小模数齿轮减速器结构设计仿真分析

任宏喜 冯雪 陈永红

【摘  要】针对小模数三级齿轮减速器的结构设计，首先利用UG建立减速器三维的实体单元模型，然后利用ANSYS Workbench软件对该减速器结构进行静力分析，并依据仿真结果进行方案优化。从而在满足设计指标的前提下，提高工作效率并延长减速器使用寿命。

【关键词】小模数;减速器;仿真分析;设计优化

引言

舵机系统属于典型的伺服控制系统，应用于飞行器制导控制系统，通过电机的动力输入，经过减速增力机构，控制舵面的转角，从而控制整个武器系统的飞行姿态，最终达到精确制导的目的[1]。随着新一轮技术的革新，减速器向着高精度、高速度、小型化方向发展，所以执行机构可占据的空间越来越小，其中，驱动力矩与舵机在飞行过程中产生的阻力力矩是设计过程中需要特别考虑的因素。这就给传动机构的传动精度、行程、质量以及体积等重要指标提出更高的要求。

减速器作为舵机系统重要的组成部件之一，本课题在进行减速器设计时，减速器设计为三级减速，电机与减速箱之间的安装方式为螺钉固定式结构，减速器外形结构尺寸长为56mm，宽30mm，高24mm;通过设置一对锥齿轮传动，实现了动力方向的转变;减速比为54，整个结构较为紧凑，传动较为平稳;减速器能够合理利用空间，外形结构尺寸较小。齿轮减速器的设计可以通过有限元仿真分析[2]进行设计优化。

1.减速器结构仿真分析

齒轮初始设计从电机的输入端，依次命名为齿轮轴1、2、3，齿轮轴2为中间传递齿轮，大齿轮为动力输出端，所有齿轮模数为0.2，减速比分别为3、4、4.5。

针对减速器初始设计方案进行仿真分析，输出端最大力矩1.5N·m，对齿轮轴3施加1.5N·m的力矩，经过仿真计算，最大应力为979.61MPa。从仿真结果分析，齿轮长时间工作状态下不能够承受1.5N·m的扭矩，结构应力会大于600MPa。齿轮处于超载工作状态使用，产品短时间工作无明显影响，但是经过长时间的应用，齿轮极度磨损，齿轮的可靠性会大大降低，因此要在现有结构基础上，对齿轮进行结构强度优化。

基于现有结构的限制，在空间允许的范围内，选择增加齿（宽）的齿轮，提高结构的强度。由最初的1.5mm增加到3mm，如图1所示，再次进行仿真分析。

通过有限元仿真分析结果，如图2所示，在输出端施加1.5N·m的扭矩时，得到齿轮轴2、3接触之间的最大应力为596.9MPa，小于600MPa。与未增加齿厚时相比较，在施加1.5N·m时，最大应力集中点达到979.61MPa，大于600MPa，通过设计方案前后对比，减速器齿轮结构性能得到较大提升。

2.总结

本文通过小模数齿轮进行有限元分析，并针对仿真结构进一步优化，通过齿宽增加，提高了齿轮的耐磨强度，满足长时间内1.5N·m的使用要求，齿面接触应力小于600MPa，可以在短时间内达到2.0N·m的力矩指标。齿轮长时间超载使用，会严重影响寿命，设计过程中，可以通过仿真方法进行优化。小模数齿轮在精密产品工程设计中经常会用到，但是有限元仿真分析并不能代表结构的真实变形和位移，只能帮助了解结构的变化趋势，从而避免工程中的结构问题。

参考文献

[1] 张远平，王生.飞艇电动舵机的研究与仿真分析[J].计算机仿真，2011（04）.

[2] 杨金堂，张珂，全芳成，许海.基于ANSYS的减速机齿轮有限元分析[J].武汉科技大学学报，2014（04）.