拉伸型橡膠聯(lián)軸節(jié)變形機理的研究

王靈犀，陳向榮

(沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159)

?

拉伸型橡膠聯(lián)軸節(jié)變形機理的研究

王靈犀，陳向榮

(沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159)

摘要：以某拉伸型橡膠聯(lián)軸節(jié)為對象，研究橡膠的變形狀態(tài)。使用UG軟件建立橡膠聯(lián)軸節(jié)組件的三維模型并導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH，在ANSYS WORKBENCH軟件中對組件進行網(wǎng)格劃分；依據(jù)聯(lián)軸節(jié)的結(jié)構(gòu)及工作原理建立模型的邊界條件、設(shè)置材料、施加載荷；對模型進行有限元計算求解。結(jié)果表明：拉伸式橡膠聯(lián)軸節(jié)工作時，橡膠處于壓縮而不是拉伸狀態(tài)，在極限工作力矩下此橡膠聯(lián)軸節(jié)中材料的強度均在可使用范圍之內(nèi)。

關(guān)鍵詞：橡膠聯(lián)軸節(jié)；工作原理；仿真分析；可靠性

近年來在寶馬、奔馳等高級轎車上使用了一種拉伸型橡膠聯(lián)軸節(jié)，串聯(lián)在傳動軸上，可有效消減傳動系噪聲。在撓性聯(lián)軸節(jié)中使用橡膠本很普遍[1-2],但因其拉伸強度低，故大多工作于壓縮方式，如XL型高彈性聯(lián)軸器[3]、HRC150橡膠聯(lián)軸器[4]等聯(lián)軸節(jié)工作時內(nèi)部橡膠均處于壓縮狀態(tài)。本文用有限元仿真方法，以某國外聯(lián)軸節(jié)為對象，對橡膠盤的變形機理進行研究，以此對拉伸式橡膠聯(lián)軸節(jié)中的橡膠工作方式進行探討。

1拉伸型橡膠聯(lián)軸節(jié)的結(jié)構(gòu)及工作原理

撓性聯(lián)軸節(jié)按其承載原理可分為拉伸和壓縮兩種結(jié)構(gòu)形式。拉伸型聯(lián)軸節(jié)中的橡膠盤如圖1所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。該橡膠盤主要由傳力套筒、承載鋼絲環(huán)(或簾布環(huán))及包裹橡膠三部分組成，傳力套筒有六個，其中B、D、F為主動套筒，A、C、E為從動套筒；套筒A、B之間套裝兩股鋼絲環(huán)2、3，用于傳遞驅(qū)動扭矩；套筒A、F之間套裝一股鋼絲環(huán)1，用于傳遞反拖和倒車扭矩；另外兩組套筒(C、D及E、F)的傳力關(guān)系與A、F相同；再用橡膠將這六個套筒及九根鋼絲環(huán)包裹起來并硫化，就構(gòu)成了橡膠盤組件。

圖1　拉伸型撓性聯(lián)軸節(jié)的橡膠盤

圖2　橡膠盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)

汽車行駛時，扭矩靠拉伸鋼絲環(huán)實現(xiàn)，故這種結(jié)構(gòu)的聯(lián)軸節(jié)被稱為拉伸型撓性聯(lián)軸節(jié)。拉伸傳力時鋼絲環(huán)變形使聯(lián)軸節(jié)產(chǎn)生較大的角變形，導(dǎo)致傳動軸系統(tǒng)的剛度明顯下降，故可改善傳動系的扭振特性并降低來自路面的沖擊。盤中的橡膠除包裹和固定傳力件外，還可有效地消減高頻振動，降低傳動系噪聲。

本文針對某進口的拉伸型撓性聯(lián)軸節(jié)產(chǎn)品，使用UG建立三維模型，并根據(jù)其工作原理和實際工況設(shè)定邊界條件，用ANSYS WORKBENCH(簡稱AWE)軟件對該聯(lián)軸節(jié)的橡膠盤進行有限元分析[5-7]。

2前處理

2.1模型導(dǎo)入

首先在UG軟件中對該產(chǎn)品造型，然后將其轉(zhuǎn)換成STP格式，再導(dǎo)入AWE軟件中。AWE的一個優(yōu)點是對導(dǎo)入模型中的接觸對可自動識別并顯示，方便后續(xù)對接觸對的修改。

