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基于ANSYS的超越离合器有限元分析


第 25 卷第 6 期
2005 年 12 月

苏  州  大  学  学  报 ( 工  科  版)
JOURNAL OF SOOCHOW UNIVERSITY( ENGINEERING SCIENCE ED ITION)

Vol . 25 No. 6 Dec. 2005

文章编号 :1673

- 047X(2005) 06 - 0060 - 02

基于 ANSYS 的超越离合器有限元分析
虞敏霞
( 江苏信息职业技术学院 ,江苏 无锡 214063)

摘  要 : 运用 ANSYS 有限元软件 ,建立了滚柱式超越离合器三维有限元计算模型 ,进行了由摆杆 、 滚柱和星轮组成的摩擦传动组合体的法向接触状态分析 , 研究了接触体之间的法向接触应力对超 越离合器星轮磨损的影响 ,为超越离合器寿命提高的研究提供了依据 。 关键词 :ANSYS ; 有限元 ; 超越离合器 中图分类号 : TH122         文献标识码 :A 滚柱超越离合器依靠摩擦力使摆杆 、 、 滚柱 星轮锁紧 、 脱开并周期性变化 ,把摆盘的往复摆动变成星轮的 连续转动 ,达到无级变速的目的 。 星轮与滚柱固定处接触磨损 , 是超越离合器的主要失效形式 。 磨损实验表 明 ,材料表面的硬度的提高是减小零件表面磨损的最有效方法 。 、 、 摆杆 滚柱 星轮的材料均为 GCr15 钢 。 GCr15 钢传统热处理工艺为 : 球化退火 + 淬火 + 低温回火 ,星轮 ( GCr15 钢) 的热处理工艺采用 : 球化退火 + 调质 + 激光表面热处理 ,使星轮表面的硬度提高 20 % 左右 ,使超越离合器的寿命提高 。 本论文利用 ANSYS 软件对超 越离合器进行了有限元分析 。

1  有限元模型的建立
1. 1  物理模型

应用参数化设计原理建立了摆杆、 滚柱和星轮组合体的实体几何模型 , 对 超越离合器几何模型施加载荷 ,ANSYS 有限元软件自动将其等效到有限元网格 模型的节点上 ,如图 1 所示 ,并取其厚度的一半 ( 4mm) 作为计算对象 。 对超越离 合器各零件的后端面按对称约束处理 ,即轴向位移为 0 ,固定约束星轮转轴的前 端面 ,同时对摆杆和滚柱施加位移协调约束 ,确保其与工作状态的自由度一致 。 1. 2  数学模型 结构离散化是建立有限元数学模型的主要内容。 超越离合器有限元网格的 图 1  超越离合器的几何 划分选用十节点四面体协调单元 , 单元的材料特性参数如附表所示 , 共创建    模型和载荷分布 91590 个节点和 55294 个单元 ,如图 2 所示 。
      附表  超越离合器各零件材料特性参数 [1 ] 零件 摆杆 滚柱 星轮 材料
GCr15 GCr15 GCr15

杨氏弹性模量 ( GPa)
210 210 210

泊松比
013 013 013

密度
( kg/ m3 ) 7182E + 3 7182E + 3 7182E + 3

硬度 ( HRC)
62 60 72

强度极限 [3 ] (MPa)
2447 2447 3453

Ξ

图 2  超越离合器     有限元网络

Ξ 收稿日期 :2005 - 06 - 21 作者简介 : 虞敏霞 (1971 - ) ,女 ,助教 ,主要研究方向为机械设计与材料的耐磨性 。

第 25 卷                  虞敏霞 : 基于 ANSYS 的超越离合器有限元分析

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2  计算结果与分析
2. 1  接触状态 图 3 所示为超越离合器在传递扭矩的初始阶段滚柱的运动状态 ( 摩擦系数为 0. 15) ,由图中可见此时 6 个 滚柱处于纯滚动状态 ,滚动角度为 2°此后摆杆 、 。 滚柱和星轮三者一体绕星轮轴线旋转 ,输出扭矩 。 当摩擦系 数小于 011 时 ,滚柱的运动状态为滑动或滑滚 ,系统不能可靠传递扭矩 。 按照 Hertz 理论 ,摩擦系数为 0. 15 时 ,滚柱 - 星轮接触副的最大法向接触应力解析解为 1374MPa ,而有 限元数值解为 1469 MPa ,计算误差 6. 9 % ,完全满足工程需要 ,可见 ,建立的上述有限元模型是正确的 。 2. 2  法向接触应力 对于接触副摆杆 - 滚柱 - 星轮 ,其接触面的最大法向接触应力随着摩擦系数的增大而增大 ,摆杆 - 滚 柱接触面的宽度 ( 约 0. 9mm) 大于滚柱 - 星轮接触面的宽度 ( 约 0. 6mm) ,而且所有法向接触应力在接触面的
图 3  滚柱的纯滚动接触状态           图 4  法向接触应力在接触宽度方向的分布

宽度上按半椭圆分布 ,如图 4 所示 。 通过机算发现同一接触面上接触应力沿厚度方向并不是均匀分布的 , 这 主要是由于有限元网格疏密程度造成的 ,随着有限元网格的加密 ,厚度方向的接触应力趋于均匀分布 。

3  接触应力对磨损的影响

根据 Archard 磨损计算模型 [2 ] ,磨损率与接触应力和材料表面硬度之间存在以下关系 : δ = kp/ H 式中 :δ——任意时刻的磨损率 ; k ——磨损系数 ; p ——接触应力 ; H ——材料表面硬度 。 — — — — 由上式可知 , 磨损率与接触应力成正比关系 , 与材料表面硬度成反比关系 。 超越离合器在滚动接触状态 , 滚柱 - 星轮接触面的法向接触应力大于摆杆 - 滚柱接触面的法向接触应力 , 这说明 , 在材料相同的情况下 , 滚柱 - 星轮接触面的磨损率大于摆杆 - 滚柱接触面的磨损率 。 根据上式 , 提高材料的表面硬度 , 可以降低磨 损率 , 通过淬火热处理和表面激光热处理 , 使滚柱和星轮的表面硬度分别达到 60 HRC 和 72 HRC , 提高了星轮 表面的耐磨性 , 提高了超越离合器的使用寿命 。 超越离合器的耐磨性实验研究也证实了这一结论 。

4  结论

⑴对超越离合器的触状态进行了有限元计算 , 计算值与 Hertz 理论相符 。 ⑵超越离合器各滚动体之间 , 当摩擦系数在 0 . 1 ~ 0 . 15 时 , 超越离合器能可靠传递扭矩 。 ⑶提高材料的表面硬度 , 可以降低星轮与滚柱接触面磨损率 。
参考文献

[ 1 ]  机械工程手册编辑委员会 . 机械工程手册 (3) [M] . 北京 : 机械工业出版社 ,2003 :4 - 42. [ 2 ]  李 润 ,桂长林 . Archard 的磨损设计计算模型及其应用方法 [J ] . 润滑与密封 ,2002 (1) :12 - 21.

Finite Element Analysis f or the Overrunning Clutch of Based on ANSYS
( Jiangsu Inf ormation Profession Technology Techers’ College , Wuxi 214063 , China)

Abstract :Set up the three2dimensional finite element calculation model with ANSYS finite element software and analyses the rolling contact state of the friction transmission complex composed by sway bars、 rollers and star gear. It studies every contact material’ contact normal stress with influenced on the overrunning clutch star gear wear. s ’s Fresh evidence for wear study of overrunning clutch is provided. Key words :ANSYS ;finite element ,overrunning clutch

Yu Min2xia


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