200。圖13箱體有限元模型箱體通過底部的四個螺栓孔進行安裝，在工作過程中，箱體主要承受縱向載荷，螺栓孔所在的四個法蘭面做固定約束，模擬箱體的固定安裝。箱體的四個軸承孔所在的配合面施加對應(yīng)的軸承載荷，軸承載荷采用ansys中bearingLoad進行加載。BearingLoad是專門用于軸承載荷施加的，可以考慮到軸承半圈受載，另半圈不受載的非線性狀態(tài)，同時在受載的半圈截面上，軸承載荷是根據(jù)截面在水平面上的投影面積來分配整體載荷的，和實際情況相對吻合，加載情況如下所示。同時考慮箱體結(jié)構(gòu)的重力作用，施加重力加速度，如圖14所示。蝸桿軸承配合面分別施加20000N軸承載荷，齒輪軸承配合面分別施加40000N軸承載荷。圖14箱體結(jié)構(gòu)的加載示意圖在上述載荷作用下箱體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如下所示。箱體結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為122.54MPa，箱體結(jié)構(gòu)的屈服極限為250MPa，則安全系數(shù)為2.04，所以認為箱體結(jié)構(gòu)滿足強度要求。最大應(yīng)力發(fā)生在安裝的法蘭面邊緣，同時軸承配合孔面的應(yīng)力也相對較大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候需要重點關(guān)注這兩個位置的應(yīng)力情況。箱體結(jié)構(gòu)的最大變形為0.028mm，最大位置發(fā)生在軸承配合孔面上，最大位置數(shù)值較小，所以箱體也滿足剛度要求。圖