【毕业设计】重载齿轮箱体结构有限元分析及改进毕业设计说明书

齿轮箱的用途加速减速，就是常说的变速齿轮箱。

改变传动方向，例如我们用两个扇形齿轮可以将力垂直传递到另个转动轴。

改变转动力矩同等功率条件下，速度转的越快的齿轮，轴所受的力矩越小，反之越大。

离合功能我们可以通过分开两个原本啮合的齿轮，达到把发动机与负载分开的目的。

比如刹车离合器等。

分配动力，例如我们可用台发动机，通过齿轮箱主轴带动多个从轴从而实现台发动机带动多个负载的功能。

齿轮箱在受到外界激励时无法避免地产生振动，箱体要承受各种载荷并产生应力和变形，齿轮箱是机组变速能量传递的关键部件，也是故障发生率最高的部件，其运行的稳定性会影响到整机性能，恶劣环境下，更换率甚至会达到。

因此，开展大功率齿轮箱静力分析与优化减重设计模态分析与控制齿轮箱系统的振动与噪声己成为重要的研究课题。

课题来源及选题的目的和意义课题来源本课题来源于南京高速齿轮厂，齿轮箱体是根据市场需求开发研制的产品，适用舰船等重载运输工具。

要求我们运用有限元分析技术，对齿轮箱体进行结构分析并给出优化方案。

通过本课题的研究，为提高该产品的性能，质量和寿命，降低产品成本提供科学计算分析的依据，增强其产品在市场的竞争力。

选题的目的和意义目前，我国齿轮箱行业的产品质量产品设计工艺开发制造装备和检测试验等综合技术水平相当于发达国家上世纪九十年代中后期水平，落后十到十五年。

方面，中低端产品产能过剩，同质化恶性竞争另方面，高端产品能力不足，汽车工程机械高铁煤机和大型农机等的高端齿轮传动装置包括行星传动大量依赖进口，且进出口逆差逐年加大。

国外对齿轮箱的可靠性非常重视，但仍然有重载齿轮箱体结构有限元分析及改进设计如此大比例的实效。

而在国内，由于缺乏技术等相关积累，齿轮箱在运行年年后，失效率较国外水平高出倍。

高昂的故障处理费用使业主整机厂家齿轮箱厂家苦不堪言。

如何提高齿轮箱全寿命周期收益，提升行业整体盈利水平，已成为行业内的重要课题。

随着目前行业成本压力的不断增大，最大变形为。

三方案中的应力与应变均远小于许用应力和许用变形。

相比较原方案，虽然应力与应变有了些增加，但是，减轻了箱体的质量，方案减少了，方案二减少了，方案三减少了。

方案三是在应重载齿轮箱体结构有限元分析及改进设计力与应变满足要求的前提下，继续较少齿轮箱体的材料，以减少质量，同时应力集中向下箱体扩散，减小了上箱体的应力集中，使应力场趋于均匀。

综合考虑后选取方案三。

本章小结采用有限元法，建立齿轮箱体有限元静力学模型得到齿轮箱的应力与应变情况，在此基础上，依据结果对原齿轮箱体进行优化分析。

在满足箱体强度并保障箱体变形较小的前提下，减薄箱体的厚度减薄上下箱体两侧筋板厚度，减轻了齿轮箱体的重量，并释放箱体的应力集中，均衡应力场，是箱体更加合理，具有重要的理论意义和工程实用价值。

重载齿轮箱体结构有限元分析及改进设计第五章齿轮箱体的模态分析齿轮箱体本身的振动以及有轴系传来的齿轮的振动都是产生船舰辐射噪声的主要来源。

且在齿轮啮合传动中，当齿轮存在集中缺陷分布缺陷或齿轮所在轴弯曲时，将产生不良影响。

如果轴严重弯曲或齿轮严重故障导致振动能量异常大时，齿轮啮合传动中的异常振动会激励起传动箱体的固有频率。

因此，准确识别齿轮箱的振动模态及其特点具有重要的现实意义。

通过对齿轮箱体进行模态分析得到固有频率和振型，了解该结构的模态特征和动态特征，为结构的设计和改进提供了理论依据和基础。

模态分析的概述模态分析是研究结构动力特性的种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域的应用。

模态是机械结构的固有振型特性，每个模态具有特定的固有频率阻尼比和模态振型。

这些模态参数可以由计算机或试验分析取得，这样个计算或实验分析过程成为模态分析。

所谓模态分析，就是确定设计结构或机械零部件的振动特性，得到结构的固有频率和振型的过程，它是动态设计的核心。

采用有限元分析软件对齿轮箱体进行模态分析，对齿轮箱体的有限元模态的求解，般不必求出振动系统全部的固有频率和振型，而只需要求出前面几阶低阶模态即可，该分析提取了箱体的前阶模态，可以确定结构的固有频率和振型，从而指导产品设计，避免外力频率和结构固有频率相同，以防止共振现象。

模态分析的步骤如图所示建模几何建模定义材料特性划分网格施加载荷并求解指定分析类型施加约束固有频率求解扩展模态后处理结果处理振型图显示重载齿轮箱体结构有限元分析及改进设计约束模态分析在实际工作状态中，齿轮箱体底部是固定不动的，为模拟真实的约束状态，建立有限元模型后，在箱体底座施加固定约束，然后点击下的选项，设置分析频率的阶数为，然后点击求解，得齿轮箱体约束状态下前阶固有振动频率和振型模态图。

