宋萬(wàn)成，吳 森

（海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽(yáng)110043）

0 引言

某燃?xì)廨啓C(jī)的起動(dòng)離合器采用的是棘輪與制動(dòng)爪組合的結(jié)構(gòu)，并依靠離心力使制動(dòng)爪在特定轉(zhuǎn)速下脫離，這種設(shè)計(jì)使得在燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)離合器主、從動(dòng)部件沒(méi)有物理接觸，從而使機(jī)構(gòu)的壽命延長(zhǎng)和可靠性提高[1]。但在實(shí)際使用過(guò)程中，該離合器出現(xiàn)多次零件斷裂的故障。由于結(jié)構(gòu)的封閉性，較難在實(shí)物中觀察到離合器的工作過(guò)程。目前的故障分析方法是分析零件的斷口形貌并測(cè)量電機(jī)電流，從而推測(cè)故障的產(chǎn)生原因。而分析結(jié)果表明，離合器受力零件的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，電機(jī)的電流波動(dòng)與故障出現(xiàn)并無(wú)直接聯(lián)系，可能存在其他設(shè)計(jì)階段未預(yù)料到的載荷。

為分析離合器的工作過(guò)程是否存在未知的載荷情況，本文采用UG動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了模擬，記錄模擬過(guò)程中可能出現(xiàn)的沖擊、刮碰等情況，分析它們的影響因素和影響效果。

1 離合器的結(jié)構(gòu)和原理

離合器由棘輪、制動(dòng)爪、銷和傳動(dòng)齒輪組成，如圖1所示。棘輪與起動(dòng)電機(jī)連接，將扭矩通過(guò)棘齒傳遞給制動(dòng)爪。制動(dòng)爪通過(guò)銷將載荷傳遞給傳動(dòng)齒輪，從而驅(qū)動(dòng)附件機(jī)匣中的齒輪系和燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子。

圖1 離合器的結(jié)構(gòu)

起動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)齒輪處于靜止?fàn)顟B(tài)，制動(dòng)爪（如圖2所示）被彈簧彈出，與棘輪的齒面接觸。當(dāng)起動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，棘輪帶動(dòng)制動(dòng)爪和傳動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)傳動(dòng)齒輪達(dá)到某一轉(zhuǎn)速時(shí)，制動(dòng)爪配重部分的離心力使其繞銷孔旋轉(zhuǎn)，制動(dòng)爪與棘輪分離并貼靠在支承銷上。

圖2 制動(dòng)爪

2 仿真模型的建立

UG的動(dòng)力學(xué)仿真給3維實(shí)體模型的各個(gè)部件賦予一定的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，再在各個(gè)零部件之間設(shè)立運(yùn)動(dòng)副、傳動(dòng)副以及約束即可建立1個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真模型[2]。UG集成RECURDYN動(dòng)力學(xué)分析模塊，采用相對(duì)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方程理論和完全遞歸算法，適用于求解多體系統(tǒng)的碰撞問(wèn)題，廣泛用于航空、航天及其他通用機(jī)械行業(yè)[3-4]。

本文使用UG建立棘輪、制動(dòng)爪、傳動(dòng)齒輪和銷的3維模型，如圖3所示。UG的運(yùn)動(dòng)仿真具有理想的約束功能，因此忽略軸承、定距套等與離合動(dòng)作無(wú)關(guān)的零件，以便加快計(jì)算過(guò)程，提高分析精度。

在本文的運(yùn)動(dòng)仿真中不考慮零件的應(yīng)力和變形，因此制動(dòng)爪與銷的連接關(guān)系可以用旋轉(zhuǎn)副定義，并在旋轉(zhuǎn)副上添加扭簧以模擬實(shí)際的彈簧作用。扭簧的剛度系數(shù)為4.5 N·mm/（°），預(yù)壓縮角度為18°。

圖3 3維模型

制動(dòng)爪與棘輪、傳動(dòng)齒輪和支承銷之間均存在接觸的可能，因此依次設(shè)置3處3維接觸。

本文采用接觸函數(shù)(Impact)來(lái)模擬3維接觸并求解碰撞力[5-6]

