【摘 要】對(duì)液體粘性離合器的主動(dòng)軸和摩擦片進(jìn)行了瞬態(tài)響應(yīng)分析，得到了液體粘性離合器在啟動(dòng)過程中摩擦片的應(yīng)力和速度變化的情況。分析了靜摩擦工況下內(nèi)摩擦片花鍵應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)在花鍵與主動(dòng)軸接觸的地方出現(xiàn)了應(yīng)力集中，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)給予充分考慮。對(duì)摩擦片表面壓力的分布進(jìn)行了仿真，給出了壓力隨時(shí)間變化的規(guī)律和壓力在摩擦片表面的分布。

【關(guān)鍵詞】液體粘性傳動(dòng);摩擦片;應(yīng)力

0.引言

主被動(dòng)軸主要受額定轉(zhuǎn)矩的作用，在設(shè)備運(yùn)行過程中，主被動(dòng)軸由于重力作用而產(chǎn)生的彎矩非常小。軸類零件的每個(gè)表面都經(jīng)過機(jī)械精加工形成，零件表面的幾何形狀都是對(duì)稱的，當(dāng)軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的不平衡作用力較小，產(chǎn)生的彎矩也很小，所以可以忽略上述兩力對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的影響。故軸的強(qiáng)度計(jì)算主要考慮旋轉(zhuǎn)扭矩，對(duì)彎曲力矩影響的考慮主要是降低切應(yīng)力的數(shù)值。

主被動(dòng)軸的剛度不足，工作時(shí)眼產(chǎn)生較大的變形，影響軸上零件的正常工作。軸的剛度計(jì)算，通常就是計(jì)算軸受載荷時(shí)的變形量，看它是否在允許限度以內(nèi)或符合所要求的數(shù)值。軸的剛度包括彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度兩個(gè)方面。軸受彎矩作用產(chǎn)生彎曲變形，用繞度和傾角來度量軸的彎曲剛度。液體粘性離合器的主被動(dòng)軸所受彎矩很小，產(chǎn)生的繞度和傾角也很小，故軸的彎曲剛度不必校核。

1.摩擦片瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是指在靜載荷、瞬態(tài)載荷和簡(jiǎn)諧載荷的隨意組合作用下，確定結(jié)構(gòu)的隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力和速度等。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可采用三種方法：完全法、縮減法及模態(tài)疊加法。本文采用完全法，完全法采用完整的系統(tǒng)矩陣計(jì)算瞬態(tài)響應(yīng)。它是三種方法中最強(qiáng)的，允許包括各類非線性特性（塑性、大變形、大應(yīng)變等）。

本文以TLMst 400的參數(shù)作進(jìn)行計(jì)算，摩擦片的外徑為363mm，對(duì)處于靜摩擦狀態(tài)下的摩擦片進(jìn)行單片靜態(tài)分析；以三片摩擦片進(jìn)行分析：兩個(gè)靜片和一個(gè)動(dòng)片，將其裝配在一起進(jìn)行瞬態(tài)相應(yīng)分析和動(dòng)態(tài)的摩擦片表面應(yīng)力分析。液體粘性離合器核心傳動(dòng)部分主要有間隔布置的光滑摩擦片，帶有溝槽的動(dòng)摩擦片，主動(dòng)軸和箱體支撐部分構(gòu)成。

用PRO/E三維軟件繪出液體粘性離合器的核心傳動(dòng)部件：摩擦片及主動(dòng)軸，然后對(duì)他們進(jìn)行裝配。將其導(dǎo)入到ANSYS軟件前處理器中，然后設(shè)置接觸屬性，進(jìn)行接觸對(duì)的定義；接觸對(duì)定義好后對(duì)模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵步驟，實(shí)體建模的最終目的是劃分網(wǎng)格以生成節(jié)點(diǎn)和單元。生成節(jié)點(diǎn)和單元的網(wǎng)格劃分主要有兩個(gè)步驟：（1）定義單元屬性，單元的選擇是單元屬性的定義關(guān)鍵步驟，對(duì)不同的分析類型單元的選擇有很大區(qū)別。（2）定義網(wǎng)格的生成控制并生成網(wǎng)格，網(wǎng)格的劃分對(duì)有限元的計(jì)算量和準(zhǔn)確性影響很大，一般網(wǎng)格劃分越小，計(jì)算精度越高，所需的計(jì)算機(jī)資源、運(yùn)算時(shí)間也越多。因此，進(jìn)行有限元分析時(shí)一般需要對(duì)模型的花個(gè)劃分進(jìn)行適當(dāng)處理，對(duì)需要的關(guān)鍵部位實(shí)施網(wǎng)格加密控制。本節(jié)分別對(duì)摩擦片花鍵和摩擦片的表面的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行了控制。

