雙渦輪液力變矩器超越離合器動載強度分析

馬文星，胡 晶，褚亞旭，王松林，吳岳詩

（1.吉林大學 機械科學與工程學院，長春 130022；2. 北華大學 交通建筑工程學院，吉林 吉林132021）

0 引言

為實現(xiàn)無極變速，提高作業(yè)生產(chǎn)率，我國輪式裝載機大部分都應用雙渦輪液力變矩器，它具有變矩比大，高效范圍寬等優(yōu)點。同時超越離合器的鎖止與分離可以依據(jù)轉(zhuǎn)速差自動實現(xiàn)，以此滿足裝載機不同工況下傳動比的需求。因此，雙渦輪液力變矩器廣泛的應用于裝載機傳動系統(tǒng)中[1~2]。對于超越離合器的強度、剛度計算問題，傳統(tǒng)的方法是對于幾何形狀和受力情況以及約束情況進行簡化，然后應用些簡單的公式對簡化后的模型進行粗略的計算，因此得出的結(jié)論與實際情況差別很大[3]。根據(jù)傳統(tǒng)計算的缺點，選擇CFD方法，計算出裝載機工作一個循環(huán)各時間內(nèi)對應的雙渦輪液力變矩器Ⅰ渦和Ⅱ渦的轉(zhuǎn)矩，從而得出不同時間內(nèi)滾柱和內(nèi)、外圈的受力值。內(nèi)、外圈通過滾柱來實現(xiàn)摩擦傳動，因而傳動過程中難免有彈性變形、滑動摩擦及位移等，只進行靜力學分析是遠遠不夠的。接觸應力有兩種求解方法：解析法（Hertz）法和數(shù)值法（有限元法），由于Hertz法適合求解幾何形狀比較規(guī)則的物體，而有限元法適合求解復雜的接觸問題[4-7]，所以采用有限元的方法，對超越離合器的強度特性進行分析，提取超越離合器滾柱與內(nèi)、外圈接觸點瞬時受力曲線，找出影響超越離合器壽命的因素。

1 超越離合器受力的數(shù)據(jù)提取

表1為裝載機工作循環(huán)測試的數(shù)據(jù)，根據(jù)表1測試的數(shù)據(jù)表明，復雜多變的輪式裝載機完成一個工作循環(huán)大約需要48秒，各工況下的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和變矩器的轉(zhuǎn)速比如表1所示，雙渦輪液力變矩器Ⅰ渦轉(zhuǎn)速比i=52/20，Ⅱ渦的轉(zhuǎn)速比i=33/39，雙渦輪液力變矩器的轉(zhuǎn)速比如式（1）所示。

表1 裝載機工作循環(huán)測試數(shù)據(jù)Table1 Test data of working cycle of loader

將表中數(shù)據(jù)代入公式（1），計算出各工況下的雙渦輪液力變矩器的Ⅰ渦和Ⅱ渦的轉(zhuǎn)速。將雙渦輪液力變矩器用UG建模，建立模型后導入CFD中劃分網(wǎng)格，采用以四面體為主的方式劃分，設置參數(shù)求解，將計算好的雙渦輪液力變矩器Ⅰ渦和Ⅱ渦的轉(zhuǎn)速代入，計算求解，得到Ⅰ渦和Ⅱ渦的轉(zhuǎn)矩數(shù)值，如表2所示。

表2 雙渦輪變矩器Ⅰ渦和Ⅱ渦的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)Table2 Speed and torque data ofⅠturbine andⅡturbine of dual-turbine torque converter

雙渦輪液力變矩器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 1所示[8]，動力從輸入軸1由泵輪B輸入，后經(jīng)輸出軸2輸出到變速箱。雙渦輪液力變矩器有兩個動力輸出端，一級渦輪和二級渦輪，其中，一級渦輪經(jīng)由齒輪Z3、Z4以及超越離合器M將動力傳遞至輸出軸2，二級渦輪TII經(jīng)過齒輪Z1、Z2和輸出軸2連接，始終輸出動力到輸出軸 2。雙渦輪液力變矩器一級渦輪和超越離合器的外圈相連，二級渦輪和超越離合器的內(nèi)圈相連，得到了一級渦輪和二級渦輪的轉(zhuǎn)矩，即得到了超越離合器外圈和內(nèi)圈的轉(zhuǎn)矩。

圖1 雙渦輪液力變矩器的結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of dual-turbine torque converter

2 超越離合器的動態(tài)仿真分析

2.1 超越離合器的計算模型與材料特性

超越離合器的每個滾柱的受力情況大致相同，取一個滾柱的鎖止情況進行分析，利用有限元分析軟件ANSYS 對截取的超越離合器進行網(wǎng)格劃分，采用四面體劃分法，超越離合器的網(wǎng)格模型如圖 2所示。超越離合器內(nèi)圈和滾柱采用的材料是為GCr15，外圈采用的材料是20CrMnTi，材料特性見表3。

圖2 超越離合器的網(wǎng)格模型Fig.2 The Grid model of over-running clutch

表3 超越離合器的材料特性Table3 Material properties of over-running clutch

2.2 基于ANSYS的動態(tài)仿真

2.2.1 超越離合器的受力分析及加載曲線

超越離合器的受力分析圖如圖3所示[9]，滾柱的受力平衡方程如公式（2）所示，傳遞的轉(zhuǎn)矩大小按公式（3）來計算，將超越離合器內(nèi)圈和外圈所受的轉(zhuǎn)矩換算成滾柱對內(nèi)、外圈的徑向力和切向力，計算的數(shù)值如表4所示。