式中：q0為2個(gè)碰撞物體的初始距離；q為2個(gè)物體碰撞過(guò)程中的實(shí)際距離；dq/qt為2個(gè)物體間距離隨時(shí)間的變化率；K為剛度系數(shù)；e為碰撞指數(shù)；Cmax為最大阻尼系數(shù)；d為切入深度。

在UG仿真中，主要對(duì)剛度系數(shù)（Stiffness）、碰撞指數(shù)（Force Exponent）、最大阻尼系數(shù)（Damping）和切入深度（Penetration Depth）等4個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[7]。

圖4 碰撞參數(shù)的設(shè)定

剛度系數(shù)是指在接觸時(shí)因變形而產(chǎn)生的力，取決于碰撞物體的材料和結(jié)構(gòu)形狀；碰撞指數(shù)是指物體材料在碰撞時(shí)所表現(xiàn)出的非線性程度；最大阻尼系數(shù)表示2個(gè)物體碰撞時(shí)的能量損失；切入深度是指2個(gè)物體碰撞至最大阻尼時(shí)的侵入深度[8]。本文使用UG默認(rèn)推薦的鋼-鋼碰撞參數(shù)，如圖4所示。

為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量特性，賦予傳動(dòng)齒輪質(zhì)量 400 kg，軸向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1.2×107kg·mm2。為模擬起動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子和棘輪的質(zhì)量特性，賦予棘輪質(zhì)量35 kg，軸向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 55066 kg·mm2。

棘輪與起動(dòng)電機(jī)連接，因此在棘輪的轉(zhuǎn)動(dòng)副上設(shè)置扭矩，以模擬起動(dòng)過(guò)程的扭矩輸入。按照設(shè)計(jì)原理，3組制動(dòng)爪應(yīng)同時(shí)與棘輪接觸傳力，但在實(shí)際工作時(shí)常因精度誤差出現(xiàn)單個(gè)制動(dòng)爪傳力的情況，本文模擬這種極端條件下的狀態(tài)。

起動(dòng)瞬間的仿真。某型燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)起動(dòng)時(shí)間有嚴(yán)格的要求，在起動(dòng)初始階段即向起動(dòng)系統(tǒng)輸入較大的電機(jī)扭矩。為了模擬該工況，本文使用STEP函數(shù)[9]，在0～13 s內(nèi)輸入扭矩從0增加至420 N·m，棘輪的空程則設(shè)置為結(jié)構(gòu)所能容納的最大角度22°。仿真設(shè)置時(shí)間為3 s，步數(shù)10000，以獲得準(zhǔn)確的起動(dòng)瞬間結(jié)果。

離合器脫開(kāi)的仿真。在0～13 s內(nèi)棘輪所受扭矩（T001_Math）從0增加至420 N·m，在第13 s時(shí)，給予傳動(dòng)齒輪94 N·m/s的遞增扭矩（T2_1），使其自行加速以模擬燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火后轉(zhuǎn)子獲得的燃?xì)鈩?dòng)力[10-11]，如圖5所示。仿真設(shè)置時(shí)間為25 s，步數(shù)為20000，以觀察起動(dòng)過(guò)程[12]。

圖5 扭矩的加載

3 仿真結(jié)果與分析

起動(dòng)瞬間制動(dòng)爪銷孔的受力曲線如圖6所示。起動(dòng)時(shí)制動(dòng)爪與棘輪間有22°的空程，因此棘輪在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下加速撞向制動(dòng)爪。由于與制動(dòng)爪相連的傳動(dòng)齒輪具有更大的慣性，棘輪被反向彈開(kāi)，隨后在扭矩的作用下棘輪再次撞擊制動(dòng)爪，直至二者貼合一同運(yùn)動(dòng)。

圖6 起動(dòng)瞬間制動(dòng)爪銷孔的受力

從圖中可見(jiàn)，由于空程的存在，棘輪對(duì)制動(dòng)爪有較大的沖擊力，該沖擊力經(jīng)過(guò)制動(dòng)爪傳遞給銷，在銷孔位置形成較大的剪切力。

