棘轮棘爪计算
作者：
赵九峰
赵九峰 ：河南平顶山人，09年大连理工大学工程机械硕士毕业，CAD/CAE工程
师，仿真论坛Ansys WB 版主；主要从事游乐设备设计、计算、有限元仿真，3D 建模、CAD 制图、撰写设计计算说明书、申报鉴定文件，并对游乐设备设计、制造、申报鉴定流程提供指导。
1. 掌握三维Solidworks 的应用技能，熟练应用Solidworks 的钣金模块、焊件
模块和工程图模块；
2. 熟练使用ANSYS 、Workbench 等做机械相关领域的结构计算和仿真分析； 3. 掌握LS_DYNA的冲击分析和ADAMS 的动力学分析；
4. 熟练使用ICEM 前处理软件，勾画出任意结构的六面体网格。
九峰游乐设备CAD/CAE工作室
2017年03月
1 设计参数计算
《游乐设施安全规范》7.6.8.1：游乐设施运行时有可能导致乘人被甩出去的危险，则必须设置相应型式的安全压杠。
《游乐设施安全规范》7.6.8.5：安全压杠行程应无极或有级调节，压杠在压紧状态时，端部的游动量不大于35mm 。
《游乐设施安全规范》7.6.8.6：乘坐有翻滚动作的游乐设施，其乘人的肩式压杠应有两套可靠的锁紧装置。
图1-1为压杠结构图。
图1-1 压杠结构图
压杠端部距压杠轴的距离为R , 压杠棘轮的半径为r , 棘轮齿间距为d ，由于设有两套锁紧装置，即两个棘轮错半齿焊接，则由比例关系可知：压杠端部的游动量：
D =
Rd
≤
35 2r
可得棘轮的齿距：d ≤
70r
R
图1-2为设计的安全压杠棘轮工程图。
图1-2 压杠棘轮工程图
由图1-2可知，游乐设施压杠端部距压杠轴的距离为R =670mm，压杠棘轮半径为r =58mm，则棘轮的齿距：d ≤
70r
=
70⨯58
=6.1mm 670
R
一个棘轮齿对应的弧度：φ=
d 10
=0.103 =
r 96.7
2π
2π
=60 0.103
则对应一个完整棘轮的齿数：Z =
φ
=
由设计图可知，齿距5.57≤6.1。故设计参数满足标准要求 2材料参数
太空飞行座舱棘轮的主体结构材料：Q235B 钢（σb =375MPa），棘爪的主体结构材料：45#钢（σb =600MPa）。材料力学参量为：弹性模量E=2×10MPa ，泊松比 ν=0.3。
5
由JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》的表C-1，Q235B 、45#钢和高强螺栓的疲劳特性参数如表2-1所示。
表2-1 主要材料疲劳曲线数据
S-N曲线如图2-1所示：
图2-1 主要材料的S-N 曲线
3 压杠转轴棘轮（SYTX-0504-7-3）和棘爪（SYTX-0504-2） 3.1 有限元模型
太空飞行棘轮和棘爪，主要由钢块机加工而成， 对棘轮和棘爪建模并进行有限元计算，建立棘轮和棘爪的详细模型，采用20节点的实体单元（SOLIDl87），并使用扫掠的网格划分方法，划分出六面体为主的网格，如图3-1。
（1）主体网格
（2）局部网格
（3）棘轮主体网格
图3-1 棘轮和棘爪网格划分
（4）棘爪主体网格
3.2 载荷与约束
由总计算书16节可知，单个棘轮受到的扭矩为87500N ·mm 。作为载荷施加在棘轮的内表面，棘轮棘爪之间，施加绑定接触的约束方式，保证力的传递，如图3-2（1）所示。
棘轮的内表面随压杠转轴转动，棘爪的圆孔通过销轴与手柄相连，因此孔内表面施加圆柱约束，释放切向自由度，如图3-2（2）所示。
（1）载荷
图3-2 载荷与约束
（2）约束
3.3 应力计算结果
在扭矩作用下，棘轮转动，载荷传递给棘爪，棘轮合计的接触，限制棘轮转动，起到锁紧安全压杠的作用。
σmax =88.90MPa ，棘轮（SYTX-0504-8-3）的最大应力，出现在棘轮齿的外边缘，
n =
σb 375
==4.2，如图3-3（2）。 σmax 88.90
棘爪（SYTX-0504-2）的最大应力，出现在棘爪的顶部，与棘轮齿接触部位σmax
n ==56.01MPa ，
σb 600
==10.7（棘爪的材料为45#钢，抗拉强度σb =600MPa），σmax 56.01
如图3-3（3）。
（1）整体应力云图
（2） 棘轮应力云图
（3） 棘爪应力云图 图3-3 棘轮和棘爪计算结果
棘轮的齿根始终处于拉伸状态，为保守计算，按照脉动循环进行校核。 疲劳应力幅： σs =
σmax
2
-1
=44.45MPa (3-1)
σ86.2
=疲劳安全系数： ψ= =1.94 (3-2) σs 44.45由分析可知，棘爪的应力安全系数较大，同时最大应力部位出现在接触面，以压应力为主，故无需进行疲劳校核。 4 分析结果汇总 4.1 结果汇总表
表4-1所示为太空飞行座舱棘轮棘齿的应力值及相应的安全系数。以及关键零部件的疲劳安全系数。
表4-1 太空飞行座舱部件应力分析结果汇总表
4.2 小结
在成人推力作用下，对棘轮棘爪进行应力计算，分析结果表明： （1） 棘轮棘爪的应力，满足应力强度设计要求；
（2） 棘轮为无限疲劳寿命，疲劳安全系数满足设计要求。
