基于COSMOSworks的摆线针轮减速器有限元分析

第27卷第5期 2010年5月 机 电 工 程 JournalofMechanical＆ElectricalEngineering V01．27No．5 May2010 基于COSMOSworks的摆线针轮 减速器有限元 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 罗 文，项占琴木 (浙江大学现代制造工程研究所，浙江杭州310027) 摘要：针对摆线针轮减速器的摆线轮齿廓形状复杂、加工制造难度大等同题，根据摆线成形原理及设计要求，利用SolidWorks软件 建立了摆线针轮减速器三维模型，运用COSMOSworks有限元分析软件模拟了减速器的工作状态，并对其主要部件进行了有限元分 析，为摆线针轮减速器的结构设计提供了参考依据。研究结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，运用该设计方法对提高摆线针轮减速器设计的速度和质量具 有一定的实际意义。 关键词：摆线针轮减速器；COSMOSworks；有限元分析 中图分类号：TP391．7 文献标识码：A 文章编号：1001—4551(2010)05—0025—03 Finiteelementanalysisofplanet-cycloidreducerbasedonCOSMOSworks LUOWen，XIANGZhan—Qin (InstituteofAdvanceManufacturingEngineering，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，China) Abstract：AiIIliIlgatsolvingtheproblemsinmanufacturingofcycloidalgear，theplanet-cycloidreducermodelinconsiderationofmanufac- turingerrorw88developedapplyingSolidWorksafterthepreliminarydesignandtheoreticalcalculation．Basedonthemodel，thestressand straindistributionofmainloadbearingpartslikecycloidalgearandpingearwereobtainedbyfiniteelementmethod．Andthefiniteelement modelanalysisofinputandoutputshaftwerealsodiscussed．Theresultsindicatethatthedesignofplanet—cycloidreducerisimprovedbyU— singvirtualprototypetechnique． Keywords：planet—cycloidreducer；COSMOSworks；finiteelementanalysis 0 引 言 作为普通减速机的更新换代产品，摆线针轮行星 减速器与普通减速机相比，具有结构紧凑、传动比大、 传动效率高、多齿啮合、承载能力大等突出优点。摆线 针轮行星减速器以其输Ⅳ输出同轴、多齿啮合的新颖 结构，广泛应用于矿山、冶金、工程机械及化工等行业 的驱动装置和减速装置中⋯。COSMOSworks是分析 软件，可模拟真实运行条件，用以研究不同装配体零部 件之间的交互作用，进行静力、频率、热等分析和设计 优化，可以实现和SolidWorks的无缝集成实现几何建 模和有限元分析的集成拉J。 本研究以SoIidWorks2006和COSMOSworks为工 具，建立一个摆线针轮减速机三维模型，对其主要部件 进行有限元分析，为摆线针轮减速器的结构设计提供 参考依据，有利于在产品设计阶段发现摆线针轮行星 减速器设计中存在的潜在问题，减少对物理样机的依 赖，节省成本，缩短产品开发周期，增强产品竞争力。 1 摆线针轮减速器传动原理 摆线针轮传动，是由一个针轮(即中心轮，用K表 示)，一个系杆(即转臂，用H表示)和一个传递摆线轮 自转偏心输出机构(即在输出机构中绕固定轴线转动 的构件，用V表示)所构成的。因此，它是K—H—V型的 行星机构，摆线针轮传动的原理如图l所示。摆线针 轮用于减速时，系杆H作为主动件，行星轮l是摆线齿 轮(简称摆线轮)，内齿轮2是圆柱形针销齿轮(简称针 轮)。因为摆线轮与针轮的齿数相差为一个齿，所以摆 收稿Et期：2009—11—26 作者简介：罗文(1968一)，女，江西上饶人，副研究员，主要从事机械设计及制造方面的研究．E—mail：jxluowen@sina．eom 通信联系人：项占琴，男，教授，博士生导师．E-mail：xzql28@yahoo．com．en 万方数据 ·26· 机 电 工 程 第27卷 线针轮传动即是一齿差摆线针轮行星传动㈨。 图1 摆线针轮行星传动的原理图 l一行星轮；2一内齿轮 2摆线针轮减速器三维实体建模 本研究中摆线针轮减速器的输入功率为PⅣ= l kW，输入轴转速／'t=960r／min，传动比i=11，在计算 确定摆线针轮减速器各主要零件的参数后，用Solid- Works2006对其进行建模。 2．1摆线针轮减速器拓扑关系图 根据陔摆线针轮减速器的结构，将减速器分为摆 线轮、针齿壳、针齿套、针齿销、输入轴、双偏心套、输出 轴、机座等16个刚体。输入／输出轴和机座之间通过 轴承用转动副连接，双偏心套与摆线轮通过滚动轴承 连接，针齿套与针齿壳、销轴套与输出轴采用转动副连 接，摆线轮和针齿轮之间是多齿啮合的齿轮副，针齿壳 用螺栓固定在机座上，双偏心套通过偏心套配合键和 输入轴固定在一起。分析各构件之间的关系，得到的 摆线针轮减速器拓扑关系图如图2所示。 