脫離過(guò)程的模擬動(dòng)畫(huà)截圖如圖7所示。考慮到離合器內(nèi)部經(jīng)過(guò)充分潤(rùn)滑，本文的模型中沒(méi)有設(shè)置摩擦因數(shù)。從模擬動(dòng)畫(huà)中可以看到，當(dāng)制動(dòng)爪與棘輪逐漸脫開(kāi)后，制動(dòng)爪在離心力的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并沒(méi)有與棘輪再次刮碰，此時(shí)的傳動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速約為2950 r/min，與設(shè)計(jì)狀態(tài)的3000 r/min接近。

圖7 脫離過(guò)程

制動(dòng)爪與棘輪之間的碰撞現(xiàn)象是棘輪式離合器的特征[13-14]。為便于研究，將燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈變換為直線運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型，如圖8所示。

圖8 力學(xué)模型

從圖中可見(jiàn)，每個(gè)存在接觸的位置都會(huì)產(chǎn)生碰撞力，但在現(xiàn)有的起動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，制動(dòng)爪與棘輪之間的碰撞是產(chǎn)生沖擊力的主要原因。根據(jù)式（1）的求解可知，影響該處碰撞力大小的主要因素有：棘輪和制動(dòng)爪的空程距離（空程角度），驅(qū)動(dòng)力F，各零件的質(zhì)量特性和它們之間的接觸剛度、阻尼和摩擦。其中空程距離、驅(qū)動(dòng)力F和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量決定了碰撞瞬間的速度。

對(duì)于此離合器，空程距離在0～22°區(qū)間內(nèi)隨機(jī)變化，其大小取決于制動(dòng)爪和棘輪的初始位置。對(duì)3種空程距離進(jìn)行仿真計(jì)算，得到空程距離與最大沖擊力的關(guān)系，見(jiàn)表1。

表1 空程距離α與最大沖擊力F的關(guān)系

從表中可見(jiàn)，隨著空程距離的增大，沖擊力最大值增大。為減小沖擊力，可以在離合器的設(shè)計(jì)階段在滿足強(qiáng)度的前提下增加棘輪中棘齒的數(shù)量，減小齒間的分度，從而減小空程距離。

在起動(dòng)的初始階段，電機(jī)的力矩（驅(qū)動(dòng)力F）決定了沖擊瞬間制動(dòng)爪與棘輪之間的相對(duì)速度，因此應(yīng)嚴(yán)格控制空程階段電機(jī)的力矩。但所研究燃?xì)廨啓C(jī)采用了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，其低速下的控制精度較差[15]，在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)該電機(jī)在200 r/min以下時(shí)轉(zhuǎn)矩有劇烈的波動(dòng)，產(chǎn)生了較大的沖擊，造成了多次超扭和離合器制動(dòng)爪斷裂故障。因此，當(dāng)起動(dòng)系統(tǒng)選用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為動(dòng)力源，棘輪式離合器作為脫離裝置時(shí)，應(yīng)在二者之間設(shè)置緩沖器，以避免電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)離合器，減小離合器受到的扭矩沖擊。

4 結(jié)論

通過(guò)仿真試驗(yàn)可以觀察到離合器的接合和脫開(kāi)過(guò)程，在傳動(dòng)齒輪達(dá)到脫開(kāi)轉(zhuǎn)速時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)制動(dòng)爪與棘輪能夠迅速分離，沒(méi)有反復(fù)接合現(xiàn)象，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

在起動(dòng)瞬間，制動(dòng)爪及銷軸受到多次沖擊載荷作用，尤其是空程較大的起動(dòng)條件下，這種現(xiàn)象應(yīng)被充分考慮。通過(guò)增強(qiáng)強(qiáng)度儲(chǔ)備或調(diào)整起動(dòng)電機(jī)扭矩的加載規(guī)律可以避免破壞或減小沖擊力，也可在設(shè)計(jì)階段增加棘齒數(shù)量，減小分度，有效地降低沖擊力度。在起動(dòng)電機(jī)的選型上應(yīng)考慮其低速的控制精度是否滿足要求，電機(jī)與離合器之間應(yīng)設(shè)置緩沖裝置。

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