基于Simulation的齿轮轴结构优化

    桥式起重机是企业中最常用的吊装运输装备，直接影响到车间生产、设备检修、货物运输等任务的正常完成。由于桥式起重机工作时间长、操作频繁、工况恶劣，经常在重载下进行起动、制动、变速等操作，对传动齿轮轴的冲击很大，容易导致局部应力集中，造成断轴事故发生。文中对断裂齿轮轴进行静力学有限元分析，并根据应力状态对其进行结构优化，最终比较两种结构的应力状态，为齿轮轴的结构优化设计提供科学合理的理论依据。

    减速器齿轮轴的结构尺寸如图1所示，齿轮轴转速n=147．98r／min,传递功率P=40kW，材料为42CrMo，调质处理HB269302，齿轮相关参数如表1所示。

    图1 齿轮轴结构尺寸图

    表1 齿轮相关参数表

    1 齿轮轴的有限元分析

    1．1 建立三维模型

    利用创建齿轮轴的三维模型，如图2所示；定义其基本属性：弹性模量为206GPa，泊松比为0．29，质量密度为7．85eCcm3，屈服极限为600MPa。

    图2 齿轮轴三维模型图

    图3 齿轮轴网格划分图

    1．2 确定边界条件以及施加载荷

    在轴承安装位置添加轴承支撑约束，使齿轮轴只能绕其轴线转动，不能移动。对齿轮轴施加载荷，轴齿1载荷直接施加到工作齿面上，轮齿2载荷则按齿轮宽度中心的分度圆顶端沿坐标系方向分别施加圆周力、径向力和轴向力。

    1．3 划分网格

    采用 Simulation默认的二阶四面体网格单元对齿轮轴进行网格划分，对应力较集中的区域采取网格控制细化网格单元，如图3所示。

    1．4 结果分析

    图4、图5、图6、图7分别是齿轮轴的Von Mises应力、合位移、等量应变、安全系数分布图，结果显示：齿轮轴的最大应力为540．6MPa，分布在靠近轴齿的轴肩过渡位置，安全系数仅为1．11，与实物的断裂源位置相符；齿轮轴的最大位移量为o．292mm，主要集中在工作齿的边缘区域。

    图4 齿轮轴应力分布图