王園

摘要：擺線針輪減速器作為重要的機(jī)械傳動(dòng)部件具有體積小、重量輕、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比大、承載能力強(qiáng)和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)諸多領(lǐng)域中。本文針對(duì)變槳減速器技術(shù)要求，通過典型擺線針輪減速器的傳動(dòng)原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，建立齒輪、擺線輪等關(guān)鍵零部件的計(jì)算模型，并進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析，其中對(duì)代表性的齒輪副進(jìn)行了有限元模型的建立，并在Ansys Workbench中進(jìn)行分析，包括一對(duì)外嚙合齒輪副、擺線輪與針齒接觸副，最后將有限元分析結(jié)果與解析法結(jié)果相比較。

Abstract： The cycloidal pin-wheel reducer is one of the most important transmission components of the pumping unit by its small volume， light weight， high efficiency， large transmission ratio， large load capacity and long effective life， and has been widely used in many fields of modern industry. According to the reducer technical requirements， analyze the representative gear pair of finite element model，through the typical of cycloidal pinwheel reducer transmission principle and structure characteristics analysis，including an external meshing gears， needle cycloid gear with tooth contact pair.

關(guān)鍵詞：齒輪副;靜力學(xué)分析;有限元分析

Key words： gear pair;the statics analysis;finite element analysis

中圖分類號(hào)：O312.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0052-04

0 ?引言

擺線針輪行星減速器是機(jī)械裝備中相當(dāng)重要的傳動(dòng)裝置。擺線針輪行星傳動(dòng)的行星齒輪齒廓曲線不是漸開線，而是變幅外擺線的內(nèi)側(cè)等距曲線，一般采用短幅外擺線的等距曲線。

目前，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面做了大量系統(tǒng)深入的研究，建立了諸多的設(shè)計(jì)理論及分析方法。韓雙江等基于擺線成形原理及設(shè)計(jì)要求對(duì)擺線行星減速器的擺線輪齒廓形狀復(fù)雜、難加工等問題進(jìn)行了SolidWorks運(yùn)動(dòng)仿真，探討了準(zhǔn)確繪制擺線輪齒廓形狀的方法[1]。陳兵奎等提出了齒間具有雙接觸線的新型擺線傳動(dòng)，它是在擺線針輪行星傳動(dòng)中采用雙包絡(luò)嚙合理論產(chǎn)生的，通過理論分析和數(shù)值算例研究了其嚙合特點(diǎn)，并對(duì)物理樣機(jī)進(jìn)行了試制及測(cè)試了傳動(dòng)誤差，表明雙包絡(luò)理論可以應(yīng)用于擺線針輪行星傳動(dòng)[2]。

風(fēng)電變槳減速器主要采用行星輪系2K-H類NGW型，此外也有擺線針輪變槳減速器，如吳聲震申請(qǐng)的專利：風(fēng)電單級(jí)變槳雙擺線減速器[3]、風(fēng)電雙擺線變槳減速器[4]、風(fēng)電三片擺線變槳減速器[5]。本文在現(xiàn)有風(fēng)電變槳減速器的基礎(chǔ)上，合理的設(shè)計(jì)風(fēng)電變槳減速器結(jié)構(gòu)，提高減速器的承載能力、傳遞效率和使用壽命，并對(duì)在實(shí)際應(yīng)用中易受損的齒輪副進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析。

1 ?齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 齒輪材料選擇

RV傳動(dòng)包括直齒圓柱齒輪行星傳動(dòng)和擺線針輪行星傳動(dòng)，其中直齒圓柱齒輪副z1-z2根據(jù)齒面接觸強(qiáng)度初步確定齒輪副主要參數(shù)，然后進(jìn)行齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算，最后確定該齒輪副的幾何尺寸。為減少傳動(dòng)件尺寸，擺線輪、針齒均應(yīng)用選用軸承鋼GCr15，表面硬度為58～62HRC，許用接觸應(yīng)力[σH]=1500MPa。

1.2 齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)

本文所研究的擺線輪的齒數(shù)和針齒齒數(shù)分別為zc=z4=49，zp=z5=50，輸出力矩Tb=Tv=4911.55N·m。在RV傳動(dòng)中，輸出力矩Tv為擺線輪嚙合力力矩T4及輸入力矩Ta的合力矩，但Tb遠(yuǎn)小于嚙合力矩，且確保擺線輪安全可靠，按Tv設(shè)計(jì)計(jì)算并校核擺線輪。擺線輪和針齒齒面的失效形式主要是疲勞點(diǎn)蝕和膠合，這里只校核其齒面接觸強(qiáng)度。

