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三環(huán)減速器是一種新型的少齒差內(nèi)嚙合行星齒輪傳動裝置，具有傳動比大、承載能力高、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于礦山、冶金、建筑機(jī)械等行業(yè)。三環(huán)減速器傳動部分屬于超靜定系統(tǒng)，在分析其力學(xué)行為時，必須考慮各構(gòu)件的彈性變形協(xié)調(diào)關(guān)系，而準(zhǔn)確建立三環(huán)傳動系統(tǒng)的變形協(xié)調(diào)條件往往有很大難度。因此，眾多文獻(xiàn)在分析三環(huán)減速器的力學(xué)特性時，都做了一些假設(shè)或簡化，而這些假設(shè)或簡化在不同程度上影響了有限元分析的精度。
本文采用有限元方法對三環(huán)減速器整機(jī)進(jìn)行分析，避開了建立變形協(xié)調(diào)條件的難題。對構(gòu)件傳動過程中各個構(gòu)件的應(yīng)力、變形分析，以確定各構(gòu)件在不同傳動位置時應(yīng)力分布以及傳動系統(tǒng)所受約束反力，尤其是每個構(gòu)件的最大應(yīng)力的大小和位置。靜力分析的結(jié)果對確保三環(huán)減速器整體性能具有非常重要的意義，也是三環(huán)減速器優(yōu)化設(shè)計的重要依據(jù)。三環(huán)減速器是由多個零部件組成的齒輪連桿傳動系統(tǒng)，其裝配：由支座、輸入曲柄軸、。其工作原理環(huán)板、輸出軸柄軸等主要部分組成。為了克服死點(diǎn)位置、支撐曲實(shí)際使用中采用三相環(huán)板并列布置，各環(huán)板之間互成120°相位角。
為便于比較，本文以實(shí)驗(yàn)用三環(huán)減速器為例進(jìn)行受力分析。其基本參數(shù)為
減速器中心距a=160 mm。輸入軸直徑35.0 mm，長度235.5 mm，材料40Cr，彈性模量2.11Xe11 Pa。支撐軸直徑35.0 mm，長度190.0 mm。內(nèi)齒板厚度35.0 mm，材料45，彈性模量2.09Xe11 Pa。3個內(nèi)齒板之間的間隙5.0 mm。偏心套偏心距2.0。行星軸承內(nèi)徑50.0 mm，外徑90.0 mm，厚度35.0 mm，彈性模量3.0577Xe10 Pa。所有材料的泊松比為0.3，密度為7.8 Xe3 kg/m3。輸入扭矩40.0Xe3 Nm。
本文綜合考慮各個構(gòu)件，建立了內(nèi)齒板、高速軸、偏心套、行星軸承、高速軸上的支承軸承組成的傳動系統(tǒng)的有限元分析模型。建模時，忽略內(nèi)齒板上的輪齒，對于軸承，忽略其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，用一個力學(xué)能相似的彈性空心圓柱體代替，構(gòu)件之間的連接關(guān)系利用自由度耦合的概念處理。考慮到三環(huán)減速器內(nèi)齒板、偏心套等實(shí)體的表面為曲面，實(shí)體形狀不很規(guī)則，ANSYS選擇單元類型為SOLID186單元。箱體對支撐軸承的約束，處理為外側(cè)表面節(jié)點(diǎn)的固定約束。輸出軸對內(nèi)齒板的約束，處理為內(nèi)齒輪齒根尺寸范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)沿切線方向的固定約束。本文通過將扭矩?fù)Q算為周向節(jié)點(diǎn)力的方法施加扭矩載荷。通過有限元分析，得到一個周期內(nèi)，各個主要承力構(gòu)件的應(yīng)力變化情況。
三環(huán)減速器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中作用于箱體支座的X方向反力要遠(yuǎn)大于Y方向反力，這也是引起箱體橫向振動的主要原因。
一個運(yùn)動周期內(nèi)，三環(huán)減速器的內(nèi)齒板所受的載荷(齒輪嚙合力)是變化的，各相相位差接近120°，減速器總的輸出力矩也呈周期性波動。
分析表明齒板上的最大Von mises應(yīng)力發(fā)生在齒嚙合位置處(本文作為約束位置)，第1相和第2相內(nèi)齒板30°位置角時的應(yīng)力分布云圖。
對1臺三環(huán)減速器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的承載能力進(jìn)行了實(shí)測，經(jīng)計算輸出扭矩的均值為2319.2 Nm。有限元分析的扭矩最大值為2262.81 Nm，與實(shí)驗(yàn)扭矩之間的誤差為2.439000。
本文對1個三環(huán)減速器的傳動系統(tǒng)進(jìn)行了有限元靜力分析，通過數(shù)據(jù)和云圖得出了一些分析結(jié)果。
(1)進(jìn)行有限元建模時，用一個力學(xué)性能相似的彈性空心圓柱體代替軸承，考慮其彈性變形對傳動系統(tǒng)靜力的影響。
(2)構(gòu)件之間的連接關(guān)系采用自由度耦合的概念處理，進(jìn)一步接近實(shí)際工作情況。
(3)將有限元靜力分析的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，結(jié)果表明有限元分析的結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很吻合。說明本研究分析的有限元模型是符合實(shí)際工況的研究模型。
(4)本研究的結(jié)果將為三環(huán)減速器的優(yōu)化設(shè)計奠定良好的基礎(chǔ)。
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