李 峰 毛 杰 梁存真

（鄭州大學機械工程學院，河南 鄭州 450001）

車載鉆機ATB260角齒輪傳動箱的輸出軸結構優(yōu)化設計

李 峰 毛 杰 梁存真

（鄭州大學機械工程學院，河南 鄭州 450001）

車載鉆機需要大功率、大轉矩且高轉速的輸出，這就要求齒輪箱能夠滿足這樣的要求，除對齒輪有嚴格的要求之外，還需對軸進行分析，軸的好壞直接關系著齒輪箱傳動質量的好壞，而以往傳統(tǒng)的ATB260車載鉆機角齒輪箱直齒傳動的輸出軸，習慣性地設計成在軸上有一段凹處，這就大大降低了軸的強度以及軸的安全系數(shù)，并且使軸的變形量增加，本文在Solidworks Simulation的環(huán)境下，對輸出軸進行分析，對比傳統(tǒng)設計上的軸和經(jīng)過優(yōu)化之后的軸在應力、合位移及應變上的區(qū)別。

ATB260車載鉆機；齒輪箱；優(yōu)化設計；輸出軸；有限元

ATB260車載鉆機齒輪箱功率大、轉速大、扭矩大、體積較大、質量較重［1］，本文討論改變原有的設計和優(yōu)化過后的設計之間的區(qū)別，因為原齒輪箱的中心距較小，使得錐齒輪和下面的輸出軸干涉，這樣會降低軸的強度。因此，通過擴大兩圓柱齒輪的中心距，使得錐齒輪與下面的輸出軸即不發(fā)生干涉，同時把軸凹處做直。那么把軸放在有限元分析軟件環(huán)境中進行分析，可以對比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化過后軸總變形量和安全系數(shù)的變化［2］。

該軸作為輸出軸，其作用是把輸入扭矩轉為輸出扭矩，將輸入功率通過齒輪的嚙合傳遞出去，這就要求軸有較高的抗彎曲強度和抗拉伸的強度，以及抗剪切應力的強度［3］，尤其是在大功率、大扭矩的齒輪箱傳動中，對軸的強度要求更為明顯。

輸入功率是P=950kW，輸入扭矩T=33 000N·m，輸出端聯(lián)接氣胎聯(lián)軸器，軸中間的孔可以通氣，保證氣胎聯(lián)軸器的正常工作。

以往的傳統(tǒng)設計再校核較復雜［4］，因此我們采用Solidworks Simulation進行優(yōu)化，通過對比同類型材料的不同尺寸對軸的影響，以及相同規(guī)格尺寸的軸使用不同材料時的影響，并分析不同的孔徑對軸的影響。

1 輸出軸結構

1.1 受力分析

軸的受力情況如圖1所示：

圖1 軸的受力分析圖

齒輪上的徑向力、切向力和扭矩如下：

Fr=54 386.357N，F(xiàn)t=149 425.29N，T=33 000N·m輸出阻力矩T=-33 000N·m（負號表示方向與輸入扭矩相反）。

1.2 結構設計

用Solidworks建立輸出軸的三維實體模型，生成兩個軸，一種是傳統(tǒng)設計上的軸，如圖2-3，另一種是優(yōu)化過后的軸，如圖4-5。

圖2 優(yōu)化前軸的外部造型

圖3 優(yōu)化前軸的內部結構

圖4 優(yōu)化后軸的外部造型

圖5 優(yōu)化后軸的內部結構

2 輸出軸有限元分析過程

2.1 定義材料屬性

分別定義輸出軸的材料是45、40Cr及20CrMnTi，材料的力學性能數(shù)據(jù)［5］如表1所示：

表1 材料的力學性能數(shù)據(jù)

2.2 添加約束

在輸出軸的左端支撐外圓柱面施加限制6個自由度的約束，在右端支撐外圓柱面施加限制4個自由度，保留軸向的自由度和切向的自由度，模擬軸的約束情況。

2.3 施加載荷

在齒輪與軸的配合外表面上施加扭矩T和徑向力Fr，以及在氣胎離合器與軸配合外表面上施加阻力矩T，模擬軸的受力情況。

2.4 劃分網(wǎng)格

為提高計算精度，采用二階實體四面體單元［6］對輸送輥實體進行網(wǎng)格劃分，每個四面體單元有4個角點和6個中間節(jié)點，每個節(jié)點有3個自由度。

2.5 運行算例

兩軸以材料為40Cr，內孔為Φ20為例，在相同地輸入扭矩T、徑向力Fr以及相同的約束條件下，在Solidworks Simulation中選擇解算器FFEPlus［7-8］，分別運行以上設置的不同設計方案的靜態(tài)算例，計算完成后得到各算例的應力、位移和應變分析結果及相應的云圖譜。圖6、圖7及圖8分別應力云圖、合位移云圖、應變云圖的對比。

圖6 優(yōu)化前后軸的應力云圖

圖7 優(yōu)化前后軸的合位移URES云圖

圖8 優(yōu)化前后軸的應變ESTRN云圖

3 結果分析

3.1 優(yōu)化前后曲線對比分析

選用扭矩T=29 000～37 000N·m，其他條件不變時對優(yōu)化前后兩軸進行有限元分析，得出結果，匯總數(shù)據(jù)并繪出曲線圖可得圖9、圖10及圖11：

