基于ANSYS 技术的蜗杆机械结构优化设计

魏 波

（哈尔滨石油学院机械工程学院，黑龙江哈尔滨 150028）

0 引言

蜗杆传动作为一种常用的传动方式，具有承载性能高、传动平稳、冲击力小等特点，广泛应用于造船、机械等领域。蜗杆传动装置的接触部位具有一定的特殊性，该部位属于复杂曲面，增加了蜗轮蜗杆传动的设计难度。而ANSYS 技术的出现和应用可以很好地解决这一问题。利用ANSYS 技术，可以实现对蜗杆三维模型的构建，并对其传动过程进行有效模拟，为后期开展蜗杆机械优化设计提供重要的依据和参考。结合实际应用，提出一套系统、完善的蜗杆机械优化设计方案。首先，根据有限元分析相关理论知识，从蜗轮蜗杆选择、网格划分、载荷条件3 个方面入手，对蜗轮蜗杆的传动受力进行ANSYS 分析。其次，分别研究蜗杆在不同模数、不同头数、不同压力角下所对应的有限元情况；最后得到蜗杆机械结构优化结果。

1 有限元分析

1.1 产生的背景

对于蜗杆而言，其传动副所对应的接触部分具有一定的特殊性，机械部分整体外观呈现出的曲面比较复杂。在设计蜗杆机械结构时，多个蜗轮蜗杆之间通常含有齿面接触应力、变形、齿根弯曲应力等参数，这些参数的调整和控制均需要采用齿轮计算方法，该计算方法在实际使用中，要对载荷接触线分布情况进行科学假设，并利用赫兹接触理论相关知识，提出相应的推导公式，然后根据空间曲线使用需求，对蜗杆的接触线进行设计，但最终设计效果难以符合实际应用需求，而有限元分析法的出现和应用，可以解决以上问题。有限元分析法采用数学近似法，不仅提高了计算结果的精确度，还能提高蜗杆接触线设计水平，确保所设计的蜗杆接触线符合实际应用需求。

1.2 应用价值

有限元分析软件在具体的运用中，通常会利用数学近似法，以实现对物理系统的真实化、逼真化模拟。在信息技术的不断发展和普及下，通过利用有限元分析方法，可以快速、精确地计算结构工程强度，为后期开展结构工程实施工作提供重要的依据和参考。为了实现对蜗杆机械结构的规范化、标准化设计，保证蜗杆优化效果，设计时要重视对有限元分析方法的运用，并结合ANSYS 技术，完成对蜗杆有限元模型的构建，以达到提高蜗杆机械结构优化设计水平的目的。由此可见，有限元分析方法具有较高的应用价值和应用前景，可以在科学地分析和计算蜗杆传动接触应力方面发挥重要作用。因此，重视对该分析方法的应用是解决蜗杆机械结构优化设计的关键。

2 蜗轮蜗杆传动受力的ANSYS 分析

2.1 蜗杆的选择

工程应用的蜗杆类型较多，但常用的主要以圆柱蜗杆为主，蜗轮与蜗杆作为空间交错传动形式，其空间角为90°（图1）。蜗杆制作所用的材料也具有一定的多样性，为了简化研究过程变，选用传动速度较低的合金钢（40Cr）蜗杆[1]。蜗杆结构如图2 所示，该蜗杆的弹性模量、泊松比和抗剪模量分别为209 GPa、0.29、80 GPa。蜗轮蜗杆传动设计参数见表1。

表1 蜗轮蜗杆传动设计参数

图1 蜗轮蜗杆传动示意

图2 蜗杆结构

2.2 网格划分

对蜗杆选择四面体结构的单元类型进行网格划分，选择的网格尺寸为1 mm（图3）。

图3 蜗杆网格划分

2.3 载荷条件的施加

对该蜗杆进行受力分析，在施加载荷前，选择蜗杆的两个端面进行一定约束[2]，然后再对其施加载荷。在进行静应力分析的过程中，施加的载荷为3 500 N（图4）。

图4 蜗杆施加载荷

3 蜗轮蜗杆传动受力的有

限元分析

3.1 不同模数蜗杆的有限元分析

将蜗杆的头数、压力角分别设置为2、20°，取不同模数时对蜗杆进行有限元分析。当模数设置为2 时，蜗杆所承受的最大应力和最大应变分别为118.62 MPa、0.000 568 97；当模数设置为2.5 时，蜗杆所承受的最大应力和最大应变分别为73.152 MPa、0.000 350 63[3]；当模数设置为4 时，蜗杆所承受的最大应力和最大应变分别为735.413 MPa、0.000 171 04。由此得出，当模数设置为2 时，蜗杆所承受的静应力和应变达到最大值。

3.2 不同头数蜗杆的有限元分析

将蜗杆的模数、压力角分别设置为2、20°，取不同头数时对蜗杆进行有限元分析。当头数设置为1 时，蜗杆所承受的最大应力和最大应变分别为75.597 MPa、0.000 373 83；当头数设置为2 时，蜗杆所承受的最大应力和最大应变分别为7181.62 MPa、0.000 568 97；当头数设置为4 时，蜗杆所承受的最大应力和最大应变分别为149.29 MPa、0.000 718 90。由此得出，当头数设置为4 时，蜗杆所承受的的静应力和应变达到最大值[4]。

3.3 不同压力角蜗杆的有限元分析

将蜗杆的模数、头数分别设置为2、2，在不同压力角下进行有限元分析。当压力角设置为15°时，蜗杆所承受的最大应力和最大应变分别为114.05 MPa、0.000 553 33；当压力角设置为20°时，蜗杆所承受的的静应力和应变达到最大值[5]。

4 优化结果与分析

通过利用ANSYS 软件，全面分析蜗杆在不同模数、头数、压力角下所对应的有限元情况，得出以下优化结果：当模数为2时，蜗杆所对应的静应力达到114.05 MPa；当头数达到4 时，蜗杆对应的静应力达到149.29 MPa；当压力角达到20°的标准角时，蜗杆对应的静应力达到118.62 MPa。由此得出，当蜗杆模数足够小、头数足够大、压力角达到20°时，蜗杆所受到的静应力最小[6-8]。因此，设计时要在综合考虑ANSYS 最终优化结果以及相关传动参数设置的基础上，将蜗杆的模数、头数和压力角分别设置为2、4、20°，仿真结果如图5 所示，可以看出，蜗杆所承受的最大应力和最大应变分别为149.57 MPa、0.000 729。

图5 优化后蜗杆应力、应变云图

5 结语

为全面了解和把握蜗杆应力应变情况，基于ANSYS 技术，提出一套行之有效的蜗杆机械结构优化设计的方案。利用该方案得到以下结论：①模数与蜗杆接触应力之间存在正相关关系，后者会随着前者的增加呈现出不断增加的趋势，为了降低蜗杆的接触应力，应尽可能降低模数；②头数与蜗杆接触应力之间存在反相关关系，后者会随着前者的增加呈现出不断下降的趋势，为了降低蜗杆接触应力，应优先选用较大的头数；③当压力角设置为20°这一标准度时，蜗杆所对应的接触应力达到最小值，因此应优先选用标准压力角。