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(jìn)行靜力分析,并依據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行方案優(yōu)化。從而在滿足設(shè)計指標(biāo)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(dǎo)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(dá)到精確制導(dǎo)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(biāo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)行有限元分析,并針對仿真結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dá)到2.0N·m的力矩指標(biāo)。齒輪長時間超載使用,會嚴(yán)重影響壽命,設(shè)計過程中,可以通過仿真方法進(jìn)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(xiàn)
[1] 張遠(yuǎn)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(xué)學(xué)報,2014(04).