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    基于ANSYS的超越离合器有限元分析.pdf

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    基于ANSYS的超越离合器有限元分析.pdf

    p第 25 卷 第 6 期 苏 nbsp; 州 nbsp; 大 nbsp; 学 nbsp; 学 nbsp; 报 工 nbsp; 科 nbsp; 版 Vol. 25 No. 62005 年 12 月 JOURNAL OF SOOCHOW UNIVERSITY ENGINEERING SCIENCE EDITION Dec. 2005文 章 编 号 1673 - 047X2005 06 - 0060 - 02基 于 ANSYS 的 超 越 离 合 器 有 限 元 分 析 X虞 敏 霞江 苏 信 息 职 业 技 术 学 院 ,江 苏 无 锡 214063摘 nbsp; 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 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 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 。图 1 nbsp; 超 越 离 合 器 的 几 何模 型 和 载 荷 分 布1 nbsp; 有 限 元 模 型 的 建 立1. 1 nbsp; 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 nbsp; 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91590 个 节 点 和 55294 个 单 元 ,如 图 2 所 示 。附 表 nbsp; 超 越 离 合 器 各 零 件 材 料 特 性 参 数 \[1]零 件 材 料 杨 氏 弹 性 模 量 GPa 泊 松 比 密 度kg/ m3 硬 度HRC 强 度 极 限\[3]MPa摆 杆 GCr15 210 013 7182E 3 62 2447滚 柱 GCr15 210 013 7182E 3 60 2447星 轮 GCr15 210 013 7182E 3 72 3453图 2 nbsp; 超 越 离 合 器有 限 元 网 络X 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 。 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. nbsp; nbsp;http//www.cnki.net2 nbsp; 计 算 结 果 与 分 析2. 1 nbsp; 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 nbsp; 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 nbsp; 滚 柱 的 纯 滚 动 接 触 状 态 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 图 4 nbsp; 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 nbsp; 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 nbsp; 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\[1 \] nbsp;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.\[2 \] nbsp;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 for the Overrunning Clutch of Based on ANSYSYu Min2xia Jiangsu Information Profession Technology Techers’ College , Wuxi 214063 , ChinaAbstract Set up the three2dimensional finite element calculation model with ANSYS finite element software andanalyses the rolling contact state of the friction transmission complex composed by sway bars、 rollers and star gear.It studies every contact material’ s contact normal stress with influenced on the overrunning clutch star gear’s wear.Fresh evidence for wear study of overrunning clutch is provided.Key words ANSYS ;finite element ,overrunning clutch16第 25 卷 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 虞 敏 霞 基 于 ANSYS的 超 越 离 合 器 有 限 元 分 析 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. nbsp; nbsp;http//www.cnki.net/p

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