主動(dòng)軸和光滑摩擦片的材料為45號(hào)鋼，其力學(xué)參數(shù)為：楊氏模量E=210000MPa，泊松比α=0.33，密度ρ=7820Kg/m3，摩擦片寬度為6mm；帶有溝槽的摩擦片是在厚度為6mm的對(duì)偶鋼片兩個(gè)面分別燒結(jié)了厚度為1mm紙基摩擦材料而成，摩擦材料的力學(xué)參數(shù)為：楊氏模量E=2300MPa，泊松比α=0.25，密度ρ=18000Kg/m3。

邊界條件：由于下面的分析屬于不同的分析類型，需要單獨(dú)對(duì)其施加邊界條件和載荷。本節(jié)以400型號(hào)為例計(jì)算，其制動(dòng)扭矩為2458Nm，每對(duì)摩擦片的制動(dòng)扭矩為76.8N。

仿真結(jié)果分析:

液體粘性離合器摩擦片主要承擔(dān)減速制動(dòng)和傳遞大扭矩的作用，為了時(shí)摩擦片與主動(dòng)軸機(jī)構(gòu)達(dá)到合理的設(shè)計(jì)要求，需對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度方面的校核。目前對(duì)液體粘性制動(dòng)器的核心部件摩擦片多是在恒定負(fù)載的情況下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，但是在實(shí)際的工況下，各零件所承受的載荷是隨時(shí)間不斷變化的，比如啟動(dòng)階段。為了使設(shè)計(jì)更切合實(shí)際，必須也要對(duì)關(guān)鍵的零部件進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。對(duì)摩擦片運(yùn)用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，采用完全法對(duì)主動(dòng)軸施加了大扭矩，并設(shè)定了200個(gè)載荷步，得到了摩擦片在整個(gè)啟動(dòng)過程中的危險(xiǎn)部位及危險(xiǎn)時(shí)刻，可以直觀地觀察出摩擦片在運(yùn)動(dòng)過程中手里部位的變化和應(yīng)力的大小等情況。

分析時(shí)給主動(dòng)軸施加153.6N.m的轉(zhuǎn)矩，設(shè)置分析時(shí)間為0.2s，利用ANSYS軟件對(duì)摩擦片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。動(dòng)摩擦片的速度與時(shí)間的關(guān)系和摩擦片受力最大值隨時(shí)間變化的曲線如圖所示。由圖可得摩擦片在一相對(duì)較大的扭矩驅(qū)動(dòng)的作用下，摩擦片的啟動(dòng)速度在剛開始的階段波動(dòng)比較大，其范圍集中在0.01m/s~0.0305m/s；但是在啟動(dòng)時(shí)間達(dá)到0.05s時(shí)，摩擦片的速度變得非常穩(wěn)定速度大小為0.016m/s。對(duì)摩擦片應(yīng)力最大值輸出結(jié)果曲線分析可知，摩擦片的啟動(dòng)壓力隨著時(shí)間在逐漸增大，這是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加，摩擦片所傳遞的扭矩越來越大，啟動(dòng)壓力值最大為96.8MPa，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為0.2s，查詢工作手冊(cè)可知，應(yīng)力最大值滿足強(qiáng)度要求。

2.摩擦片力學(xué)分析

2.1靜摩擦工況下內(nèi)摩擦片花鍵應(yīng)力分布

下面對(duì)液體粘性離合器處于運(yùn)行狀態(tài)的摩擦片和主動(dòng)軸的應(yīng)力進(jìn)行分析，由于在運(yùn)行中每個(gè)動(dòng)摩擦片的運(yùn)行狀態(tài)相同，所以本節(jié)取一個(gè)摩擦片進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)應(yīng)力的分布以及最大應(yīng)力的值和分布區(qū)域。對(duì)主動(dòng)軸施加76.8N.m的扭矩，因在液體粘性離合器在三種運(yùn)行工況中運(yùn)行時(shí)，在制動(dòng)工況下的應(yīng)力最大，所以在加載時(shí)采取給動(dòng)摩擦片施加固定約束。

ANSYS分析后處理云，可以看出應(yīng)力集中在動(dòng)摩擦片的花鍵和主動(dòng)軸表面齒根處、齒面接觸面，這主要由花鍵傳遞制動(dòng)扭矩所引起的；對(duì)摩擦片而言，摩擦片應(yīng)力分布在徑向逐漸減小，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮花鍵的強(qiáng)度。應(yīng)力最大值為1.04MPa，查表可知，接觸部位材料45號(hào)鋼的接觸疲勞極限為550MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

摩擦片和主動(dòng)軸的應(yīng)變?cè)?，可以看出?yīng)變相對(duì)比較大的地方集中在主動(dòng)軸靠近齒根的地方，最大值為5e-5mm。

