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1、·42·重型机械2001No12中心传动齿轮箱体有限元分析及结构优化设计重庆大学机械传动杨成云林腾蛟国家重点实验室李润方杭华江摘要齿轮箱的静动态特性直接影响其结构强度及传动性能。采用有限元法建立了中心传动齿轮箱有限元静动力学模型,用I2DEAS软件对箱体结构进行分析,对箱体壁厚进行优化设计,使齿轮箱的结构更为合理。叙词齿轮箱有限元法模态分析优化设计AbstractThestaticanddynamiccharacteristicofgearboxinfluencesthestructurestrengthandthetransmissionperformancedirectly.Thestat
2、icanddynamicmodelofcenterdrivegearboxisestablishedbyfiniteelementmethod.ThestructureisanalysedbyI2DEASsoftwareandthewallthicknessofgearboxisoptimized,makingthestructureofgearboxmoreappropriate.Descriptorsgearbox,finiteelementmethod,modalanalysis,optimizationofdesign及箱体固有频率和振型,并对原有箱体进行了结1引言构优化,使齿轮箱体的
3、重量有较大减轻,箱体结齿轮箱体是齿轮系统的主要组成部分,在齿构更为合理。轮传动过程中,箱体承受较大的载荷并产生较大2箱体有限元模型的建立的变形和应力。箱体在齿轮系统内部和外部激励下将产生振动,引起较大的噪声。振动系统的固齿轮箱箱体采用焊接式箱体结构。为增加强有特性对系统的动态响应、动载荷的产生与传递度和刚度,箱体前后壁采用双层壁结构形式;在以及系统振动的形式有重要影响。箱体有最大压力和变形的轴承座下部,采用箱形[1]关于齿轮箱体固有特性的研究,李连进等加强筋以增加箱体刚性;为减少箱体扭曲变形,在用NASTRAN软件计算了二级圆柱齿轮减速器箱体内部及底板上增设加强筋。箱体的实体模型[2]的固有频
4、率,NobuoTakatsu等通过了结构综如图1所示。合法,研究了单级齿轮箱的传递函数,得到了齿轮箱体的动态特性,但研究对象是一个简化了的[3]齿轮箱。陶泽光等针对单级齿轮箱,用有限元法进行了齿轮系统的模态分析,得出了整个齿轮箱的各阶振型。本文针对中心传动减速器齿轮箱体,建立了有限元静动力学计算模型。在工作站上用I2TMDEASMasterSeries610集成化软件进行求解,得到了齿轮箱在正转工况下的应力、变形情况以第一作者:杨成云,男,26岁,助教,重庆大学机械传动国家重图1齿轮箱体的实体模型点实验室(400044)©1994-2008ChinaAcademicJournalElectro
5、nicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net2001No12重型机械·43·由于齿轮箱第一、二级传动采用斜齿轮传动,其左右侧齿轮的齿面径向力和切向力的合力方向不同,故齿轮箱箱体虽然结构对称,但载荷不对称,因此取整个箱体进行有限元分析。为了便于建立有限元模型,本文对齿轮箱受载较小的区域作了一定简化。(1)假设齿轮箱下箱体和上轴承座刚性连接,不考虑分合面及连接螺栓接触面的相对变形。即整个箱体作为一个整体进行分析。同时,上箱盖由于壁厚较小,仅起防尘作用,分析时不予考虑。(2)忽略箱体受载较小或影响甚微的局部区域,如吊钩,窥油孔,螺栓
6、孔,油槽和某些凸台。本文采用四面体实体单元对齿轮箱箱体进行图2箱体的计算模型有限元网络自动划分,共计54172个节点,186716箱体有限元计算结果给出齿轮箱变形最大区个单元,162516个节点自由度。齿轮箱箱体卧放域集中在二级小齿轮轴以及输出轴的上轴承座部在地面上,下箱体的底座仅纵向施加约束,螺栓位。孔按固定约束处理,箱体的轴承孔所在受载面按齿轮箱前10阶固有频率和振型情况见表3。分布载荷方式施加。齿轮箱体有限元计算模型如前4阶模型如图3所示。图2所示。3箱体有限元计算结果4箱体结构优化及有限元重分析由原有结构有限元分析结果可知,齿轮箱底齿轮箱箱体的综合位移及其各向位移分量如座结构和强度较好
7、,而变形较大的区域集中在上表1所示。齿轮箱的应力最大值如表2所示。表1齿轮箱正转情况下箱体的最大位移mm轴承座部位,但总体变形和应力较小,因此,适当地减小底板厚度和箱壁厚度是可能的。在此考位移名称综合位移轴向位移水平位移垂直位移虑两种方案:第一种方案箱壁减少5mm,底板减位移值011290111301090701109少10mm;第二种将箱壁减少5mm,底板减少20mm。对修改后的齿轮箱进行有限元
