基于ansys的齒輪箱模態(tài)分析及箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于ansys的齒輪箱模態(tài)分析及箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

齒輪箱是傳動的重要部件，是軸承、齒輪等零件的安裝基礎(chǔ)。齒輪箱在受到外界激勵時不可避免地產(chǎn)生振動,箱體要承受各種載荷并產(chǎn)生應(yīng)力和變形;齒輪嚙合過程中產(chǎn)生沖擊,通過軸和軸承傳遞到箱體從而引起箱體的振動。齒輪箱的振動不僅產(chǎn)生噪聲,還會引起箱體內(nèi)齒輪和軸的不對中,加速齒輪及軸承表面的磨損,繼而導(dǎo)致系統(tǒng)故障,嚴(yán)重時會產(chǎn)生重大生產(chǎn)事故,帶來經(jīng)濟(jì)損失。而振動系統(tǒng)與系統(tǒng)的形式具有一定的關(guān)聯(lián)性,因此開展對齒輪箱的動態(tài)特性分析研究將有著重大的實(shí)際意義。實(shí)際動態(tài)特性的研究是進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的前提,故在齒輪箱實(shí)體模型的基礎(chǔ)上建立齒輪箱有限元模型,期望通過模態(tài)分析對齒輪箱的固有頻率和模態(tài)振型進(jìn)行預(yù)測,然后改進(jìn)齒輪箱結(jié)構(gòu)來減小箱體變形,減小箱體振動,降低系統(tǒng)噪聲。1結(jié)構(gòu)的固有頻率結(jié)構(gòu)整體的動力平衡方程為無阻尼又無外力時,上式變?yōu)棣?為特征值,將n個特征值按升序排列0≤ω12≤ω22≤…≤ωn2,ωi為結(jié)構(gòu)第i階固有頻率。與特征值ωi2對應(yīng)的特征向量為{φi},{φi}為結(jié)構(gòu)的第i階主振型。將n個特征矢量排列成n×n階矩陣Φ=[φ1φ2…φn],特征矢量矩陣稱為模態(tài)矩陣。2元模型的構(gòu)建2.1簡化模型的建立本論文采用的齒輪箱是由上下兩箱體通過螺栓連接而成,齒輪箱上一些細(xì)小的特征對結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析影響較小,如螺栓孔、過渡圓角、倒角等,故建模時,在保證分析可靠性的前提下將過渡圓角等微小特征刪除,并將不利于網(wǎng)格劃分的曲面簡化為規(guī)則的形狀,目的是在盡可能反映齒輪箱基本力學(xué)特性的前提下簡化箱體模型。2.2雜結(jié)構(gòu)單元劃分劃分網(wǎng)格采用自動劃分網(wǎng)格來進(jìn)行。單元選擇時,若模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜則選用對復(fù)雜結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)的4節(jié)點(diǎn)四面體單元。選用四面體Solid187網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分。劃分網(wǎng)格時需檢查單元質(zhì)量,即用ANSYS中的checkmesh功能對錯誤單元檢查,然后利用createlement功能重建單元。2.3殼體材料屬性的確定箱體材料為鑄鐵,上下箱體均為同一材料,查手冊知鑄鐵的彈性模量、密度和泊松比如表1所示。2.4國內(nèi)金融合作的模型齒輪箱工作時,通過螺栓固定底座,為模擬齒輪箱實(shí)際工作情況,達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)估箱體動態(tài)特性的目的,需對箱體模態(tài)分析施加正確的邊界條件,即對箱體底部施加面約束。網(wǎng)格劃分后模型共包括71995個節(jié)點(diǎn),44800個單元。箱體約束的有限元模型如圖1所示。3齒輪表面磨損本文選用ANSYS11.0中的BlockLanczos(分塊藍(lán)索斯法)提取各階模態(tài)。