匝巫H堡罂卜＼隔硐 图2摆线针轮减速器拓扑关系图 2．2摆线轮模型的建立 摆线轮是一个盘式结构，其上均匀分布孔的零件。 摆线针轮减速器中，相同的两个具有奇数齿的摆线轮 安装在同一个转臂上与针齿啮合。摆线轮的齿形为短 幅外摆线的等距曲线，其建模的难点在于摆线轮齿廓 的绘制。由于SolidWorks2006没有直接绘制摆线的 命令，因而要生成摆线轮廓，可以采用参数法设计，编 程实现；或采用图解法，用几何画法作出摆线轮的齿廓 曲线。由于摆线轮齿廓曲面形状的特殊性，有关其齿 形轮廓设计方法的技术资料并不多M引。本设计采用 图解法产生齿廓曲线，利用COSMOSMotion的轨迹跟 踪功能，根据摆线轮齿廓曲线成形原理，通过简单的运 动仿真，即可精确地绘制出摆线轮廓曲线。只要精确 地绘制出摆线轮廓曲线，摆线轮齿廓曲面的三维造型 即迎刃而解。摆线轮模型的建立如图3所示。 图3摆线轮模型的建立 摆线针轮减速器的其他各零件，结构相对较简单， 参照摆线轮建模方法，选择合理基准面和建模顺序，注 意零件模型与其他零件的配合尺寸，通过Solidworks 2006软件的旋转、拉伸、切除等方法都可容易得到。 最后得到的摆线针轮减速器的三维模型如图4 所示。 图4摆线针轮减速器的三维模型 3减速器关键部件的有限元分析 在COSMOSworks中分析模型的第一步是对模型 进行前处理，这里需要建立一个算例。算例是由一系 列参数所定义，这些参数完整表述了该物理问题的有 限元模型。一个算例需要定义的参数包括以下几个方 面：①分析类型及选项；②定义模型材料；③模型边界 条件(施加的各项约束)；④网格划分∞刁1。 3．1摆线轮的静态分析 根据摆线针轮行星传动的啮合原理，针轮与摆线 轮是多齿啮合。摆线轮与各针齿，以及机构中的柱销 套和柱销之间的载荷分布很复杂，除了受接触变形的 影响，还受制造误差、啮合间隙及摆线轮体变形等因素 的影响。为了研究方便，笔者作如下假设：①摆线针轮 减速器各构件为刚性构件；②装配间隙为零；③不计摩 万方数据 第5期 罗 文，等：基于COSMOSworks的摆线针轮减速器有限元分析 ·27· 擦影响。模型材料选用GCrl5SiMn钢。 摆线针轮在工作中主要承受3种力：针齿与摆线 轮齿啮合作用力t，疋作用线沿啮合线的公法线方 向，相交于节点P；形机构柱销对摆线轮的作用力Qi； 转臂轴承对摆线轮的作用合力R。摆线轮在∑以、 ∑Qi和尺作用下处于平衡状态。摆线轮的受力分析 图如图5所示。 来改善弯曲变形情况。由以上分析可得出结论，输入 轴在频率与其自然频率一致的动态载荷正常刺激时， 输入轴会承受较大的位移和应力，应当尽量避免。输 入轴模态分析结果如表l所示。 图7输入轴1、2、3阶频率位移图 表1输入轴模态分析结果 磁 4结束语 图5摆线轮的受力分析图 根据载荷计算结果，结合图5定义模型边界条件， 用COSMOSworks软件对摆线轮进行静态分析，其过程 及结果如图6所示。各分析项目在COSMOSworks中 均可以动画的形式观察整个周期中的变化情况，这使 设计更加直观方便。根据分析可知最小安全系数为 5．1，现有的摆线轮设计完全满足结构和刚度要求。 图6摆线轮静态分析 3．2输入轴的模态分析 每个结构都有以特定频率振动的趋势，这一频率也 称作自然频率或共振频率。每个自然频率都与模型以 该频率振动时趋向于呈现的特定形状相关，称为模式形 状。利用有限元方法对摆线针轮减速器虚拟样机模型 进行模态分析，可以得到同有振动频率、变形、应力等重 要参数哺40|。输入轴前3阶频率位移图如图7所示。 分析可知：1阶振型变形很小，不影响输入轴的正 常工作；2、3阶振型变形最大位置均在输入轴载荷输 入端与轴承配合的轴肩处，可通过增强结构整体刚度 本研究通过对行星摆线针轮减速机构的三维建 模，及对行星摆线针轮减速机构关键零件的有限元分 析，为摆线针轮减速器的结构设计提供了参考依据，也 给同类型研究提供了一种新的参考方法。同时有限元 分析和COSMOSWorks软件在模拟仿真和优化设计中 的应用，大大降低了研究成本，实现了设计过程的自动 化和可视化，提高了设计质量，缩短了产品设计周期， 具有较大的推广价值。 参考文献(References)： [1]SALGADODR，DELCASTILLOJM．Amethodfordetec． tingdegeneratestructuresinplanetarygeartrains[J]．Meeh- anismandMachineTheory，2005，40(8)：948—962． [2]杜韧，徐景满．SolidWorks环境下的齿轮参数化三维造 型[J]．煤矿机械，2008，29(6)：205—206． [3]饶振刚．行星传动机构设计[M]．2版．北京：国防工业出 版社。1994． [4]袁林，贺元成，郑自求．鼓形齿应用于小齿轮自调位装 置的探讨[J]．重型机械，2007(6)：52—55． [5]侯沂，宋朝省．摆线针轮行星减速器的可视化设计[J]． CAD／CAM与制造业信息化，2006(6)：52—53． [6]辛志杰，徐燕申，满佳，等．基于有限元分析的数控铣齿 机立柱动静态设计[J]．中北大学学报：自然科学版， 2006．27(6)：483—486． [7]张国瑞．有限单元法[M]．北京：机械工业出版社，1992． [8]CUIZhi·qin，SUTie—xiong，ZHAODong-qing．Finiteele- mentmodalanalysisforthecomplexcombinedstructure comparedwithtest[J]．JournalofNorthChinaInstitute ofTechnology，200l，22(3)：180—182． 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