基于有限元方法的超越離合器變形分析

段祥宇，張 平

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

作為一種常見機械零部件，超越離合器由于其防止逆轉(zhuǎn)的機械傳動特點，已被應(yīng)用于不同領(lǐng)域的諸多產(chǎn)品中。超越離合器使用中的變形對整個傳動系統(tǒng)變形與回差的影響不可忽略，變形過大會降低整個系統(tǒng)的傳動性能甚至可能導(dǎo)致部件失效損壞。因此，為滿足工程使用要求，利用有限元方法對超越離合器進行分析具有重要意義。

國內(nèi)學(xué)者對超越離合器進行了廣泛而深入的研究。龔正等采用有限元方法，對3種不同結(jié)構(gòu)的滾柱式超越離合器的工作應(yīng)力進行模擬計算，并通過臺架和路試對分析結(jié)果進行驗證；石光林等采用赫茲接觸理論對超越離合器關(guān)鍵部件間的接觸應(yīng)力進行分析，還針對目前對滾柱式超越離合器動力學(xué)研究不足的現(xiàn)狀，基于虛擬樣機技術(shù)對其超越和楔合工況進行仿真分析；嚴(yán)宏志等對強制連續(xù)約束型超越離合器的彈簧力學(xué)行為進行了分析；劉釗等為改善現(xiàn)有離合器彈簧可靠性不足的問題設(shè)計了一種新型超越離合器，并通過有限元軟件進行了仿真，確認其有足夠強度；鄭富磊等建立并推導(dǎo)了撥叉式超越離合器退楔力矩的數(shù)學(xué)解析表達式，將此理論分析與試驗進行對比驗證；侯祥穎等梳理嚙合式、摩擦式兩種不同類型的超越離合器相關(guān)文獻，并分析超越離合器的未來發(fā)展方向。

目前關(guān)于撥叉式超越離合器的研究較少，本文主要介紹撥叉式超越離合器的工作原理，并利用ABAQUS軟件對撥叉為主動件時順、逆時針工況下的該結(jié)構(gòu)變形進行有限元分析。

1 撥叉式超越離合器的工作原理

撥叉式超越離合器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在傳遞動力時，電機通過傳動軸連接撥叉，星輪內(nèi)孔通過傳動軸連接負載。

當(dāng)撥叉作為主動件時，超越離合器有以下兩種工況:（1）電機帶動撥叉順時針旋轉(zhuǎn)，此時撥叉直接推動星輪；（2）電機帶動撥叉逆時針旋轉(zhuǎn)，此時撥叉需先推動滾柱，滾柱壓緊彈簧后再推動星輪傳遞動力。

當(dāng)星輪作為主動件時也有兩種工況：（1）星輪順時針推動滾柱壓緊彈簧后再推動撥叉旋轉(zhuǎn)；（2）星輪逆時針旋轉(zhuǎn)，滾柱被外圈和星輪間的楔形卡住鎖死，星輪將不能傳遞動力。在動力正常傳遞的情況下，星輪順時針工況同撥叉逆時針工況，故本文針對撥叉兩種工況進行分析。

2 有限元分析

2.1 有限元模型的前處理

1.網(wǎng)格劃分

將離合器的幾何模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中，滾柱、外圈、頂銷均采用C3D8R單元進行網(wǎng)格劃分，星輪與撥叉部分無需精確求解區(qū)域采用C3D4和C3D6單元，其余均采用C3D8R單元劃分。

2.材料屬性

超越離合器的撥叉材料為38CrMoAlA，其余零部件材料為GCr15。超越離合器材料相關(guān)參數(shù)如表1所示。

撥叉與驅(qū)動電機連接處建立參考點施加耦合約束，星輪與負載連接處建立參考點施加耦合約束，外圈固定不動約束其全部自由度。以下將介紹撥叉作為主動件時順、逆時針工況下的有限元接觸分析。