圖3 超越離合器結(jié)構(gòu)及滾柱受力示意圖Fig.3 Over-running clutch structure and forced-figure of roller

式中： Fμ1表示外圈對滾柱的摩擦力；Fμ2表示內(nèi)圈對滾柱的摩擦力；Fn1表示外圈對滾柱的正壓力；Fn2表示內(nèi)圈對滾柱的正壓力；Fs表示彈簧對滾柱的作用力；Fc表示滾柱離心力；μ1表示外圈與滾柱之間的摩擦系數(shù)；μ2表示內(nèi)圈與滾柱之間的摩擦系數(shù)；α表示超越離合器鎖止角；Fa表示Fn1與Fμ1的合力；Fb表示 Fn2與 Fμ2的合力。

式中：T表示超越離合器傳遞的扭矩；n表示滾柱數(shù)；R1表示外圈與滾柱接觸點距旋轉(zhuǎn)中心的距離。

表4 滾柱所受的徑向力和切向力的數(shù)據(jù)Table4 Radial force and tangential force data of roller

續(xù)表 表4 滾柱所受的徑向力和切向力的數(shù)據(jù)Table4 Radial force and tangential force data of roller

在ANSYS中定義接觸對，加動載時采用定義Table的方式，將不同時間內(nèi)各力值的數(shù)據(jù)定義到數(shù)組中，并采用調(diào)用的方式加載。定義約束如下：因為超越離合器外圈安裝于輸入軸上，故其配合的表面設置為剛性面，外圈表面的節(jié)點施加全約束，位移為零。設置參數(shù)求解。依據(jù)表5數(shù)據(jù)繪制的加載曲線如圖4所示。圖中F1代表滾柱與外圈的加載曲線，F(xiàn)3代表滾柱與內(nèi)圈的加載曲線。

圖4 超越離合器的加載曲線Fig.4 The loading curve of overrunning clutch

2.2.2 接觸算法的選擇

定義接觸時，將滾柱與內(nèi)、外圈設置為面與面的接觸，目前解決摩擦接觸問題的方法有三種[10-11]。

（1）懲罰函數(shù)法：

這是一種近似的方法。

（2）Lagrange 乘子法：

（3）Lagrange&penalty法，采用Lagrange&penalty法對超越離合器進行計算，它有懲罰函數(shù)法和Lagrange 乘子法的優(yōu)點，并彌補了其不足。算法如下：

3 超越離合器動態(tài)仿真結(jié)果分析

超越離合器的瞬時應力圖如圖6所示，應力圖表明，最大應力出現(xiàn)在滾柱和內(nèi)、外圈接觸處，由于滾柱與內(nèi)圈一并高速旋轉(zhuǎn)，最高轉(zhuǎn)速可達2000r/min以上，滾柱高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力向外作用于外圈的內(nèi)表面滾道上，兩者的轉(zhuǎn)速差最大可達700r/min以上，滾柱與外圈齒輪滾道面相互摩擦發(fā)熱，如果潤滑條件不足，很容易造成滾柱或外圈齒輪滾道面的磨損失效，有微小的磨損就會破壞自鎖角，從而使超越離合器失效。提取滾柱與外圈接觸處一節(jié)點的瞬時受力放大圖，如圖7所示，從圖7的力隨時間變化的曲線可以看出，5s到9s內(nèi)受力呈略微下降趨勢，說明外圈開始工作接觸到滾柱后發(fā)生的是非線性彈性碰撞；10s到14s、19s到25s、30s到 35s受力陡增，說明超越離合器開始傳遞扭矩；在15s到21s、25s到30s、35s到45s時間內(nèi)，受力陡然下降，說明滾柱受到很大的瞬時沖擊力，這直接影響了滾柱的使用壽命，滾柱極易發(fā)生疲勞破壞。在5s、14s、26s、36s、48s曲線為峰值，這是因為在這些時間點內(nèi)超越離合器鎖止，滾柱與外圈接觸處受力較大。從圖8可以看出，在2s、10s、42s時其受力值比較小近乎為0，這是因為在這些時間點內(nèi)超越離合器分離，滾柱的離心力向外，滾柱對內(nèi)圈沒有壓力的作用。

圖6 超越離合器的瞬時應力圖Fig.6 The instantaneous stress diagram of overrunning clutch

圖7 滾柱與外圈的瞬時受力曲線Fig.7 The instantaneous force curve of roller and outer

圖8 滾柱與內(nèi)圈的瞬時受力曲線Fig.8 The instantaneous force curve of roller and inner

4 結(jié)束語

（1）在分析雙渦輪液力變矩器超越離合器的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，提出一種獲得超越離合器轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)的方法，并計算獲得不同時間內(nèi)滾柱所受徑向力與切向力的數(shù)據(jù)。

（2）用有限元方法分析了超越離合器接觸區(qū)域的狀態(tài)，通過分析，得出了內(nèi)、外圈與滾柱的瞬時應力分布圖，給出產(chǎn)生最大應力的位置，為超越離合器的優(yōu)化提供了依據(jù)。

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