基于Pro_MECHANICA的某传动轴的优化设计

任昭

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

轴类零件在机械行业中用途广泛，主要起着支撑零部件、承受载荷、传递扭矩的作用。轴的种类和结构多种多样，承受的载荷不同，其所受应力也不一样。轴类零件的载荷计算是设计阶段的主要设计内容，传统的轴类零件载荷一般通过机械设计手册等行业规范来计算，过程复杂，耗费时间。随着CAD/CAM技术的发展，出现了各种机械辅助设计软件如PROE、UG、ANSYS等，由于这些软件的功能包括三维建模、工程分析、模拟仿真、辅助制造等，采用计算机辅助设计软件可以节约时间、成本、物力、财力，在不少企业中，传统的人工设计计算方法逐渐被计算机软件所代替。在众多机械设计辅助软件中，Pro/Engineer5．0软件集CAD/CAM/CAE一体化，实现建模、分析、仿真的无缝衔接，本文利用Pro/E中的有限元分析模块对某二级减速器的传动轴进行有限元静态分析及优化设计。

1 三维建模

根据某二级减速器的参数拟定输入轴的各段轴径和长度，如图1和表1。

图1 传动轴结构布置

表1 传动轴各轴段参数

其中，I-II段与VI-VIII段安装轴承，相当于固定支撑，III-IV段与V-VI段需要安装齿轮1和齿轮2，同轴度要求为0．01mm，承受径向力Fr和圆周力Ft，经计算得Fr1=603N，Fr2=1418N。由Ft产生的扭矩T=394 N·m。由此在Pro/E5．0中进行1：1比例建模，如图2。

图2 传动轴的三维模型

2 有限元静态分析

2.1 设定材料及属性

从Pro/E5．0软件中直接可进入Mechanical有限元分析模块，由于传动轴的材料是45钢，故选择steel，将密度设为7．81g/cm3，应力应变响应为线性，泊松比为0．27，杨氏模量为210GPa，失效准则设定为von Mises，最后将拉伸屈服应力设为355MPa，许用应力为237MPa。

2.2 添加载荷与约束

首先对整个轴施加重力载荷，即Y方向加速度设置为9．18m/s2。然后将I-II段与VI-VIII段自由度设置为0，使其固定，在III-IV段和V-VI段施加沿重力方向的Fr1和Fr2，绕轴线的扭矩T。

2.3 划分网格

在划分网格模块中，默认的自动划分方法划分出来的四面体比较大，经在AutoGEM环境下不断尝试相关参数大小，为将网格的元素类型选为三角形、四面体，将三维模型中的最大边和最大角设为150，最大长宽比设为10，最大边翻转度设为30。

2.4 静态分析

图3 有限元静态分析结果

3 优化设计

出于节约材料的考虑，优化目标为该传动轴的质量最小，限制条件为轴的整体位移小于等于0．01mm，可变尺寸为齿轮2所在的轴段直径，其轴径是40mm，可变范围是30～50mm。经迭代优化分析，当轴径为46．65mm时，可以使轴的最大位移为0．01mm，其结果如图4。

图4 优化后的轴最大位移

4 结语

本文通过用Pro/E中的Mechanical模块对某传动轴进行强度、刚度校核，在有限元静态分析结果的基础上对受力较大的轴段进行轴径优化分析，并得到满足条件的最优轴径，对比传统的机械设计流程，提高了机械设计效率，节约了生产成本。