基于有限元法的齿轮齿条式摆动液压缸的强度分析

张鸿鹄，陈磊，任国庆

(扬州市江都永坚有限公司，江苏 扬州225200)

    针对某液压缸厂齿轮齿条式摆动液压缸的安全问题，采用有限元软件对齿轮齿条的强度问题进行计算分析。三维建模后导入有限元软件ANSYS Workbench，以Static Structure模块计算啮合接触区域的应力分布和变形情况，针对计算结果对摆动液压缸可能出现的故障进行预测并寻找解决措施，为齿轮齿条式摆动液压缸的进一步优化提供了可靠、高效的理论支持。  齿轮齿条式摆动液压缸的原理是将液压缸的往复运动通过齿条带动齿轮，转化为齿轮轴的正反向摆动旋转［1］，同时将往复缸的推力转化成齿轮轴的输出扭矩［2］。齿轮齿条式摆动液压缸可以在较低的转速下产生很大的扭矩，因此它是压力转变为扭矩非常合理的装置，并且由于结构简单、加工制造相对容易，获得了非常广泛的应用［3］。

    在齿轮齿条式摆动液压缸的工作过程中，为了保证运动的平稳性和连贯性，要求前一对轮齿未脱离啮合时后一对轮齿已进入啮合，因此啮合过程中至少有两对轮齿处于啮合状态［4］，由此可知，对于齿轮齿条的接触应力理论计算公式很难准确反映其工作过程。

    本文运用有限元分析方法对摆动液压缸的工作进行仿真，求解啮合部位的接触应力，根据计算结果对齿轮齿条式摆动液压缸可能出现的故障进行预测，并提供了解决方案。

1摆动液压缸结构介绍

    齿轮齿条式摆动液压缸的结构如图1所示，整个摆动液压缸主要由1个齿轮轴和2个齿条轴构成，对角的两腔连接油管，每个齿条轴都安装了活塞。

    摆动液压缸正常工作时，两齿条轴内的活塞均通过轮齿啮合将液压力传递给齿轮轴，转化为扭矩输出。设两齿条轴油腔压力分别为P1，P2，油缸内活塞行程为l，直径为d，齿轮齿条模数为m，齿数为z，齿轮轴摆角为θ,则齿轮轴输出扭矩为：

M=（P1-P2）×(πd2)/4×mz=π（P1-P2）mzd2/4

    齿轮轴摆动角度为：θ=l/mz×360°。

    摆动液压缸的参数见表1，齿轮齿条是渐开线标准直齿圆柱齿轮齿条，其模数为16，齿数为18，啮合中心距为184mm,工作介质为奎克888-68。

表1摆动液压缸的参数

参数             数值

摆角          180°(±2°)

输出扭矩      119 865N·m

额定压力        21MPa

试验压力       30.5MPa

设计温度       100°C

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作者简介：张鸿鹄（1963—），男，江苏扬州人，扬州市江都永坚有限公司高级工程师，硕士，主要研究方向为液压系统设计、先进制造技术。
（文章来源《机械设计与制造工程》如需详细资料请联系江苏机械门户网025-83726289）