各階模態(tài)固有頻率及振型描述如圖2所示。二階振型為箱體的整體扭轉(zhuǎn),扭轉(zhuǎn)以箱體中部為中心,該振型加大了箱體的扭矩,將引起齒輪的不對中性,加速齒輪表面的磨損,影響齒輪壽命。同時扭轉(zhuǎn)也將引起底座與箱體連接處的疲勞,由圖2知箱體最大變形出現(xiàn)在箱體四角。三階振型為箱體整體沿z方向的擺動,最大變形在箱體頂部,對箱體性能的影響類似一階振型。四階振型為箱體中部沿x方向的振動,箱體軸承孔位置振動幅度最大,振動將引起齒輪的不對中,加劇齒面磨損,還將引起箱體壁的彎矩。通過對箱體前四階振型的分析可知,箱體前四階振型為箱體整體模態(tài),從圖中可以看出,箱體不僅有左右、前后的擺動,還有扭轉(zhuǎn)振動,這些都將影響箱體的強(qiáng)度和剛度,影響齒輪箱的使用壽命,加劇齒輪表面的磨損。故在箱體設(shè)計過程中應(yīng)考慮振動對箱體的影響,對受影響較大的部分需適當(dāng)增加其剛度來減小變形,以此減小振動對箱體的影響。4齒輪箱模態(tài)分析由前面齒輪箱模態(tài)分析結(jié)果知,振型對齒輪箱性能影響較大,需改進(jìn)箱體結(jié)構(gòu)來減小變形,提高箱體整體結(jié)構(gòu)性能。本文采取在變形較大區(qū)域適當(dāng)增加箱體剛度來減小變形?？紤]兩種方案:方案1箱體前后壁厚度增加3mm,頂蓋增厚5mm。方案2筋板厚度增加2mm,左右箱體壁厚增加3mm。對修改后的齒輪箱做模態(tài)分析,結(jié)果如表3所示。由表3可知,結(jié)構(gòu)修改后變形量明顯減小,振動降低,優(yōu)化效果顯著,能夠抑制因變形而對齒輪箱造成的不良影響,達(dá)到了優(yōu)化目的。方案1和方案2相比,方案1更為合理。優(yōu)化前后前三階固有頻率變化不大,從第四階開始優(yōu)化后的箱體固有頻率略有增加,這是由于優(yōu)化后箱體剛度增大,可見結(jié)構(gòu)修改后影響的是高階模態(tài)。優(yōu)化前后振型變化不大,如圖5所示,可見優(yōu)化后箱體整體性能穩(wěn)定。優(yōu)化后第一階頻率為651Hz,遠(yuǎn)高于該齒輪箱的嚙合頻率370Hz,其余各階頻率也不與嚙合頻率的倍頻吻合,可見優(yōu)化后既能夠避開共振頻率,減小共振發(fā)生幾率,還增強(qiáng)了齒輪箱各個方面的性能。由表3知,方案1中對齒輪箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)更為合理,故采用方案1。結(jié)構(gòu)前三階模態(tài)的最大等效應(yīng)力如表4所示。由表4知,優(yōu)化后箱體最大等效應(yīng)力明顯下降,優(yōu)化效果顯著,這有助于防止結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力過大,能夠使應(yīng)力均勻分布。下箱體剛度較大,變形較小,最大等效應(yīng)力和變形出現(xiàn)在上箱體。5優(yōu)化后車內(nèi)網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)性能通過上述分析研究可知,應(yīng)用模態(tài)分析方法可以清楚地了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性,給優(yōu)化設(shè)計提供必要信息,使本論文研究的齒輪箱經(jīng)過優(yōu)化后達(dá)到了如下結(jié)果:(1)優(yōu)化后箱體最大變形量減小,振動降低,并能夠減小因箱體變形對齒輪箱以及齒輪性能帶來的不良影響。(2)優(yōu)化后箱體振型與改進(jìn)前相比相同,箱體整體性能穩(wěn)定。(3)本文依據(jù)振型分析箱體性能,以此為依據(jù)改進(jìn)箱體結(jié)構(gòu),此方法可作為對箱體結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法的一種