基于ANSYS的蜗能蜗杆及其箱体的有限元分析

基于ANSYS的蜗能蜗杆及其箱体的有限元分析

1.引言

蜗杆斜齿轮传动是在传统的蜗能蜗杆传动中用斜齿轮取代涡轮形成的传动副，由于涡轮廓形状复杂，齿面无法磨削，因此加工精度较低，本文主要采用ANSYS Workbench软件对蜗能蜗杆传动系统进行了强度分析，其中分析分析了传动系统，即蜗能蜗杆的接触应力，同时还分析了蜗能蜗杆箱体结构的强度和刚度问题，为设计提供了一定的指导意义。

2.蜗能蜗杆啮合有限元分析

首先通过三维软件建立蜗能蜗杆的三维几何模型，然后通过ansys软件的几何接口将几何模型导入至ansys软件中。在几何模型建立时候，需要注意蜗能蜗杆的装配关系，需要提前调整好啮合位置，导入几何如下图所示。

图1 几何模型

在Workbench中通过engineering data菜单中进行材料定义，设计中蜗杆材料为

20Cr，其中弹性模量为206GPa，泊松比为0.3。齿轮材料为40Cr，其中弹性模量为

206GPa，泊松比为0.28。

图2 蜗杆材料属性

图3 齿轮材料属性

单元类型选用solid185。solid185单元用于构造三维固体结构.单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度.单元具有超弹性,应力钢化，蠕变,，大变形和大应变能力.还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料。

图4 solid185单元类型

网格采用四面体网格划分，因为结构的倒角形状比较复杂，四面体可以适应任何形状的几何结构，通过局部加密的方法可以实现应力梯度的细化，非常适合用于齿轮方面的接触分析。如图5所示为啮合部分的有限元模型。

图5 蜗能蜗杆有限元模型

整体的网格尺寸设置为5mm，接触分析的主要关心区域则为结构的啮合区域，所以对啮合区域进行了局部加密，加密尺寸为1.5mm。如图6所示，在啮合区域设置影响球，通过控制球直径的大小来调整加密的区域大小，最终要保证球的区域覆盖住结构的啮合区域，然后进行加密划分。

整体网格数量为175627，节点总数为34582。

图6 影响球局部网格加密

蜗能蜗杆啮合的接触传动分析是一种静态分析，通过对齿轮施加扭矩，分析结构在啮合状态下的接触应力，分析过程中需要固定蜗杆的所有自由度，约束齿轮的轴向和经向自由度，放开转动自由度，用于扭矩的施加。齿轮和蜗杆的接触设置为摩擦接触，实际情况下载传动过程中会有润滑的存在，所以本文在分析的时候采用无摩擦接触设置，即认为不考虑摩擦力。

如图7所示，在蜗杆与轴承配合面上施加固定约束，在齿轮内孔设置圆柱约束，约束径向和轴向自由度，放开转动，同时在内孔施加扭矩，扭矩大小为300N*m。接触设置如图8所示。

图7 结构载荷约束

图8 接触位置

通过ansys分析，可得出蜗能蜗杆在上述工况下的应力和变形情况。图9为结构的应力云图，蜗能蜗杆啮合作用下最大等效应力为316.15MPa，最大应力位置为蜗杆与齿轮的接触处，发生在齿轮上。

齿轮材料为40Cr，40Cr是一种最常用的合金调质钢。用于较重要的调质零件，如在交变载荷下工作的零件，中等转速和中等截面的零件；经调质并高频表面淬火后可用于耐磨性和载荷包较高而无很大冲击的零件，如齿轮、轴、主轴、曲轴、心轴、连杆螺钉等。

40Cr材料的屈服极限为785MPa，同时蜗杆材料为20Cr，其屈服极限为540MPa，结构的最大等效应力远小于屈服极限，其中齿轮上最大等效应力为316.15MPa，则安全系数为785/316.15=2.48，蜗杆上的最大等效应力为198.42MPa，安全系数为540/198.42=2.72。均满足强度要求。

蜗能蜗杆的最大变形为0.04116mm，发生在齿轮的边缘位置，在扭矩作用下，齿轮产生离心力，所以在齿轮的边缘位移最大，和实际情况问题，最大位移较小，所以结构也满足刚

度要求。

图9 应力云图

图10 蜗杆应力云图

图11 结构位移云图

3.蜗能蜗杆箱体有限元分析

对于蜗能蜗杆系统而言，蜗能蜗杆的拟合传动是整个系统重点，此外箱体也是重要结构之一，在工作过程中，箱体也承受较大载荷，容易产生较大应力和应变，所以对箱体结构的有限元分析也由为重要，如果箱体结构发生较大变形和破坏都会影响到整体传动系统的工作状态，同上述方法，在三维模型中建立箱体结构，然后通过ansys的几何接口将箱体模型导入至ansys软件中用于有限元分析。

在有限元分析前对箱体结构进行了简单的几何处理，去除了部分小的螺栓孔，整体的几何清理不影响结构的有限元分析，最终几何模型如图12所示。

图12 箱体几何模型

箱体材料为HT250，可用于要求高强度和一定耐蚀能力的泵壳、容器、塔器、法兰、填料箱本体及压盖、碳化塔、硝化塔等；还可制作机床床身、立柱、气缸、齿轮以及需经表面淬火的零件。其中材料的弹性模量为1.1e11Pa，泊松比为0.28，密度为7200kg/m^3，屈服极限为250MPa。

对箱体结构进行网格划分，单元类型同样采用solid185，有限元网格模型如下图所示。其中网格尺寸设置为5mm，最终网格总数为111197，节点总数为25200。

图13 箱体有限元模型

箱体通过底部的四个螺栓孔进行安装，在工作过程中，箱体主要承受纵向载荷，螺栓孔所在的四个法兰面做固定约束，模拟箱体的固定安装。箱体的四个轴承孔所在的配合面施加对应的轴承载荷，轴承载荷采用ansys中bearing Load进行加载。Bearing Load是专门用于轴承载荷施加的，可以考虑到轴承半圈受载，另半圈不受载的非线性状态，同时在受载的半圈截面上，轴承载荷是根据截面在水平面上的投影面积来分配整体载荷的，和实际情况相对吻合，加载情况如下所示。

同时考虑箱体结构的重力作用，施加重力加速度，如图14所示。蜗杆轴承配合面分别施加20000N轴承载荷，齿轮轴承配合面分别施加40000N轴承载荷。

图14 箱体结构的加载示意图