夏 平

（上海海事大學(xué)，中國 上海200135）

0 概述

由于銷齒的齒輪是圓銷，與一般齒輪相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、造價(jià)低、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)，故以其代替尺寸較大的漸開線齒輪時(shí)，有較大的優(yōu)越性。特別是個(gè)別銷齒損壞時(shí)，只需個(gè)別更換，不致整個(gè)銷齒輪報(bào)廢銷齒傳動(dòng)適用于低速、重載機(jī)械傳動(dòng)和粉塵多、潤滑條件差等工作環(huán)境較惡劣的場合。其傳動(dòng)效率在無潤滑時(shí)為90%-93%，有潤滑時(shí)為93%-95%。

對(duì)于銷齒條傳動(dòng)過程中銷軸的彎曲強(qiáng)度分析仍然是基于傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論和假設(shè)的計(jì)算方法，有待進(jìn)一步的深入研究。

本文在此基礎(chǔ)上， 以4200t/h 的裝船機(jī)的臂架伸縮機(jī)構(gòu)中銷齒條傳動(dòng)為例，利用有限元軟件ANSYS10.0，對(duì)傳動(dòng)過程中的銷軸和彎曲應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，得出了彎曲應(yīng)力的分布圖，為銷齒條的精確設(shè)計(jì)提供了相關(guān)有益的數(shù)據(jù)分析。

圖1 為銷齒條傳動(dòng)的示意圖。

圖1 銷齒條傳動(dòng)示意圖

圖2 裝船機(jī)銷齒傳動(dòng)設(shè)計(jì)圖

1 基于傳統(tǒng)強(qiáng)度理論驗(yàn)算銷軸強(qiáng)度

由銷軸的設(shè)計(jì)示意圖中分析，可以將銷軸看成是一個(gè)一段支撐長度為230mm，中間為165mm 的均布載荷的簡支梁

對(duì)于銷軸分別從彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力來驗(yàn)算強(qiáng)度。

1.1 銷軸彎曲強(qiáng)度計(jì)算

Ft——傳遞圓周力，N;

dp——銷軸直徑，mm;

L——銷齒計(jì)算長度，mm;

b——齒輪寬度，mm；

Ft＝168631.5N，dp＝81mm，L＝199mm，b＝165mm

已知銷軸材料為42CrMo，調(diào)質(zhì)硬度為HB220～240，查表得：[σF]lim＝380MPa 得σF≤[σF]lim∵Q 滿足要求。

1.2 銷軸剪切強(qiáng)度

Q——最大剪力值，N；

d——銷軸直徑，mm；

Q＝60×103×9.8×cos55°＝337262.9N

d＝81mm;

已知銷軸材料為42CrMo，調(diào)質(zhì)硬度為HB220～240，查表得:[τ]lim＝400MPa

得τmax≤[τ]lim，∵Q 滿足要求。

從計(jì)算結(jié)果中可以看出銷軸最大剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用值，彎曲應(yīng)力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用彎曲應(yīng)力， 但是由于銷軸的簡化計(jì)算非常的保守，在實(shí)際的受力過程中，銷軸中心上的齒輪和銷軸本身是面接觸的形式而不是這里計(jì)算所假設(shè)的線接觸的形式。

2 基于有限元分析軟件Ansys 銷軸的強(qiáng)度

（1）銷齒條中銷軸的材料為42CrMo，調(diào)質(zhì)硬度HB220-240，直徑為?81，齒距P＝157.068，銷軸長度為L＝190,密度為7.85×103kg/m3，泊松比0.3。 根據(jù)布氏硬度與彈性模量的關(guān)系式：（GPa）,彈性模量E＝207（GPa）

（2）銷軸模型接觸計(jì)算建立

根據(jù)圖2 所示，銷軸兩端固定在槽鋼上，在進(jìn)行ANSYS 有限元計(jì)算中，采用SOLID185 實(shí)體有限元單元進(jìn)行建模。 銷軸中心齒輪接觸處進(jìn)行半圓弧面加載并使得最終在切向產(chǎn)生合力Ft=168631.5N 的合力，同時(shí)考慮到銷軸兩端在槽鋼上的連接實(shí)際并非固接，有限元計(jì)算中采用接觸單元來模擬這里的連接形式， 并在接觸端外側(cè)進(jìn)行UX、UY、UZ 三方向的約束。

（3）銷軸ANSYS 接觸計(jì)算應(yīng)力結(jié)果

經(jīng)過ANSYS 計(jì)算后得到銷軸的Von Mises 應(yīng)力結(jié)果如圖3 所示。從圖3 的應(yīng)力顯示中可以發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力為108MPa，通過傳統(tǒng)強(qiáng)度理論得出的彎曲強(qiáng)度為92.4MPa, 比ANSYS 中計(jì)算結(jié)果小14.4%，可見傳統(tǒng)強(qiáng)度計(jì)算偏于保守。

圖3 銷軸應(yīng)力分布圖

3 結(jié)論

（1）用ANSYS 對(duì)銷齒條傳動(dòng)接觸問題進(jìn)行分析，能設(shè)置銷齒條工作時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)，且計(jì)算精度較傳統(tǒng)理論公式計(jì)算要高。

（2）為銷齒條傳動(dòng)中銷軸的設(shè)計(jì)和制造提供了相關(guān)的參考，為銷齒條傳動(dòng)中優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)提供了又一途徑。

［1］F.E.M 標(biāo)準(zhǔn) 歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范[S].1998 年修訂版.潘鐘林，譯.上海振華港口機(jī)械公司譯從,1998.

［2］陳瑋璋，主編.起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)[M].北京：人民交通出版社，1986，1.

［3］美國ANSYS 公司.ANSYS 使用手冊(cè)[Z].2000，2.

［4］中國金屬學(xué)會(huì),中國有色金屬學(xué)會(huì)編.金屬材料物理性能手冊(cè)(第一冊(cè)):金屬物理性能及測試方法[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1987.