具体各阶频率如下表表约束模态分析结果模态阶数固有频率振型上半部绕着轴方向前后摆动上半部分部分沿轴向外扩张前后壁沿着轴扭动上箱体顶部突起上箱体顶部凹凸变形上箱体沿轴左右扭动上箱体沿轴前后摆动上箱体顶部扩展变形左右两侧绕轴摆动，变形范围较大上箱体顶部突起变形重载齿轮箱体结构有限元分析及改进设计图阶模态振型云图图二阶模态振型云图重载齿轮箱体结构有限元分析及改进设计图三阶模态振型云图图四阶模态振型云图重载齿轮箱体结构有限元分析及改进设计图五阶模态振型云图图六阶模态振型云图重载齿轮箱体结构有限元分析及改进设计图七阶模态振型云图图八阶模态振型云图重载齿轮箱体结构有限元分析及改进设计图九阶模态振型云图图十阶模态振型云图振型如图到图，箱体的振型包括扭转弯曲弯扭组合等，下面对齿重载齿轮箱体结构有限元分析及改进设计轮箱体的前几阶模态进行分析发现第三阶变形最小，第十阶变形最大。

自由模态分析由于齿轮箱体在前六阶表现为刚性模态，所以其前六阶频率为，其振型如图到图所示图七阶模态振型云图重载齿轮箱体结构有限元分析及改进设计图八阶模态振型云图图九阶模态振型云图重载齿轮箱体结构有限元分析及改进设计图十阶模态振型云图具体各阶频率如下表表自由模态分析结果模态阶数固有频率振型沿轴内外扩张绕轴扭转沿轴前后扭动上箱体顶部凹凸变形通过箱体振型云图可以看出，变形较大的部位主要是箱体的顶部变形，箱壁前后移动，左右两侧中间部分扰轴扭振。

由此，增加箱体顶部的厚度前后壁增设加强筋和增加上下箱体的连接部分的厚度。

对齿轮箱体进行模态分析，为箱体的优化设计和动态响应分析提供了依据。

重载齿轮箱体结构有限元分析及改进设计本章小结本章主要讲述应用有限元软件对齿轮箱体进行建模和求解，解析其固有频率以及对应的振型。

当设计的工作频率接近其中阶振型的时候就需要在设计时对可能出现破坏的部位采取应对措施。

如齿轮箱中齿轮的啮合频率及工作频率要避开箱体各阶固有频率，以免在运行期间发生机械共振，造成整机故障，并带来定的经济损失。

重载齿轮箱体结构有限元分析及改进设计第六章总结与展望本文以齿轮箱为例，主要是利用有限元计算方法和软件，对齿轮箱体进行结构分析和优化计算。

验证结果表明使用软件对齿轮箱体进行结构改进取得了良好的效果。

具体的研究内容和优化成果具体如下利用软件建立齿轮箱三维模型将三维模型导入软件中，并进行网格划分，添加约束和施加载荷。

对箱体进行静态分析，根据应力图及位移图分析箱体的应力状况。

对箱体进行第次优化，将底部减薄，再次分析验证。

对箱体进行第二次优化，将齿轮孔厚度减薄，并检验。

对箱体进行第三次优化，去除不必要的加强筋，并检验。

三次优化共节省了材料，达到了降低成本的目的。

对优化后的箱体进行自由模态和约束模态的分析，确定结构的固有频率和振型，从而指导产品设计，避免外力频率和结构固有频率相同，以防止共振现象。

展望我们所做的只是齿轮箱的静力学分析，不能完全反应齿轮箱在工作情况下的应力变形变化情况。

为了更好的反应在各种情况下箱体是否符合安全性要求，我们还应对箱体工作过程进行静态动态模态谐响应，变形预补偿设计分析，这些进步的分析，能更好的保证箱体的安全性可靠性，得出更完整的准确的分析结论。

这些工作将是我以后毕业后岗位上分析的重点。

重载齿轮箱体结构有限元分析及改进设计致谢踉踉跄跄地忙碌了两个月，我的毕业设计课题也终将告段落，但由于能力和时间的关系，总是觉得有很多不尽人意的地方，其实做件事情，最重要的不是最终的结果，可贵的是过程中的收获。

毕业设计，也许是我大学生涯交上的最后个作业了。

想籍次机会感谢四年以来给我帮助的所有老师同学，你们的友谊是我人生的财富，是我生命中不可或缺的部分。

我的毕业指导老师郑翔教授，虽然我们是在开始毕设时才认识，但她却能以位长辈的风范来容谅我的无知和冲动，给我不厌其烦的指导。

在此，特向她道声谢谢。

大学生活即将匆匆忙忙地过去，但我却能无悔地说我曾经来过。

大学四年，但它给我的影响却不能用时间来衡量，这四年以来，经历过的所有事，所有人，都将是我以后生活回味的部分，是我为人处事的指南针。

就要离开学校，走上工作的岗位了，这是我人生历程的又个起点，在这里祝福大学里跟我风雨同舟的朋友们，路走好，未来总会是绚烂缤纷。

重载齿轮箱体结构有限元分析及改进设计参考文献王佳基于模态分析和信息嫡的齿轮箱故障诊断研究硕士研究生论文，杨成云，林腾蛟，李润方，等中心传动齿轮箱体有限元分析及结构优化设计重型机械，刘俊大型风电机组齿轮箱故障诊断系统研究硕士研究生论文，汪友祥，刘立钊单轮式耕整机齿轮传动箱的整体优化设计湖南农业大学学报自然科学版姚小芹行星齿轮传动失效的统计研究减少失效的可能性，卞文状风电机组振动监测系统对齿轮箱故障的检测与诊断风能郭丹基于丫有限元的拱坝智能优化设计研究工学硕士学位论文，张晋红，吴风林，有限元法及其应用现状综述李冰，王蕴，任连勇有限元法的发展与应用白城师范学院机械工程学院，吉林白城部队，辽宁普兰店李静基于