一種新結(jié)構(gòu)法蘭盤的開發(fā)

費(fèi)逢宇 權(quán)雙璐

摘 要：本文針對市場對變速器匹配緩速器、取力器的要求，方便用戶拆裝緩速器、取力器，在保證法蘭盤強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過改變法蘭盤結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，讓出緩速器、取力器的拆卸空間，方便客戶加裝緩速器或取力器。

關(guān)鍵詞：法蘭盤;緩速器;取力器;Proe

1 背景描述

變速器原廠裝配液力并聯(lián)緩速器或后取力器，由于法蘭盤在軸向位置擋住了緩速器（取力器）的位置，需要先裝配液力緩速器（取力器），再用專用工具將變速器法蘭盤打緊。

主機(jī)廠或售后服務(wù)需要加裝緩速器（取力器），通常沒有專用工具，無法拆卸法蘭盤，導(dǎo)致客戶無法加裝緩速器（取力器），售后服務(wù)不方便。因此客戶要求我們不拆法蘭盤情況下，能夠方便加裝緩速器（取力器）。

2 法蘭盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)思

為了讓出緩速器、取力器的裝配空間，可考慮將法蘭盤切成豁口，豁口位置對稱，將法蘭盤固定在變速器上，法蘭盤的一側(cè)豁口能夠避開緩速器，另一側(cè)的豁口能夠避開取力器。

改進(jìn)后的法蘭盤的兩側(cè)開設(shè)有兩個豁口，旋轉(zhuǎn)法蘭盤，可將緩速器與法蘭盤的軸向位置讓開，此時不用拆卸法蘭盤，即可直接將緩速器和取力器拆下或裝上，方便了緩速器和取力器的拆卸，在沒有專用工具的情況下也能夠進(jìn)行拆卸，提高了工作效率。

2.2 尺寸設(shè)計

根據(jù)以上想法，為了留出緩速器的裝配空間，需要確定法蘭盤的豁口尺寸大小，圖3中的豁口太大，會切去端面齒法蘭盤的結(jié)合齒，導(dǎo)致法蘭盤加工困難、降低法蘭盤的強(qiáng)度，豁口太小，安裝空間不夠。我們采用了Proe三維設(shè)計及干涉校核。我們將變速器與緩速器裝為一體，通過調(diào)整法蘭盤的豁口大小，在三維圖中確定法蘭盤的豁口X、R大小。

經(jīng)過多次三維校核，確定法蘭盤豁口尺寸X=184，R=120，法蘭盤與液力緩速器的間隙為：7.148。

3 法蘭盤的CAE分析

考慮到改進(jìn)后的法蘭盤切去豁口，需要對比改進(jìn)前后法蘭盤的靜強(qiáng)度是否有變化。法蘭盤在使用過程中與傳動軸相連，傳遞扭矩給傳動軸。以某變速器為例，三檔速比為9.39，輸入扭矩為2 000 N.m，考慮到安全性，將速比取為10，根據(jù)重型變速器靜扭實驗標(biāo)準(zhǔn)，法蘭盤所承受的扭矩為60 000 N.m。

為了準(zhǔn)確模擬實際情況，采用實體建模，利用PROE得到的法蘭盤三維模型如圖1所示，對此三維圖建立有限元模型。對法蘭盤和萬向節(jié)劃分四面體網(wǎng)格，在嚙合接觸的花鍵處及螺栓孔進(jìn)行細(xì)化，對應(yīng)的零部件的材料、單元類型、單元大小如表1所示。

載荷及邊界條件的施加如圖3所示，豁口法蘭盤與萬向節(jié)以簡化的螺栓連接，法蘭內(nèi)表面耦合于中心點(diǎn)，并在其上施加繞X軸的扭矩大小為T=60 000 N.m，同時將萬向節(jié)進(jìn)行全約束，以消除結(jié)構(gòu)的剛體位移。法蘭盤與萬向節(jié)的花鍵齒面建立接觸關(guān)系，以傳遞扭矩。添加螺栓預(yù)緊力29 342 N，其他約束如圖3所示。