2.2動(dòng)態(tài)摩擦片表面應(yīng)力分布

為真實(shí)模擬離合器摩擦片在運(yùn)行狀態(tài)中的表面應(yīng)力分布，摩擦片和主動(dòng)軸的邊界條件設(shè)置如下：給主動(dòng)軸施加153.6N·m的扭矩，被動(dòng)摩擦片施加固定約束（Fixed Support），主動(dòng)摩擦片壓力加載曲線；同時(shí)設(shè)置主動(dòng)摩擦片柱坐標(biāo)約束（Cylindrical Support），釋放徑向約束。

分析求解：設(shè)置分析求解時(shí)間為10s，分析步設(shè)置為1000，其他設(shè)置采用程序默認(rèn)設(shè)置。分析求解完成，對(duì)ANSYS分析結(jié)果進(jìn)行后處理可以得到摩擦片表面壓力分布云圖和摩擦片表面壓力最大值最小值隨時(shí)間變化曲線，如圖。從圖中可以看出，摩擦片在動(dòng)態(tài)運(yùn)行旋轉(zhuǎn)過程中，摩擦片表面的壓力分布規(guī)律，沿著徑向逐漸增大，應(yīng)力集中出現(xiàn)在摩擦片的邊緣部位，最大值為3711Pa。另一方面，隨著摩擦片間距的逐漸減小，液體粘性制動(dòng)器所傳遞的扭矩逐漸增大，摩擦片表面的壓力，無論是最大值還是最小值，都在不斷升高。

圖5.7摩擦片表面應(yīng)力分布云圖

圖5.8摩擦片表面壓力最大值和最小值變化曲線

3.結(jié)論

本章對(duì)摩擦片的一些力學(xué)特性和摩擦片表面的溫度分布進(jìn)行了詳盡的分析，為液體粘性制動(dòng)器摩擦片及主動(dòng)軸的設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)?，F(xiàn)將主要結(jié)論總結(jié)如下：

（1）對(duì)主動(dòng)軸和摩擦片進(jìn)行了瞬態(tài)響應(yīng)分析，得到了液體粘性制動(dòng)器在啟動(dòng)過程中摩擦片的應(yīng)力和速度變化的情況。

（2）分析了靜摩擦工況下內(nèi)摩擦片花鍵應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)在花鍵與主動(dòng)軸接觸的地方出現(xiàn)了應(yīng)力集中。當(dāng)摩擦片之間的間距逐漸減小，直到為0。對(duì)摩擦片表面壓力的分布進(jìn)行了仿真，給出了壓力隨時(shí)間變化的規(guī)律和壓力在摩擦片表面的分布。

（3）在摩擦片處于混合摩擦的狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此散熱能力在液體粘性制動(dòng)器的設(shè)計(jì)中變得至關(guān)重要。對(duì)摩擦片表面的溫度分析結(jié)果可知：摩擦片徑向溫度逐漸升高，溫度比較大的地方集中在摩擦片外沿。較高的溫度集中在摩擦片的某一區(qū)域，由于模型存在熱傳導(dǎo)現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力；在一定的條件下，熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)很大的熱變形，直至結(jié)構(gòu)被破壞。最后對(duì)徑向溝槽的摩擦片表面溫度分布進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)溫度分布規(guī)律和無溝槽的摩擦片大體一致，只不過有溝槽的部分溫度很低。

本章對(duì)摩擦片花鍵的仿真分析可知，在設(shè)計(jì)摩擦片的過程中校核化鍵的強(qiáng)度很重要。對(duì)摩擦片的表面壓力分布和表面溫度分布，結(jié)合上一章對(duì)油膜流場(chǎng)的分析，可以確定散熱能力比較好的表面溝槽結(jié)構(gòu)；其次，摩擦片的外緣部分是應(yīng)力集中的地方也是高溫度集中的地方，在設(shè)計(jì)摩擦片的過程中必須給予充分的考慮，一方面可以適當(dāng)增加摩擦片的厚度，另一方面可以提高油槽的散熱能力，避免摩擦片翹曲變形這一故障的發(fā)生。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

［１］魏宸管，趙家象.液體粘性傳動(dòng)技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，1996:86~91.

［２］蔡丹，魏宸管，宋文悅.濕式摩擦離合器片翹曲變行研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000.

［３］許尚賢.機(jī)械設(shè)計(jì)中的有限元法[M].北京:高等教育出版社，1992，7:266~301.

［４］Liu Fusheng，Yang Meixia.Shear Viscosity of Aluminium under Shock Compression.Chinese Physics Letters，2005，22(3):747~749.

［５］陳燕生.摩擦學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1991，6.

［６］洪琢，王軍.液體粘性離合器的研究與應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2006(8):224～225.

［７］徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第5卷[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001，1:P43-645～647.