扭矩自检型行星减速器内齿圈和箱体有限元分析

第16期
2019年8月
No.16
August，2019
为了保证减速器中的各个零部件在工作时能够安全运
转，减少故障，在做各零部件结构设计的时候，必须对关键
的零部件进行有限元静力学分析，可以得到个零部件在各工
况下的位移、应力、应变情况，验证其工作应力是否超过了
许用应力，发现不合理时可以及时地修改，使零件达到使用
的要求[1-2]。

行星齿轮机构在机械传动系统中主要承担减速
和传递转矩的作用，为了使行星减速器结构更合理、性能更
优越，必须对其关键零件进行有限元分析，本文主要对内齿
圈和箱体进行静力学分析。

1 扭矩自检型行星减速器的结构特点
本文的扭矩自检型行星齿轮减速器是在NGW型行星齿
轮减速器的基础上改进的，该行星齿轮如图1所示，主要由中
心轮、机壳、内齿圈、行星轮、行星架、压电陶瓷传感器、电
荷放大器、信号处理器等部分组成。

该结构利用了齿式浮动
的机构，太阳轮、行星架两者同时浮动。

1.中心轮；
2.机壳；
3.内齿圈；
4.挡板；
5.行星轮；
6.行星架；
7.弹簧；
8.挡块；
9.压电陶瓷传感器；
10.电荷放大器；11.信号处理器。

图1 扭矩自检型行星齿轮减速器
2 内齿圈的有限元分析
2.1 内齿圈的模型导入
本文应用ANSYS进行有限元分析，应用SoliWorks软件
设计创建内齿圈模型，导出X_T格式文件，再将X_T格式文
件导入ANSYS中。

2.2 定义内齿圈的材料属性
内齿圈的材料属性如表1所示。

表1 内齿圈材料属性
材料名称杨氏模量/GPa材料密度/kg·m﹣3泊松比
40Cr2117 8700.277
2.3 对内齿圈进行网格划分
对内齿圈进行网格划分时，考虑到计算机的运算速度和
内齿圈的结构特点，设置网格大小为2 mm，采用自由划分方
式，内齿圈的网格划分如图2所示。

图2 内齿圈网格划分
2.4 对内齿圈施加约束和载荷
由于内齿圈的结构特点，约束应施加在键槽和内齿圈的
一端面，内齿圈与行星轮啮合时，啮合力F过啮合线垂直于齿
面。

为了加载方便，选择将啮合力F加载在分度圆上，并将啮
合力F分解成两个互相垂直的分力，即切向力F t和径向力F r。

载荷大小可以根据设计承载的扭矩按如下公式求取：
作者简介：孟祥照（1996—），男，安徽阜阳人，硕士研究生；研究方向：机械工程。

摘 要：文章利用Solidworks软件，建立扭矩自检型行星齿轮减速器内齿圈和箱体简化模型。

把内齿圈和箱体导入到ANSYS有限元分析软件，通过施加约束和载荷得出结果，判断此设计是否满足在正常工作情况下减速器的要求。

关键词：扭矩自检型减速器；内齿圈；箱体；结构静力学分析
扭矩自检型行星减速器内齿圈和箱体有限元分析
孟祥照，栾振辉
（安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001）
无线互联科技
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第16期2019年8月
No.16 August，2019
2t T
F d
×=tan r
r F F α=×式中：
T 为扭矩，F r 为径向力，F t 为切向力，d 为载荷点处齿轮的直径大小。

本文所述的齿轮设计承载扭矩大
小T =360 Nm ，计算得F t =3 272.73 N ，
F r =1 191.18 N 。

2.5 内齿圈分析结果
从应力云图（见图3）可以看出，轮齿最大应力发生在根部，其值为563.92 MPa 。

根据内齿圈材料芯部调制表面淬火后，屈服强度可达到740 MPa ，可以得出内齿圈轮齿根部疲劳强度的安全系数是比较低的，这也是造成内齿圈失
效的原因。

图3 内齿圈应力云图
3 箱体的静力学结构分析
3.1 箱体简化建模
由于减速器箱体上分布着螺栓连接孔、放油孔、透气孔及一些尺寸不一的倒角、圆角等小结构，增加了箱体的复杂性，因此，对模型作简化处理：（1）在实际情况中，减速箱箱体分成前盖、后盖、机壳3个部分，在装配时用各种螺栓连接孔连接。

在有限元分析中，要忽略各种螺栓连接孔，并将这3个部分看成
一体。

（2）忽略减速箱体上各种尺寸的倒角、圆角、放油孔、透气孔以及地脚螺栓连接孔。

3.2 定义箱体材料属性
应用SoliWorks 创建箱体的简化模型，导出X_T 格式文件，再将X_T 格式文件导入ANSYS 中，此减速器箱体材料为HT200，其材料属性如表2所示。

表2 箱体材料属性材料名称杨氏模量/GPa
材料密度/kg·m ﹣3
泊松比HT200
148
7 200
0.31
3.3 对箱体网格划分
本文采用的是Workbench 自带的Patch Conforming 法进行网格划分，网格大小为5 mm 。

3.4 对箱体施加约束和载荷
在实际的工作状态中，此减速器通过4个地脚螺栓与地面进行连接，为了尽可能模拟减速器实际工况，对减速器4个螺栓孔作完全约束处理。

在行星轮传动中，各基本构件对传动主轴上的轴承所作用的总径向力等于0。

所以本文不考虑轴承箱体的作用力。

本文的内齿圈与壳体脱开，并可以相对于壳体转动，右侧设计一挡块，对内齿圈进行轴向定位。

本文只计算了通过凸台传递给箱体的力，将该力转化成扭矩通过压电陶瓷传感器测量出来，该扭矩的施加位置在内齿圈和壳体的接触面上，然后进行求解。

3.5 箱体求解结果
经过计算，得到箱体受到的最大等效应力为27.365 MPa ，远远小于箱体材料的屈服强度，说明此结构是安全的，且最大等效应力发生在连接壳体和底板的筋板处。

箱体受到扭矩后变形的最大位移为0.068 1 mm ，对箱体结构影响不明显。

最大位移发生在内齿圈和箱体连接的最上方。

4 结语
通过对扭矩自检型行星减速器内齿圈的结构静力学分析可以得出，内齿圈的齿根疲劳强度的安全强度比较低，因此，在制造加工齿轮时要特别注意。

通过对减速器箱体的结构进行静力学分析可知，在设计减速器箱体的时候，要考虑壳体与筋板连接处的强度。

Analysis of finite element inner gear ring and box of torque self-checking reducer
Meng Xiangzhao, Luan Zhenhui
（School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science & Technology, Huainan 232001, China ）
Abstract：
In this paper, a simplified model of inner ring and box of torque self-checking reducer is established by using Solidworks software. The inner gear ring and box are imported into ANSYS finite element analysis software, and the results are obtained by applying constraints and loads to judge whether the design meets the requirements of reducer under normal working conditions.
Key words：
torque self-checking reducer; inner gear ring; box; structural static analysis [参考文献]
[1]张洪才.ANSYS 14.0理论解析与工程应用实例[M].北京：机械工业出版社，2013.[2]蒋春松，孙浩，朱一林.ANSYS 有限元分析与工程应用[M].北京：电子工业出版社，2012.
无线互联科技·设计分析。