本文的關(guān)注點(diǎn)是法蘭盤切豁口前后的強(qiáng)度變化，對比切豁口前后法蘭盤的mises應(yīng)力變化。

對比兩法蘭盤的mises應(yīng)力值未切豁口法蘭盤最大值為653.1MPa，切豁口后法蘭盤的mises應(yīng)力最大值為

654.8 MPa，二者差別不大，但均超過45鋼的屈服極限555 MPa，因此切豁口法蘭盤的靜扭強(qiáng)度安全性還要進(jìn)行試驗驗證。

4 法蘭盤的靜扭實驗

CAE分析結(jié)果表明法蘭盤不能滿足使用要求，故有必要對法蘭盤做靜扭實驗，為了對比CAE結(jié)果與實驗的差別，在豁口法蘭盤應(yīng)力分布較均勻的部位進(jìn)行粘貼應(yīng)變片以測試靜扭試驗時該部位的應(yīng)力值。

應(yīng)變片粘貼位置如4所示A、B部位。考慮到法蘭盤的對稱性，在對稱的另一面同位置也粘貼應(yīng)變片，取其平均值。

改進(jìn)前后的輸出法蘭盤與副箱主軸一起靜扭，靜扭試驗數(shù)據(jù)如表2：

從以上數(shù)據(jù)看出，改進(jìn)前后的法蘭盤與副箱主軸一起靜扭后，都是副箱主軸斷裂，兩種法蘭盤均完好，表明兩種法蘭盤的靜扭強(qiáng)度均大于副箱主軸的靜扭強(qiáng)度。切去豁口法蘭盤強(qiáng)度沒有問題。

5 法蘭盤的CAE及實驗結(jié)果分析

試驗中加載靜扭54 000 N.m。

主應(yīng)變的計算公式為：

試驗數(shù)據(jù)及計算值如下表：

取粘貼應(yīng)變片的A部位作為計算對象，將模型簡化為空心軸，根據(jù)圓軸扭轉(zhuǎn)變形特征，圓軸受扭后，其橫截面依然保持平面，其上的各點(diǎn)只能在同一平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，且橫截面只發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動。

圓軸受扭轉(zhuǎn)時橫截面上任意點(diǎn)的切應(yīng)力為：

計算出A部位橫截面的極慣性矩為1.57×107 mm4，外徑是128 mm，在扭矩54 000 N.m下，此截面扭轉(zhuǎn)的最大切應(yīng)力位于最大半徑處即A處為：

對有限元模型重新計算，加載扭矩54 000 N.m，計算A部位的切應(yīng)力值?？紤]到應(yīng)變片粘貼部位誤差，所以有限元模型取A部位附近的100個單元，取平均值，用平均值計算出此處的切應(yīng)力為：

對于B處，同理統(tǒng)計出其最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別為261 MPa和-96 MPa。

從上表可以看出，對法蘭盤進(jìn)行靜扭試驗測出的值可以

計算出該部位的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，從而也可以計算其切應(yīng)力。對于A處，有限元計算出的切應(yīng)力比試驗數(shù)據(jù)計算出的切應(yīng)力偏大8.53%，比理論值偏大4.1%。B處用有限元計算的最大主應(yīng)力比試驗值偏大1.56%，但最小主應(yīng)力與試驗值差距較大。

對豁口法蘭盤加載54 000 N.m的扭矩，進(jìn)行有限元計算，得出切豁口法蘭盤的mises應(yīng)力值，最大值為598.1 MPa，超過了45鋼的屈服強(qiáng)度555 MPa。

6 結(jié)論

通過對切豁口法蘭盤結(jié)構(gòu)設(shè)計我們可以總結(jié)出零件的設(shè)計方法：

（1）通過Proe找到了豁口法蘭盤的最優(yōu)尺寸;

（2）采用CAE分析、臺架實驗、相互驗證結(jié)果;

（3）通過此次試驗證明有限元計算值與試驗值很接近，也驗證了有限元模型的正確性，對法蘭盤靜扭進(jìn)行CAE分析的數(shù)據(jù)有很大參考價值;

（4）改進(jìn)后的發(fā)蘭盤已用于客戶，方便了客戶的裝配，滿足了客戶要求。

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