2.2材料設(shè)定

套筒材料選用45#鋼，GB/T699-1999標(biāo)準規(guī)定45#鋼抗拉強度為600MPa，屈服強度為355MPa，伸長率為16%，端面收縮率為40%。鋼絲簾布的鋼絲選用根據(jù)GB/T14450-2008標(biāo)準選擇直徑為1mm、抗拉強度為1850MPa冷拉鋼絲，鋼絲的屈服強度為抗拉強度的80%，即1480MPa，鋼絲的最小斷裂總伸長率為5%。橡膠選用邵氏硬度不低于50的特種橡膠，其伸長率不低于50%，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系選用AWE軟件中RUBBER1的本構(gòu)曲線，見圖3。

圖3　AME軟件中RUBBER1的本構(gòu)曲線

2.3接觸設(shè)置

在模型導(dǎo)入過程中，AWE軟件會在相互接觸的零件表面自動建立接觸對，使用者按產(chǎn)品的工作原理對這些接觸對進行修改，以滿足實際需要。

AWE軟件所提供的接觸對有五種： Bonded(綁定)、No Separation(不分離)、Frictionless(無摩擦)、Rough(粗糙)、Frictional(摩擦)；并提供了四種強制接觸協(xié)調(diào)性方程：Augmented Lagrange(增強拉格朗日法)、Normal Lagrange(法向拉格朗日法)、Pure Penalty(懲罰函數(shù)法)、MPC法。本文模型中的接觸部分共三類：套筒與鋼絲環(huán)接觸、鋼絲環(huán)與橡膠接觸、套筒與橡膠接觸，將這三部分的接觸對設(shè)置分述如下：

1) 套筒與鋼絲環(huán)的接觸對

從該部分的工作原理可知，套筒與鋼絲環(huán)的接觸有兩種方式：其一是主動傳力方式，此時套筒拉伸鋼絲傳力，鋼絲與套筒緊密接觸，故將傳力狀態(tài)下的接觸對設(shè)置為綁定、非對稱、增強拉格朗日法；其二是不傳力方式，此時套筒與鋼絲可分離，故將不傳力狀態(tài)下的接觸對設(shè)置為無摩擦、非對稱、增強拉格朗日法。

2) 鋼絲環(huán)與橡膠的接觸對

鋼絲環(huán)與橡膠硫化在一起，在工作中不分離，故將其間的接觸對設(shè)置為綁定、非對稱、懲罰函數(shù)法。

3) 套筒與橡膠的接觸對

套筒與橡膠的接觸部分也硫化在一起，在工作中不分離，故將其間的接觸對也設(shè)置為綁定、非對稱、懲罰函數(shù)法。

2.4網(wǎng)格劃分

AWE劃分網(wǎng)格的方法有多種，包括自動劃分(Automatic)、四面體網(wǎng)格(Tetrahedrons)、六面體網(wǎng)格(Hex Dominant)、掃掠劃分法(Sweep)及多區(qū)域法(MultiZone)。本文在橡膠部分使用六面體網(wǎng)格劃分方法，在鋼絲環(huán)和套筒部分采用掃掠方法。劃分結(jié)果如圖4a、4b所示，模型的總節(jié)點數(shù)為55717，單元數(shù)為19676.

2.5載荷及固定約束的施加

該產(chǎn)品所配裝車型的傳動軸最大扭矩為1726Nm，傳力套筒到傳動軸中心線的驅(qū)動半徑為60mm，驅(qū)動套筒為3個。據(jù)此換算，每個驅(qū)動套筒上所施加的驅(qū)動法向力為9588.7N，將此力分別施加到三個驅(qū)動套筒上即可完成模型的載荷施加。施加力方法為：點擊操作界面下的Static Structural選項，在分項菜單中分別執(zhí)行選擇加力表面、確定作用力方向、輸入力值等操作，完成對主動套筒上作用力的施加。

圖4　橡膠盤組件劃分網(wǎng)格

再對剩下的三個從動套筒施加固定約束，即完成了全部前處理工作。施加載荷后的模型見圖5。

圖5　模型施加的載荷與約束

3結(jié)果分析

3.1強度分析

橡膠盤組件的最大應(yīng)力出現(xiàn)在驅(qū)動鋼絲環(huán)與套筒的接觸處(見圖6)，應(yīng)力值為224.5MPa；45#鋼的屈服極限為355MPa，而鋼絲的屈服極限可高達1480MPa。故橡膠盤組件的強度滿足要求。