①短幅系數(shù)K1，初步選取K1=0.8。

②針徑系數(shù)K2，初步選取K2=1.35。

根據(jù)插值法取Y1max=1.95。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：σH=1368.42MPa。σH<[σH]=1500MPa，接觸強(qiáng)度滿足要求。

3 ?齒輪實(shí)體建模

零件建模與設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)關(guān)鍵，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)加工有重要的輔助作用。本文利用UG軟件建立風(fēng)電變槳減速器傳動(dòng)裝置各零部件的三維實(shí)體模型，并進(jìn)行虛擬裝配，關(guān)鍵部件模型如圖1-圖3所示。根據(jù)各零件間的位置關(guān)系，將減速器所有零件通過約束條件，進(jìn)行虛擬裝配，如圖4所示。

4 ?齒輪副有限元分析

針對(duì)風(fēng)電變槳減速器結(jié)構(gòu)，對(duì)代表性的齒輪副進(jìn)行了有限元模型的建立和分析，其中包括一對(duì)外嚙合齒輪副、擺線輪與針齒接觸副。

4.1 外嚙合齒輪副

建立外嚙合齒輪副的實(shí)體模型，并導(dǎo)入ANSYS中，應(yīng)用Swept Meshing（掃掠法）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型共計(jì)25140個(gè)單元，29010個(gè)節(jié)點(diǎn)，外嚙合齒輪副有限元模型如圖5所示。

外嚙合齒輪副計(jì)算模型邊界條件為：主動(dòng)輪z1施加扭矩載荷，徑向和軸向施加零位移約束，可繞中心線轉(zhuǎn)動(dòng);從動(dòng)輪z2的切向、徑向和軸向均施加零位移約束，邊界條件如圖6所示。

4.2 擺線輪與針齒接觸副

將建立的實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，建立擺線輪與針齒接觸副有限元模型，應(yīng)用Hex Dominat法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共計(jì)116254個(gè)單元，455334個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格模型如圖7所示。

擺線輪與針齒接觸副有限元模型分析邊界條件為：針齒外圈切向、徑向和軸向均施加零位移約束;擺線輪三個(gè)分布的軸承孔面徑向和軸向施加零位移約束，并施加軸承載荷，如圖8所示。

4.3 嚙合齒輪副有限元計(jì)算結(jié)果

針對(duì)前面建立的有限元模型，對(duì)嚙合齒輪副進(jìn)行有限元求解，得出齒輪副的綜合位移、等效應(yīng)力及接觸應(yīng)力云圖，如圖9～圖13所示。由圖可知，齒輪副綜合位移為0.021952mm，等效應(yīng)力為433.6MPa（其中主動(dòng)輪等效應(yīng)力為433.6MPa，從動(dòng)輪等效應(yīng)力為361.2MPa），接觸應(yīng)力為763.2MPa。與前文解析法計(jì)算結(jié)果相比，由于有限元分析時(shí)未考慮使用系數(shù)，計(jì)算結(jié)果相對(duì)偏小。

擺線輪與針齒接觸副的有限元計(jì)算結(jié)果如圖14～圖17所示。由圖可知，綜合位移為0.050924mm，擺線針輪等效應(yīng)力為180.23MPa（其中擺線輪等效應(yīng)力為169.46MPa，針齒等效應(yīng)力為180.23MPa）。

5 &nbsp;總結(jié)

本文根據(jù)各部件的受力分析，利用解析公式對(duì)齒輪等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了靜力計(jì)算和強(qiáng)度校核，建立了關(guān)鍵零部件的簡(jiǎn)化模型，在ANSYS/Workbench 14中對(duì)簡(jiǎn)化模型創(chuàng)建材料、進(jìn)行網(wǎng)格劃分、施加邊界條件和載荷，從而得到了關(guān)鍵零部件的有限元分析模型;而后進(jìn)行有限元分析，得到了各關(guān)鍵零部件的綜合位移及等效應(yīng)力云圖，對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行了分析和比較，得出各關(guān)鍵零部件均滿足強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)：

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