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基于ABAQUS某齿轮箱轴承端盖优化分析
王奎屠丹红
中船动力研究院有限公司
摘要:对某型柴油机齿轮箱端盖进行结构强度分析时发现,轴承端盖的圆角处产生了较大的应力集中现象。为了改
善该圆角的应力分布,采用多种方案对该处进行改进设计,通过分析得到增加该处的圆角半径能有效地减少该处的应
力集中情况,并研究了不同圆角半径对其应力集中的影响规律,为端盖的优化设计提供了很好的参考。
关键词:轴承端盖;圆角;应力集中;优化设计
0引言
船用低速柴油机通过曲轴齿轮将动力传递到
齿轮箱,通过齿轮箱驱动燃油泵以及伺服油泵等。
针对柴油机滑动轴承安装变形的研究前人做了大量
工作[1,2],另外对滑动轴承端盖的结构安全性应进行
充分考虑[3,4]。
在对某型柴油机齿轮箱滑动轴承的设计中,齿
轮轴与箱体之间的滑动轴承采用铜合金翻边整体轴
套,并采用与传统的轴套冷套安装的不同安装方式,图1齿轮箱端盖位置示意图
解决齿轮箱维修拆装困难的问题,该方法在端盖和针对齿轮箱端盖安装工况的分析,根据圣维南
齿轮箱体之间设定初始间隙,然后通过端盖螺栓的原理,远离齿轮箱端盖的区域对该部分在安装工况
预紧作用来保证齿轮轴轴套能够很好地固定在齿轮下的应力影响很小,选取靠近齿轮箱端盖的区域进
箱上。但由于端盖与机体之间设置了初始间隙值,行建模,并对齿轮箱箱体部分进行简化处理,齿轮
因此在安装过程中会导致滑动轴承端盖圆角处产生箱端盖组件有限元模型如图2所示。
应力集中现象,导致圆角处发生断裂。本文采用通
用有限元分析软件Abaqus/CAE分析了多种优化方
案对圆角应力集中的影响,通过分析得到最优设计
方案,并在此基础上对圆角半径进行了进一步的优
化分析。
1轴承端盖安装工况有限元分析
1.1有限元网格
某柴油机齿轮箱组件如图1所示,齿轮箱接收
从曲轴飞轮传递过来的扭矩,通过中间轮齿轮分别
将动力传递到燃油泵和伺服油泵。齿轮箱端盖布置
在齿轮箱下方,在设计时,为了能保证该处齿轮轴图2齿轮箱端盖有限元模型
套能够准确的固定到齿轮箱上,在齿轮箱端盖与齿有限元模型主要包含齿轮箱端盖、轴套、合金
轮箱箱体之间设计2mm的初始间隙值。在安装过层、螺栓、齿轮箱箱体;其中轴套、合金层和螺栓
程中通过放置测量垫片的方式,保证齿轮箱端盖两采用六面体单元,端盖和齿轮箱箱体采用二阶四面
侧的间隙值相同。体单元,模型包含节点数为465718个,单元数为
334712个。各零部件的材料参数如表1所示。
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表1材料属性
零件牌号
弹性模量
/MPa
泊松比
连接螺
栓
42CrMoA2100000.285
端盖Q235B2100000.3
轴套Q235B2100000.3
箱体Q235B210000.3
图4安装工况下端盖的应力云图合金层ZCuPb10Sn1075800.373
2端盖圆角优化设计
2.1优化方案选取
1.2边界条件
根据经验,圆角区域应力集中可以通过增加卸
对齿轮箱端盖进行有限元模拟,有限元模型要
载凹槽和增大圆角半径等方法改善,本文提出几种
考虑位移边界条件和力边界条件两部分内容。
改进方案如图5所示。位移边界条件:螺栓与箱体螺纹连接处定义绑
方案1:在圆角处增加卸载圆,圆心为两条边定约束,其余各部件之间定义非线性接触关系。端
线的交点,半径大小为该圆心到原始圆角边界处的
盖与箱体之间定义2mm的初始间隙值。
距离,经几何测量的该半径为3.19mm。力边界条件:齿轮箱端盖在安装工况下,施加
方案2:在方案1的基础上将卸载圆的半径改螺栓预紧力,螺栓采用实体单元建模,螺栓与端盖
为4mm,圆心位置不变;之间定义接触关系,在螺栓杆身截面处施加螺栓预
方案3:将方案1的卸载圆向左上方(如图中
紧力作用,螺栓预紧力施加方式如图3。
箭头所示)移动2mm;F
方案4:增加材料,将原来的圆角半径增大为
15mm。
左上方
(a)方案1(b)方案2(c)方案3(d)方案4图3螺栓预紧力施加示意图
图5端盖圆角改进方案
根据VDI2230标准对螺栓预紧力进行计算,计
根据改进方案修改计算模型重新进行计算,圆
算公式如下:
?=?[0.16?+0.58?2??
???
2
??]
角处应力结果如下图所示。可以看出增加卸载圆角
后,在圆角的中间区域仍然有明显的应力集中情况。
并且最大等效应力值都有所增加,各方案对应的最
式中:M为扭矩,F为螺栓预紧力,P为螺距,d2
为分度圆直径,??为螺纹处摩擦系数,Dkm为螺母
有效承载直径,??为螺母承载处摩擦
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