2.2 順時針工況有限元分析

1.分析步設(shè)定

設(shè)置兩個靜態(tài)通用分析步求解，分析步及邊界條件定義如下：

（1）step1：在撥叉耦合點上施加一個小軸向轉(zhuǎn)角，使星輪與撥叉在該轉(zhuǎn)角下產(chǎn)生強制接觸，約束星輪的所有自由度。

（2）step2：在撥叉耦合點上施加轉(zhuǎn)矩15 250 N·mm，并釋放撥叉的軸向轉(zhuǎn)動方向自由度，約束星輪的所有自由度。

2.接觸的定義和設(shè)置

選擇面-面接觸來建立撥叉和星輪之間的接觸關(guān)系，撥叉為主面，星輪為從面，接觸屬性為面-面接觸，采用罰函數(shù)算法，摩擦因數(shù)為0.15。據(jù)以上方法建立的有限元模型如圖2所示。

3.順時針有限元分析結(jié)果

提交計算即可得到順時針工況下超越離合器的應(yīng)力分布情況。撥叉的應(yīng)力云圖如圖3所示。星輪的應(yīng)力云圖如圖4所示。由云圖可以看出，撥叉的最大Mises應(yīng)力為13.104 MPa，星輪的最大Mises應(yīng)力為9.747 MPa，兩部件最大應(yīng)力位置均為接觸面根部。通過查詢得到材料38CrMoAlA和GCr15的屈服應(yīng)力分別為835 MPa和518.4 MPa，兩部件最大應(yīng)力位置均小于材料屈服極限，滿足強度要求。

2.3 逆時針工況有限元分析

1.分析步設(shè)定

設(shè)置四個靜態(tài)通用分析步求解。分析步及邊界條件定義如下：

（1）step1：通過連接器單元加入帶有初始應(yīng)力的彈簧，彈簧被壓縮到初始裝配位置，約束除頂銷外其余部件的所有自由度；

（2）step2：在撥叉耦合點上施加一個小轉(zhuǎn)角使其與滾柱建立接觸，釋放滾柱局部坐標(biāo)系下的水平方向自由度，約束其他自由度；

（3）step3：在撥叉耦合點上施加轉(zhuǎn)矩?15 250 N·mm，釋放軸向轉(zhuǎn)動自由度；

（4）step4：在撥叉耦合點上施加轉(zhuǎn)矩?15 250 N·mm，釋放軸向轉(zhuǎn)動自由度，釋放滾柱平面內(nèi)的自由度。

2.接觸的定義和設(shè)置

滾柱接觸比較復(fù)雜，選擇面-面接觸來建立滾柱與撥叉、星輪、外圈和頂銷的接觸關(guān)系。接觸參數(shù)設(shè)置同順時針工況。

為提高計算效率，將網(wǎng)格適當(dāng)加粗，據(jù)以上方法建立的計算模型如圖5所示。

3.逆時針有限元分析結(jié)果

提交計算后得到超越離合器的應(yīng)力分布情況，此工況下滾柱的應(yīng)力最大為131.667 MPa，位置在與撥叉接觸一端，滾柱的應(yīng)力云圖如圖6所示。滾柱最大應(yīng)力小于相應(yīng)材料的屈服極限，零件滿足強度要求。

3 結(jié)論

本文對撥叉式超越離合器進行順、逆時針旋轉(zhuǎn)工況下的有限元模擬分析，零件強度滿足要求。順時針工況下?lián)懿嬷苯油苿有禽啠瑩懿媾c星輪工作接觸面的根部位置應(yīng)力較大；逆時針工況下滾柱先頂住頂銷，隨著彈簧的壓縮，滾柱接觸到星輪傳遞動力，此時滾柱與撥叉接觸一端應(yīng)力較大。

有限元分析可為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，對提高機械傳動系統(tǒng)的傳動性能和超越離合器的使用壽命均有重要意義。