单级齿轮减速器箱体振动特性分析

为研究单级齿轮减速器箱体的动静态特性，避免产生共振。建立了齿轮箱箱体的三维模型，利用ANSYS Workbench软件进行静力学分析和模态分析。通过计算得到箱体的最大应力、最大变形分布云图、固有频率以及相应振型。在模态分析的基础上，对减速器箱体进行谐响应分析，得到位移与频率响应曲线。结果表明：箱体强度在许用范围之内，箱体输出轴轴承孔部位为受力薄弱部位，易发生共振的激励频率为1297.7 Hz。以上工作为减速器的结构优化设计、振动问题的研究分析带来了新的见解。

齿轮减速器在工业生产制造中应用广泛，具有传动效率高等特点，箱体是齿轮箱重要的组成部分， 其内部结构复杂。箱体在传动过程中受到啮合冲击和外部载荷时，很容易产生振动和变形，这种振动会加剧齿轮的磨损以及产生很大的噪声，一定程度上对齿轮箱的寿命有影响[1]。因此，在设计箱体时有必要对其进行有限元分析，从而避免激励频率接近箱体的固有频率，使其发生共振。大量学者对减速器箱体进行了深入的研究，王鑫兴等[2]对搅拌车减速器箱体采用变密度法进行拓扑优化以完成轻量化设计， 并对优化后的箱体进行仿真分析和试车实验，结果表明箱体整体性能有所提升。张楠等[3]在减速器箱体轴承座孔处施加动态激励进行分析得到动刚度频响曲线， 并进行拓扑优化改进了危险频率下的箱体结构。

刘五合等[4]研究了基于声学超材料下的减速器箱体振动噪声问题，分别通过缩比模型和实验共同验证了超材料方案的有效性。王文龙等[5]建立齿轮减速器的刚柔耦合动力学模型并分析其共振频率特点，通过齿轮修形改善了其振动噪声问题，并通过仿真和实测验证了方案的合理性。何鹏辉等[6]对压裂泵减速器箱体进行仿真分析并结构优化，所设计的箱体的综合应力和变形量均满足使用要求。

本文通过建立单级圆柱齿轮减速器箱体的有限元模型， 利用ANSYS Workbench 分析软件对减速器箱体的模态和振动特性进行了计算，得到了齿轮箱的前6 阶模态以及应力分布云图和变形分布云图。同时在模态分析的基础上，对齿轮箱箱体进行了谐响应分析，得到了齿轮箱体在不同方向，不同位置的位移与频率响应曲线。基于以上分析，箱体的强度在许可范围之内，同时为箱体的可靠性和减振提供理论依据。

2. 减速器箱体静力学分析 2.1. 静力学分析简介 静力学主要是在固定载荷作用的情况下去分析其结构的变化，系统的惯性、阻尼和与时间相关的量等因素对系统的影响可以不考虑[7]，其公式为： [ ]{ }{ }  KXF= (1) 该公式中，[ ]K 为系统刚度矩阵，{ }X 是位移矢量，{ }F 则是力矢量。

2.2. 静力学分析前的准备工作 在进行有限元分析之前，首先建立减速器箱体的三维模型，单级圆柱齿轮减速器箱体采用上下箱体结构， 分为箱盖、箱座两个部分。

为了方便操作， 通过布尔计算将上下箱体结构变为一个整体， 其圆角、倒角等结构因为会影响到受力情况得以保留。如图1 所示，是使用三维软件建立的减速器箱体三维结构