對比優(yōu)化前后兩軸的數(shù)據(jù)可知：

①從圖6中可看出，最大應力出現(xiàn)在右端支承軸與氣胎離合器配合軸段的交接處，對比危險截面應力曲線，所有設計方案下輸出軸的最大應力均遠小于許用值，即滿足強度要求。那么，由圖9可知，未優(yōu)化的軸的應力在各扭矩輸入值不同的情況下都是大于優(yōu)化過的軸的，可知優(yōu)化過的軸會使最大應力值減小。

②從位移云圖7中看出，最大位移出現(xiàn)在軸身的最右端，應力和撓度均與實際情況相吻合，從圖10中可以看出軸結構改變對合位移的作用較小，未優(yōu)化的軸的合位移比優(yōu)化過的合位移略大。

圖9 優(yōu)化前后兩軸的扭矩-應力變化曲線

圖10 優(yōu)化前后兩軸的扭矩-合位移變化曲線

圖11 優(yōu)化前后兩軸的扭矩-應變變化曲線

③從應變云圖8可以看出，最大應變也發(fā)生在右端支承軸與氣胎離合器配合軸的交接處。而從圖11可以看出軸結構的改變對應變的影響也是很小的，優(yōu)化過的軸的應變比未優(yōu)化的略大。

由上述內容可以看出，扭矩T取29 000～37 000N時，結構的改變對軸危險截面上的最大應力有較大的影響，而對合位移和應變無較大的影響，說明在材料相同、受力一定的情況下，優(yōu)化后的軸更好。

3.2 優(yōu)化后材料不同時的數(shù)據(jù)及分析

以優(yōu)化后的軸為研究對象，取三種材料45、40Cr、20CrMnTi，將得出的有限元分析數(shù)據(jù)列表，見表2～表4所示：

表2 扭矩變化時不同材料軸的最大應力σmax（單位：MPa）

表3 扭矩變化時不同材料軸的合位移URES（單位：mm）

表4 扭矩變化時不同材料軸的應變ESTRN（單位：mm）

表5 內孔變化時40Cr軸的應力、合位移及應變量

由表2～表4中數(shù)據(jù)可知鋼材料在扭矩取29 000N～ 37 000N時，不同的材料對σmax、合位移URES、應變ESTRN均無較大影響，說明結構鋼都能滿足該軸的傳動特性，但是也可以看出40Cr的性能更好一些，最大應力合位移，應變都較小，因此材料選用40Cr。

3.3 優(yōu)化后內孔直徑不同時的數(shù)據(jù)及分析

以40Cr材料優(yōu)化后的軸為研究對象，取內孔Φ10、Φ 15、Φ20、Φ25mm、Φ30、Φ35，對這三根軸進行有限元分析有，T=33 000N·m，結果如表5所示：

由以上數(shù)據(jù)對比可知，孔的大小對合位移影響顯著，而軸取Φ25mm時軸的應力、應變最小。

3.4 軸內孔直徑的確定

因為軸的材料已經(jīng)確定，可知孔越大，軸的質量越小，然而當超過Φ25時，軸的最大應力和應變都顯著上升，反而影響了軸的強度，那么當孔徑為Φ25時，相對原軸的Φ20孔，既節(jié)省了材料，又具有更好的性能。

4 結語

通過利用Solidworks Simulation有限元虛擬仿真與實驗相結合的設計手段，對ATB260車載鉆機的角齒輪箱的直齒傳動的輸出軸優(yōu)化前后加載時的扭矩與其應力、合位移、應變的關系進行了分析探討。通過對優(yōu)化后軸的材料及內孔直徑進行數(shù)據(jù)分析，提出當軸內孔為Φ25、材料為40Cr時，過渡軸為直軸的輸出軸為最佳的優(yōu)化設計，可提高結構設計的可靠性，并實現(xiàn)體積小、質量輕的目標。

［1］成大先.機械設計手冊單行本（機械傳動）［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2004.

［2］王勖成.有限單元法［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［3］劉鴻文.材料力學（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［4］王三民.機械設計計算手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2012.

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［6］陳超祥，葉修梓.Solidworks Sim?ulation基礎教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［7］韓志仁，陶華，黃赟.機械設計中有限元分析的幾個關鍵問題［J］.機械設計與制造，2004（4）：58-60.

［8］戰(zhàn)紅，趙偉民.物探鉆孔機立柱的有限元分析［J］.油氣田地面工程，2004（60）：47-48.

StructureOptim ization Design of theOutput Shaftof the AngleGear Box of Truck M ounted Drilling Rig ATB260

Li Feng Mao Jie Liang Cunzhen
（SchoolofMechanicalEngineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Truck mounted drilling rig needsan outputwith high power，high torque and high speed，which requires the gear box tomeet this requirement.In addition tomeet the strict requirement of the gear，it is necessary to ana?lyze the shaft，because the shaft is directly related with the quality of gear box transmission quality.However，tra?ditional design used to have a recess in a spur gear transmission output shaft.This greatly reduces the shaft strength and safety factor of shaft，and the deformation of shaft increases，This article is based on the Solidworks Simulation，where the output shaft is analyzed.We compared the differences in the stress，displacement and strain between the utraditional shaftand optimized shaft.

ATB260 truck mounted drilling rig；gear box；optimization design；outputshaft；finite element

TH122；TH123

A

1003-5168（2015）05-0060-4

2015-4-10

李峰（1963-），男，技師，研究方向：機械制造工藝。