基于ANSYS的传动轴零件静力学分析

2020-07-27王肖英

现代信息科技 2020年6期

摘要：传动轴是机械中重要的零件，其设计强度的高低直接影响着机械产品的质量和寿命。传统的机械设计方法估算的结果比较粗略，对于应力集中的位置以及应力大小难以做出精确的判断。以锻压机辅助冲孔结构中的传动轴零件为例，运用ANSYS有限元分析软件对传动轴进行了位移和等效应力分析，确定了传动轴的最大位移和最大等效应力的位置及具体数值。分析结果验证了传动轴的可靠性。有限元法的应用为轴类零件以及机械产品整体结构优化提供了理论依据。

关键词：ANSYS有限元分析;传动轴;强度校核

中图分类号：TH112;TP242 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）06-0143-04

Abstract：Transmission shaft is an important part of machinery，and its design strength directly affects the quality and service life of mechanical products. The results of traditional mechanical design method are rough，so it is difficult to make accurate judgment for the location of stress concentration and stress size. Taking the driving shaft part in the auxiliary punching structure of forging press as an example，the displacement and equivalent stress of the driving shaft are analyzed by using ANSYS finite element software，and the position and specific value of the maximum displacement and equivalent stress of the driving shaft are determined. The analysis results verify the reliability of the transmission shaft. The application of the finite element method provides a theoretical basis for the optimization of the whole structure of shaft parts and mechanical products.

Keywords：ANSYS finite element analysis;transmission shaft;strength check

0 引言

為提高自由锻压机制坯时的冲孔效率，圣阳机械有限公司设计人员对液压机进行了改造，自行设计了摆冲结构，如图1所示。

为了更准确地进行强度校核，缩短设计周期，降低生产成本，该公司与本校合作，对摆冲结构中的重要零件进行了静力学分析，本文以该结构中的传动轴为例介绍轴类零件的静力学分析过程。传动轴主要用来传递转矩，其性能的好坏直接决定了扭矩的输出[1]，本结构中的传动轴及轴上零件结构如图2所示。该传动轴不仅输送动力，同时也将液压马达产生的扭矩波动传递给后续结构系统，从而导致传动系统产生扭转应力应变，产生一定的扭转变形[2]，对摆冲结构摆动过程的平稳性和安全性影响极大。

1 有限元建模

1.1 实体模型的建立

由于轴的结构形状较为复杂，为减小有限元分析成本和规模，在保证计算精度的前提下，对其进行了一些简化处理。

（1）轴端的螺纹结构为悬出部分，齿轮在螺纹的上部，在工作过程中螺纹部分几乎不受扭矩的作用，故将下端的螺纹结构去除。

（2）传动轴轴肩处的倒角主要是便于拆装轴上零件，对于轴工作时的受力影响极小，其结构不会影响到分析计算结果，故将轴肩处的所有倒角去除[3]。而台阶根部的圆角能有效减小应力集中，所以保留所有圆角结构。传动轴的几何模型如图3所示。

1.2 网格划分

传动轴的材料采用45钢，其弹性模量为2×1011 Pa，泊松比为0.3，屈服强度为335 MPa。

由于轴的结构形状较为复杂，故采用适用性强的10节点四面体单元模拟轴的结构。通过试算，离散化时单元边长取5.0 mm，采用均匀划分网格的方式，离散化后共有92 200个单元，133 352个节点。有限元模型如图4所示。

1.3 边界条件和载荷处理

该传动轴两轴颈处装有支撑座，支撑座固定在液压机本体上，轴的一端开有花键孔，与液压马达连接输入转矩，另一端安装齿轮，轴上零件及安装位置如图5所示。

通过连接分析，在径向、轴向和环向施加边界约束分别为：

（1）传动轴两支撑座通过中间套筒与传动轴连接，所以在与两支撑座接触的传动轴外圆周面处施加径向约束。

（2）两支撑座中与花键孔轴段连接的支撑座轴向刚度大，所以在花键孔轴段的台阶面上施加轴向约束。

（3）环向约束施加在与齿轮配合的轴段端面上。

由工作情况已知传动轴所受扭矩T=81 573 N·mm。齿轮处的径向载荷为Fr=538.4 N，切向载荷Ft=1 483.0 N。

花键所受的扭矩T是由花键凸齿的工作面传递的。在分析时，把扭矩简化成等价的节点集中力，施加在花键孔小径圆周面的各个节点上。其具体加载命令流如下：

M_Z=81573 ！扭矩（N-mm）

CSYS，1 ！选择整体柱坐标系

ASEL，S，LOC，X，d2/2 ！选择花键小径圆柱面

ASEL，R，LOC，Z，0，47

NSLA，S，1 ！选择花键小径圆柱面上的节点

NROTAT，ALL ！将节点坐标系转换到柱坐标系

*GET，Nnod，NODE，0，COUNT ！确定花键小径圆柱面上的节点数

F_Y=2*M_Z/（d2*Nnod）！计算等效切向力

F，ALL，FY，F_Y ！施加节点切向力

ALLSEL，ALL

平键的两侧面是工作面，上表面与轮毂上的键槽底部之间留有间隙，键的上、下表面为非工作面。工作时靠键与键槽侧面的挤压把扭矩传递给齿轮。故切向载荷Ft是按表面力施加在键槽的侧面上。

径向载荷Fr应该施加在轴与齿轮相配合的轴段的半外圆柱面上，但这样处理比较麻烦。有限元分析时是把它简化成面力施加在非工作面的键槽下表面上[4]。根据圣维南原理，这样处理会对近处的应力分布有影响，而对远处或整体的应力分布没有影响[5]。最后由计算结果知，轴的最大应力远小于其许用应力，故这种简化处理是可行的。载荷施加如图6所示。

2 计算结果分析

2.1 传动轴刚度分析

传动轴沿X方向和Y方向的变形分别如图7和图8所示。

由图7可见，传动轴在X方向的最大位移位于花键轴及相邻轴段的圆柱表面处，最大值为0.023 mm，且其位移从外向里变形量逐渐减小。由图8可见传动轴在Y方向的最大位移为0.023 mm，位于花键轴及相邻轴段的圆柱表面处。

传动轴的和位移如图9所示，从图中可以看出传动轴与花键孔轴段相连的轴端发生了较大变形，最大位移为0.023 mm。由于机构属于一般机械传动，最大位移数值很小，则传动轴的刚度符合要求。

2.2 传动轴强度分析

传动轴的等效应力分布如图10所示。最大等效应力= 24.3 MPa，位于键槽两侧面的底部。由于轴是通过键连接带动齿轮转动并输出转动，并在此轴段上还受到径向力Fr作用，故在键槽工作面的根部应力较大是合理的。

45号钢的屈服应力σs=355.0 MPa，安全系数[6]取n= 2.5，故许用应力为：

由第四强度理论，得 =24.3 MPa<[σ]，所以传动轴强度满足要求。

3 结论

以锻压机的辅助冲孔结构中的传动轴为例，运用有限元法對传动轴进行了位移和等效应力分析，确定了传动轴的最大位移和最大等效应力的位置及具体数值。并运用第四强度理论对传动轴进行了强度校核，结果表明传动轴强度满足工程要求，且该传动轴还可以进一步进行结构优化。

在确定边界条件和施加载荷时，在径向、轴向和环向施加边界约束。把扭矩简化成等价的节点集中力，施加在花键孔小径圆周面的各个节点上;切向载荷Ft是按表面力施加在键槽的侧面上;径向载荷Fr简化成面力施加在非工作面的键槽下表面上。结果表明，这样处理会对近处的应力分布有影响，而对远处或整体的应力分布没有影响。