王 敏，蘇振馳，萬(wàn)長(zhǎng)東

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州215104）

蝸桿傳動(dòng)由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比高、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用[1]。目前蝸輪蝸桿建模一般有兩種方法：①通過(guò)Creo 或Solidworks 等軟件的齒輪工具箱自動(dòng)生成，此方法生成的模型在裝配時(shí)會(huì)發(fā)生未嚙合現(xiàn)象；②利用KiSSsoft 等齒輪生成器生成，建模精度高，操作簡(jiǎn)便，直接輸入?yún)?shù)即可生成模型[2]。但局限性強(qiáng)，后期對(duì)模型的操作不便。但是，實(shí)際的蝸輪蝸桿產(chǎn)品通常有一些獨(dú)特的技術(shù)特征，此時(shí)用這些工具設(shè)計(jì)有困難[3]。因此，本文利用CATIA軟件對(duì)礦用閥門執(zhí)行器減速箱二級(jí)蝸輪蝸桿進(jìn)行精確建模，能有效提高設(shè)計(jì)效率，并用于各類有限元仿真分析。

1 幾何建模

某礦用閥門執(zhí)行器減速箱二級(jí)蝸輪蝸桿原始數(shù)據(jù)來(lái)源于企業(yè)，如表1 所示。

1.1 建立蝸輪蝸桿參數(shù)

根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算出蝸輪蝸桿各個(gè)尺寸數(shù)據(jù)，如表2 所示，并將表2 數(shù)據(jù)輸入CATIA 中。

表1 原始數(shù)據(jù)表

1.2 建立蝸桿幾何模型

蝸桿的建模主要利用CATIA 的螺旋掃描功能。首先繪制蝸桿在其軸向剖面內(nèi)的齒廓，圓柱蝸桿的種類不同，其軸向剖面的齒廓也不同。然后畫(huà)出蝸桿螺旋線，蝸桿頭數(shù)與螺旋線的個(gè)數(shù)相同，螺旋線半徑與蝸桿齒根圓半徑相同，蝸桿螺旋線的起點(diǎn)需與軸向剖面的齒廓相交。蝸桿齒面掃描完成后，可繼續(xù)根據(jù)實(shí)際參數(shù)添加倒角、鍵槽等特征，蝸桿模型如圖1 所示。

表2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表[4]

1.3 建立蝸輪幾何模型

蝸輪的建模主要利用CATIA 強(qiáng)大的DMU 仿真模塊，將蝸桿作為滾刀，模擬出滾刀切削蝸輪的過(guò)程，提取運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)數(shù)據(jù)，處理生成運(yùn)動(dòng)的包絡(luò)線，如圖2 所示。根據(jù)這些包絡(luò)線構(gòu)造蝸輪的齒面，可得到與蝸桿完全嚙合的蝸輪，如圖3 所示。

1.4 裝配與運(yùn)動(dòng)仿真

進(jìn)入“裝配設(shè)計(jì)”模塊，導(dǎo)入蝸輪蝸桿模型文件進(jìn)行裝配，根據(jù)裝配關(guān)系進(jìn)行約束，然后選擇“碰撞”命令，檢查蝸輪蝸桿之間有無(wú)發(fā)生干涉，結(jié)果顯示沒(méi)有發(fā)生干涉。再用測(cè)量工具檢測(cè)嚙合面之間的間隙，嚙合部位最大總間隙值為0.017 mm，滿足裝配要求。將生成的蝸桿和蝸輪導(dǎo)入CATIA裝配模塊里進(jìn)行裝配，得到蝸桿副如圖4 所示。進(jìn)入“DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)”模塊，創(chuàng)建連接副，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，沒(méi)有檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)干涉。

圖1 蝸桿模型

圖2 蝸桿運(yùn)動(dòng)包絡(luò)線

圖3 蝸輪

圖4 蝸桿副

2 ANSYS 有限元仿真分析

2.1 有限元模型建立

建立蝸輪蝸桿裝配體，導(dǎo)入ANSYS Workbench 的“靜力學(xué)分析（Static Structural）”模塊中進(jìn)行處理。材料屬性如表3 所示。按照表3 在前處理中輸入材料屬性。

表3 材料屬性

給蝸桿一端施加5°轉(zhuǎn)角，蝸輪施加32.68 N·m 逆阻力矩。采用四面體實(shí)體單元對(duì)蝸輪蝸桿進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，總單元數(shù)為937 282。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

嚙合時(shí)刻蝸桿的應(yīng)力分布情況如圖5 所示，最大應(yīng)力為104.415 MPa。嚙合時(shí)刻蝸輪的應(yīng)力分布情況如圖6 所示，最大應(yīng)力為208.83 MPa。

圖5 蝸桿應(yīng)力分布

圖6 蝸輪應(yīng)力分布

2.2.2 結(jié)構(gòu)接觸強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

蝸輪蝸桿的接觸應(yīng)力分布如圖7 所示，最大接觸應(yīng)力為241.36 MPa。

圖7 蝸輪蝸桿接觸應(yīng)力

經(jīng)分析，蝸輪最大應(yīng)力值為208.83 MPa，蝸桿最大應(yīng)力值為104.415 MPa，均產(chǎn)生在齒根過(guò)渡圓角處，均沒(méi)有超過(guò)其材料屈服強(qiáng)度，在安全范圍內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求。

綜上所述，基于CATIA 的滾刀加工蝸輪建立的模型可用于有限元仿真分析，且結(jié)果表明所選參數(shù)下的蝸輪蝸桿最大應(yīng)力滿足材料強(qiáng)度要求，可用于實(shí)驗(yàn)參考，減少時(shí)間及試驗(yàn)費(fèi)用，獲得更接近實(shí)際的分析數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹利用CATIA 軟件對(duì)某礦用閥門執(zhí)行器減速箱中二級(jí)蝸輪蝸桿進(jìn)行精確建模，并在ANSYS Workbench 中進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲得蝸輪蝸桿在極限工況下的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，驗(yàn)證其可行性。

通過(guò)本文所述的建模方法創(chuàng)建的模型有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①模型可被反復(fù)編輯修改，零件特征數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，而齒輪生成器生成的齒輪不具備此優(yōu)勢(shì)。②CATIA 參數(shù)化建模方法較為靈活、方便，適用性強(qiáng)。將CATIA 與ANSYS Workbench進(jìn)行連接后，不需要接口轉(zhuǎn)換，設(shè)定參數(shù)值范圍，可直接在ANSYS Workbench 中對(duì)模型進(jìn)行裝配或作一些特征修改，減少前處理時(shí)間以及零碎時(shí)間，提高效率。