小模數(shù)齒輪減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計仿真分析

任宏喜 馮雪 陳永紅

【摘? 要】針對小模數(shù)三級齒輪減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先利用UG建立減速器三維的實體單元模型，然后利用ANSYS Workbench軟件對該減速器結(jié)構(gòu)進行靜力分析，并依據(jù)仿真結(jié)果進行方案優(yōu)化。從而在滿足設(shè)計指標的前提下，提高工作效率并延長減速器使用壽命。

【關(guān)鍵詞】小模數(shù);減速器;仿真分析;設(shè)計優(yōu)化

引言

舵機系統(tǒng)屬于典型的伺服控制系統(tǒng)，應(yīng)用于飛行器制導控制系統(tǒng)，通過電機的動力輸入，經(jīng)過減速增力機構(gòu)，控制舵面的轉(zhuǎn)角，從而控制整個武器系統(tǒng)的飛行姿態(tài)，最終達到精確制導的目的[1]。隨著新一輪技術(shù)的革新，減速器向著高精度、高速度、小型化方向發(fā)展，所以執(zhí)行機構(gòu)可占據(jù)的空間越來越小，其中，驅(qū)動力矩與舵機在飛行過程中產(chǎn)生的阻力力矩是設(shè)計過程中需要特別考慮的因素。這就給傳動機構(gòu)的傳動精度、行程、質(zhì)量以及體積等重要指標提出更高的要求。

減速器作為舵機系統(tǒng)重要的組成部件之一，本課題在進行減速器設(shè)計時，減速器設(shè)計為三級減速，電機與減速箱之間的安裝方式為螺釘固定式結(jié)構(gòu)，減速器外形結(jié)構(gòu)尺寸長為56mm，寬30mm，高24mm;通過設(shè)置一對錐齒輪傳動，實現(xiàn)了動力方向的轉(zhuǎn)變;減速比為54，整個結(jié)構(gòu)較為緊湊，傳動較為平穩(wěn);減速器能夠合理利用空間，外形結(jié)構(gòu)尺寸較小。齒輪減速器的設(shè)計可以通過有限元仿真分析[2]進行設(shè)計優(yōu)化。

1.減速器結(jié)構(gòu)仿真分析

齒輪初始設(shè)計從電機的輸入端，依次命名為齒輪軸1、2、3，齒輪軸2為中間傳遞齒輪，大齒輪為動力輸出端，所有齒輪模數(shù)為0.2，減速比分別為3、4、4.5。

針對減速器初始設(shè)計方案進行仿真分析，輸出端最大力矩1.5N·m，對齒輪軸3施加1.5N·m的力矩，經(jīng)過仿真計算，最大應(yīng)力為979.61MPa。從仿真結(jié)果分析，齒輪長時間工作狀態(tài)下不能夠承受1.5N·m的扭矩，結(jié)構(gòu)應(yīng)力會大于600MPa。齒輪處于超載工作狀態(tài)使用，產(chǎn)品短時間工作無明顯影響，但是經(jīng)過長時間的應(yīng)用，齒輪極度磨損，齒輪的可靠性會大大降低，因此要在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對齒輪進行結(jié)構(gòu)強度優(yōu)化。

基于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的限制，在空間允許的范圍內(nèi)，選擇增加齒（寬）的齒輪，提高結(jié)構(gòu)的強度。由最初的1.5mm增加到3mm，如圖1所示，再次進行仿真分析。

通過有限元仿真分析結(jié)果，如圖2所示，在輸出端施加1.5N·m的扭矩時，得到齒輪軸2、3接觸之間的最大應(yīng)力為596.9MPa，小于600MPa。與未增加齒厚時相比較，在施加1.5N·m時，最大應(yīng)力集中點達到979.61MPa，大于600MPa，通過設(shè)計方案前后對比，減速器齒輪結(jié)構(gòu)性能得到較大提升。

2.總結(jié)

本文通過小模數(shù)齒輪進行有限元分析，并針對仿真結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化，通過齒寬增加，提高了齒輪的耐磨強度，滿足長時間內(nèi)1.5N·m的使用要求，齒面接觸應(yīng)力小于600MPa，可以在短時間內(nèi)達到2.0N·m的力矩指標。齒輪長時間超載使用，會嚴重影響壽命，設(shè)計過程中，可以通過仿真方法進行優(yōu)化。小模數(shù)齒輪在精密產(chǎn)品工程設(shè)計中經(jīng)常會用到，但是有限元仿真分析并不能代表結(jié)構(gòu)的真實變形和位移，只能幫助了解結(jié)構(gòu)的變化趨勢，從而避免工程中的結(jié)構(gòu)問題。

參考文獻

[1] 張遠平，王生.飛艇電動舵機的研究與仿真分析[J].計算機仿真，2011（04）.

[2] 楊金堂，張珂，全芳成，許海.基于ANSYS的減速機齒輪有限元分析[J].武漢科技大學學報，2014（04）.