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三環(huán)減速器是一種新型齒輪傳動(dòng)裝置。齒輪傳動(dòng)部分采用的齒板上的內(nèi)齒輪和齒輪軸上的外齒輪相嚙合的內(nèi)嚙合方式，由于相嚙合齒輪的齒數(shù)差很少，一般是1/4齒差，在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中同時(shí)有多對(duì)齒相接觸，單個(gè)齒受力小而使整機(jī)承載能力高，過(guò)載性能好。與功率相同的圓柱齒輪傳動(dòng)相比，該型減速器由于特殊的結(jié)構(gòu)而具有整機(jī)體積小、重量輕、傳動(dòng)的功率范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械、石油化工等行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析是一個(gè)重要步驟。本文以工程應(yīng)用為目的，基于ANSYS軟件，對(duì)二級(jí)三環(huán)減速器的重要傳動(dòng)部件內(nèi)齒環(huán)板進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，根據(jù)得出的結(jié)果對(duì)內(nèi)齒環(huán)板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
本減速器采用二級(jí)傳動(dòng)。第一級(jí)采用一對(duì)斜齒輪傳動(dòng)；第二級(jí)為少齒差內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)，輸入軸、支承軸和輸出軸3根軸的軸線互相平行且處于水平位置，采取輸入軸和支承軸在同側(cè)，而輸出軸在另一側(cè)的偏置式布置方式。動(dòng)力由斜齒輪通過(guò)輸入軸單軸輸入，由偏心套帶動(dòng)3片內(nèi)齒環(huán)板以及內(nèi)齒環(huán)板上的內(nèi)齒輪和輸出軸上外齒輪的嚙合，由輸出軸輸出動(dòng)力。為防止由偏心套和內(nèi)齒環(huán)板等組成的曲柄連桿機(jī)構(gòu)在曲柄和連桿共線時(shí)運(yùn)動(dòng)的不確定性，采用嚙合瞬時(shí)相位差為120°的3片內(nèi)齒環(huán)板。箱體采用上下水平剖分結(jié)構(gòu)。圖1為該減速器的實(shí)體模型。
采用ANSYS軟件的具體建模步驟見(jiàn)文獻(xiàn)，ANSYS雖然也有建模功能，但對(duì)于復(fù)雜零件選用功能強(qiáng)大的Pro/E進(jìn)行建模能起到事半功倍的效果。本環(huán)板實(shí)體模型采用Pro/E建模，利用ANSYS內(nèi)置的接口實(shí)現(xiàn)從Pro/E的模型導(dǎo)入。單元設(shè)置：Main Menu-Preprocessor- Element TypeCAdd-Edit-Delete，單擊Add按鈕，選擇帶有20個(gè)節(jié)點(diǎn)的單元Solid95單元，單擊OK，Close按鈕。設(shè)置材料屬性：Main Menu-Preprocessor-MaterialProps-Material Models，雙擊Material Model Available列表框中的StructurahLinear-Elastic-Isotropic選項(xiàng)。在EX和PRXY文本框分別輸入2.09e11及0.269。單擊OK按鈕，然后執(zhí)行Material-Exit命令，完成材料屬性設(shè)置。設(shè)置網(wǎng)格的尺寸大小：Main Menu-Preprocessor-Size Cntrls-Global-Size命令。在Element edgelength文本框中輸入50，單擊OK按鈕。采用自由網(wǎng)格劃分單元：執(zhí)行Main MenuPreprocessor-Mesh-Areas-Free命令，單擊"Pick all”按鈕，單擊OK按鈕，生成網(wǎng)格，如圖所示。
施加約束命令，將軸承內(nèi)孔全部約束，選擇ALL DOF選項(xiàng)，單擊OK。內(nèi)齒環(huán)板上的輪齒所受的載荷隨工況轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律見(jiàn)圖所示。由圖可以看出：3塊內(nèi)齒環(huán)板上的輪齒所受載荷以360°為周期變化且規(guī)律完全相同，只是各環(huán)板分別相隔120°相位差。當(dāng)工況角為85°時(shí)，某塊內(nèi)齒環(huán)板的輪齒所受載荷有最大值：P=1.98698xe4N，假設(shè)有5對(duì)齒同時(shí)嚙合且每個(gè)齒受力均等，則每個(gè)齒所受載荷大小為最大載荷的1/5。因此，加載時(shí)選擇最危險(xiǎn)工況下的最大載荷平均施加于以工況角為85°對(duì)稱(chēng)分布的5個(gè)輪齒上。施加載荷命令，假設(shè)有5對(duì)齒嚙合，在危險(xiǎn)工況角度拾取對(duì)稱(chēng)的5個(gè)漸開(kāi)線齒廓，單擊OK按鈕，在Load PRES value文本框中輸入載荷值，單擊OK。求解：Main Menu-Solution-Solve-Current LS命令。出現(xiàn)一個(gè)Solution is done對(duì)話(huà)框時(shí)單擊Close按鈕完成求解運(yùn)算。
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