圖6　橡膠盤組件的最大應(yīng)力點

橡膠盤組件的最大應(yīng)變點出現(xiàn)在橡膠盤與驅(qū)動鋼絲環(huán)的接觸處(見圖7)，應(yīng)變值為0.52307%。本產(chǎn)品橡膠塊使用的是邵氏硬度不低于50的特種橡膠，其伸長率不低于50%，完全可以承受此應(yīng)變值。

圖7　橡膠盤組件的最大應(yīng)變點

3.2橡膠盤變形機理分析

橡膠盤組件的有限元分析結(jié)果顯示出如下特征。

1)橡膠盤在驅(qū)動鋼絲環(huán)平面內(nèi)的應(yīng)力分布如圖8所示。圖中顯示鋼絲環(huán)的應(yīng)力水平在80MP左右，而橡膠的應(yīng)力水平在16MP以下，說明驅(qū)動力主要靠鋼絲環(huán)承載。

2)橡膠盤的總變形見圖9。變形區(qū)域顯示驅(qū)動套筒有繞從動套筒向外轉(zhuǎn)動的趨勢。

橡膠盤的總體應(yīng)變、1/4切面處和1/2切面處的應(yīng)變分布分別見圖10a～10c。

圖10a～10c均顯示，橡膠應(yīng)變較大的區(qū)域均

圖8　橡膠盤1/4切面處的應(yīng)力分布

圖9　橡膠盤總體變形圖

圖10　橡膠盤組件應(yīng)力圖

位于非承載的鋼絲環(huán)區(qū)，由于該區(qū)域兩端的套筒相互靠近，說明該區(qū)域的應(yīng)變是壓應(yīng)變，橡膠是被壓縮的。

上述分析揭示了橡膠盤的變形機理：聯(lián)軸節(jié)傳力時，載荷拉伸的是鋼絲環(huán)，而橡膠反而被壓縮。這澄清了拉伸式撓性聯(lián)軸節(jié)中的橡膠在工作時被拉伸的誤解。

4結(jié)束語

本文以某進口車用拉伸型橡膠聯(lián)軸節(jié)為對象，用有限元分析方法對其工作原理進行了研究，得出了拉伸型橡膠聯(lián)軸節(jié)中的橡膠是被壓縮的結(jié)論。由于橡膠的拉伸強度低，用于聯(lián)軸節(jié)時多采用壓縮的工作方式，本研究對該類產(chǎn)品的設(shè)計有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻：

[1]羊拯民.傳動軸和萬向節(jié)[M].北京：人民交通出版社，1986.

[2]王靈犀，李楠.輕型貨車用扭轉(zhuǎn)緩沖器的仿真研究[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2013,32(3):47-51.

[3] 林中柏.XL系列高彈性橡膠聯(lián)軸節(jié)的研制[J].艦船科學(xué)技術(shù)，1979(9):34-45.

[4] 王海,溫建明.齒式橡膠聯(lián)軸器動力力學(xué)建模與分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014,27(1):36-39.

[5]李慶齡.ANSYS中網(wǎng)格劃分方法研究[J].上海電機學(xué)院學(xué)報，2006,9(5)：28-30.

[6]張瑞萍.UGNX中文版標(biāo)準教程[M].北京：清華大學(xué)出版社,2011.

[7]呂建國,康士廷.ANSYS Workbench 14有限元分析自學(xué)手冊[M].北京:人民郵電出版社，2013.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Study on the Deformation Mechanism of Tensile Type Rubber Coupling

WANG Lingxi，CHEN Xiangrong

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Abstract：The deformation of the rubber in a tensile type rubber coupling was studied.First the 3-D model of the rubber coupling was established using UG software and import the model into ANSYS WORKBENH software,meshed the model in ANSYS WORKBENH,and then according to the structure and working principle of the coupling the boundary conditions were established,such as adding the materials,applying the load,for finite element analysis.The results showed that the working condition of the rubber is in compression rather than in tension during the work of the tensile type rubber coupling,and at the same time it was proved that the strength of the materials in rubber coupling is in available range.

Key words：rubber coupling;working principle;analysis and simulation;reliability

中圖分類號：TK411

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-1251(2016)01-0010-04

作者簡介：王靈犀(1956—)，男，教授，研究方向：車輛工程。

收稿日期：2014-09-14