棘轮棘爪计算
作者：
赵九峰
赵九峰 ：河南平顶山人，09年大连理工大学工程机械硕士毕业，CAD/CAE工程
师，仿真论坛Ansys WB 版主；主要从事游乐设备设计、计算、有限元仿真，3D 建模、CAD 制图、撰写设计计算说明书、申报鉴定文件，并对游乐设备设计、制造、申报鉴定流程提供指导。
1. 掌握三维Solidworks 的应用技能，熟练应用Solidworks 的钣金模块、焊件
模块和工程图模块；
2. 熟练使用ANSYS 、Workbench 等做机械相关领域的结构计算和仿真分析； 3. 掌握LS_DYNA的冲击分析和ADAMS 的动力学分析；
4. 熟练使用ICEM 前处理软件，勾画出任意结构的六面体网格。
九峰游乐设备CAD/CAE工作室
2017年03月
1 设计参数计算
《游乐设施安全规范》7.6.8.1：游乐设施运行时有可能导致乘人被甩出去的危险，则必须设置相应型式的安全压杠。
《游乐设施安全规范》7.6.8.5：安全压杠行程应无极或有级调节，压杠在压紧状态时，端部的游动量不大于35mm 。
《游乐设施安全规范》7.6.8.6：乘坐有翻滚动作的游乐设施，其乘人的肩式压杠应有两套可靠的锁紧装置。
图1-1为压杠结构图。
图1-1 压杠结构图
压杠端部距压杠轴的距离为R , 压杠棘轮的半径为r , 棘轮齿间距为d ，由于设有两套锁紧装置，即两个棘轮错半齿焊接，则由比例关系可知：压杠端部的游动量：
D =
Rd
≤
35 2r
可得棘轮的齿距：d ≤
70r
R
图1-2为设计的安全压杠棘轮工程图。
图1-2 压杠棘轮工程图
由图1-2可知，游乐设施压杠端部距压杠轴的距离为R =670mm，压杠棘轮半径为r =58mm，则棘轮的齿距：d ≤
70r
=
70⨯58
=6.1mm 670
R
一个棘轮齿对应的弧度：φ=
d 10
=0.103 =
r 96.7
2π
2π
=60 0.103
则对应一个完整棘轮的齿数：Z =
φ
=
由设计图可知，齿距5.57≤6.1。故设计参数满足标准要求 2材料参数
太空飞行座舱棘轮的主体结构材料：Q235B 钢（σb =375MPa），棘爪的主体结构材料：45#钢（σb =600MPa）。材料力学参量为：弹性模量E=2×10MPa ，泊松比 ν=0.3。
5
由JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》的表C-1，Q235B 、45#钢和高强螺栓的疲劳特性参数如表2-1所示。
表2-1 主要材料疲劳曲线数据
S-N曲线如图2-1所示：
图2-1 主要材料的S-N 曲线
3 压杠转轴棘轮（SYTX-0504-7-3）和棘爪（SYTX-0504-2） 3.1 有限元模型
太空飞行棘轮和棘爪，主要由钢块机加工而成， 对棘轮和棘爪建模并进行有限元计算，建立棘轮和棘爪的详细模型，采用20节点的实体单元（SOLIDl87），并使用扫掠的网格划分方法，划分出六面体为主的网格，如图3-1。
（1）主体网格
（2）局部网格
（3）棘轮主体网格
图3-1 棘轮和棘爪网格划分
（4）棘爪主体网格
3.2 载荷与约束
由总计算书16节可知，单个棘轮受到的扭矩为87500N ·mm 。作为载荷施加在棘轮的内表面，棘轮棘爪之间，施加绑定接触的约束方式，保证力的传递，如图3-2（1）所示。
棘轮的内表面随压杠转轴转动，棘爪的圆孔通过销轴与手柄相连，因此孔内表面施加圆柱约束，释放切向自由度，如图3-2（2）所示。
（1）载荷
图3-2 载荷与约束
（2）约束
3.3 应力计算结果
在扭矩作用下，棘轮转动，载荷传递给棘爪，棘轮合计的接触，限制棘轮转动，起到锁紧安全压杠的作用。
σmax =88.90MPa ，棘轮（SYTX-0504-8-3）的最大应力，出现在棘轮齿的外边缘，
n =
σb 375
==4.2，如图3-3（2）。 σmax 88.90
棘爪（SYTX-0504-2）的最大应力，出现在棘爪的顶部，与棘轮齿接触部位σmax
n ==56.01MPa ，
σb 600
==10.7（棘爪的材料为45#钢，抗拉强度σb =600MPa），σmax 56.01
如图3-3（3）。
（1）整体应力云图
（2） 棘轮应力云图
（3） 棘爪应力云图 图3-3 棘轮和棘爪计算结果
棘轮的齿根始终处于拉伸状态，为保守计算，按照脉动循环进行校核。 疲劳应力幅： σs =
σmax
2
-1
=44.45MPa (3-1)
σ86.2
=疲劳安全系数： ψ= =1.94 (3-2) σs 44.45由分析可知，棘爪的应力安全系数较大，同时最大应力部位出现在接触面，以压应力为主，故无需进行疲劳校核。 4 分析结果汇总 4.1 结果汇总表
表4-1所示为太空飞行座舱棘轮棘齿的应力值及相应的安全系数。以及关键零部件的疲劳安全系数。
表4-1 太空飞行座舱部件应力分析结果汇总表
4.2 小结
在成人推力作用下，对棘轮棘爪进行应力计算，分析结果表明： （1） 棘轮棘爪的应力，满足应力强度设计要求；
（2） 棘轮为无限疲劳寿命，疲劳安全系数满足设计要求。