王強(qiáng)

?

基于A(yíng)NSYS WorkBench一字型轉(zhuǎn)軸扭矩分析

王強(qiáng)

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

通過(guò)ANSYS WorkBench中瞬態(tài)動(dòng)力分析模塊對(duì)新型一字型轉(zhuǎn)軸進(jìn)行了扭矩分析，分析中，錐片變形設(shè)為非線(xiàn)性，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置了接觸面的摩擦因數(shù)。分析結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)軸工作過(guò)程中，錐片均為彈性變形，變形不均勻，摩擦應(yīng)力分布不均勻，錐片與軸套絕大部分處于滑動(dòng)狀態(tài)，小部分會(huì)產(chǎn)生粘連，接觸面之間幾乎沒(méi)有穿透，錐片與軸套間的摩擦力隨著軸芯位置呈現(xiàn)非線(xiàn)性增大，并得出轉(zhuǎn)軸扭矩與軸芯位移之間的非線(xiàn)性變化曲線(xiàn)。

轉(zhuǎn)軸；扭矩；有限元分析；摩擦；ANSYS WorkBench

轉(zhuǎn)軸是鏈接產(chǎn)品中必須用到的，常用于手機(jī)（翻蓋或旋轉(zhuǎn)屏手機(jī)）、筆記本電腦、便攜式DVD、LED臺(tái)燈、LCD顯示屏、GPS等車(chē)載支架等。在轉(zhuǎn)軸產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中，核心問(wèn)題是轉(zhuǎn)軸扭矩的控制。企業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)軸的過(guò)程中，常利用扭矩測(cè)試儀來(lái)確定轉(zhuǎn)軸扭矩的大小。

對(duì)于新型的一字型轉(zhuǎn)軸，在產(chǎn)品試制和量產(chǎn)中，都需要確定扭矩，以往是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行分析和判斷，工作量較大，周期長(zhǎng)。本文通過(guò)有限元方法及ANSYS WorkBench軟件對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行擠壓、摩擦及扭矩分析，確定螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)軸芯位移與轉(zhuǎn)軸扭矩的關(guān)系，為此類(lèi)型轉(zhuǎn)軸的生產(chǎn)提供依據(jù)，縮短其生產(chǎn)、測(cè)試周期。

1 新型一字轉(zhuǎn)軸

如圖1所示，一字型轉(zhuǎn)軸由4個(gè)零部件組成，該轉(zhuǎn)軸軸套內(nèi)孔為圓柱面，錐片外表面為圓柱面、內(nèi)表面為錐面，軸芯外表面為錐面，通過(guò)錐片內(nèi)表面和軸芯外表面兩個(gè)錐面的配合，以及錐片的彈性變形，實(shí)現(xiàn)錐片外表面圓柱面直徑的變化，從而使錐片外圓與軸套內(nèi)孔產(chǎn)生擠壓力，形成摩擦力，構(gòu)成轉(zhuǎn)軸扭矩。

1軸套 2螺母 3錐片 4軸芯

2 有限元分析

兩物體表面接觸過(guò)程是高度非線(xiàn)，涉及到接觸面間剛度、摩擦條件等多種非線(xiàn)性因素；錐片為彎曲薄片，考慮變形非線(xiàn)性，使用傳統(tǒng)模型建立和分析計(jì)算困難[1]。本文采用ANSYS WorkBench分析錐片外圓與軸套內(nèi)孔產(chǎn)生的擠壓及摩擦，從而計(jì)算轉(zhuǎn)軸扭矩；采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模塊，通過(guò)施加位移約束來(lái)模擬螺母鎖緊時(shí)軸芯的位移。

根據(jù)分析需求，去除兩端連接部分和鎖緊螺母，建立分析模型如圖2所示，該模型包含軸套、錐片（3個(gè)）以及軸芯。軸芯直徑6 mm、錐度1°，錐片厚度0.4 mm、與軸套接觸寬度1 mm，軸套厚度0.75 mm、長(zhǎng)度10 mm。

根據(jù)一字型轉(zhuǎn)軸常用材料，本次分析采用中碳鋼45#，密度7.85 g/cm3，彈性模量210 GPa，泊松比0.269，抗拉強(qiáng)度600 MPa。

該分析模型中的接觸根據(jù)裝配體模型導(dǎo)入自動(dòng)識(shí)別，考慮轉(zhuǎn)軸工作時(shí)，錐片與軸芯之間涂有潤(rùn)滑脂，以及軸芯與錐片軸向有較大位移，錐面之間的擠壓力遠(yuǎn)大摩擦力作用，為此錐片和軸芯接觸面類(lèi)型為Frictionless；錐片與軸套之間形成轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，因此錐片和軸套接觸面類(lèi)型為Frictional。摩擦過(guò)程中，假設(shè)符合庫(kù)侖定律，摩擦因數(shù)保持不變，摩擦系數(shù)為0.15。

轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，使用軟件自動(dòng)劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分物理優(yōu)選項(xiàng)設(shè)為Mechanical。劃分結(jié)果如圖2所示。

設(shè)置4個(gè)求解步，每步1 s，根據(jù)轉(zhuǎn)軸工作實(shí)際情況，設(shè)置如圖3所示的固定面，軸芯左端面設(shè)為位移約束，模擬螺母鎖緊時(shí)軸芯的軸向位移，如圖4所示，在方向按4個(gè)求解步設(shè)置相應(yīng)的位移約束，如表1所示，并對(duì)軸套加載旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，角速度為0.5 rad/s。

圖2 轉(zhuǎn)軸分析模型及網(wǎng)格劃分

圖3 固定面約束

圖4 位移面約束

表1 位移量設(shè)置

ANSYS WorkBench中接觸算法有純罰函數(shù)法、增強(qiáng)拉格朗日法、多點(diǎn)約束方程法以及純拉格朗日法，考慮到錐片較薄可能存在非線(xiàn)性大變形，選擇增強(qiáng)拉格朗日法，并且分析設(shè)置中打開(kāi)大變形分析項(xiàng)[1]。

接觸分析結(jié)果如圖5所示，圖5（a）中最大摩擦應(yīng)力為9.1131 MPa，分布不均勻；圖5（b）中最大接觸壓力為134.85 MPa，說(shuō)明錐片與軸套接觸部分為彈性變形，使用庫(kù)倫定律分析摩擦力與扭矩結(jié)果可靠；圖5（c）說(shuō)明轉(zhuǎn)軸錐片與軸套絕大部分處于滑動(dòng)狀態(tài)，小部分會(huì)產(chǎn)生粘連；圖5（d）說(shuō)明接觸面與目標(biāo)面之間幾乎沒(méi)有穿透。

圖5 轉(zhuǎn)軸接觸分析結(jié)果

隨著軸芯的軸向位移，錐片與軸套之間的最大摩擦應(yīng)力如圖6所示，根據(jù)“probe”探測(cè)出摩擦力并計(jì)算出錐片與軸套之間扭矩如圖7所示，隨著軸芯的線(xiàn)性移動(dòng)，扭矩的增加并非線(xiàn)性，與類(lèi)似轉(zhuǎn)軸實(shí)際測(cè)試結(jié)果非線(xiàn)性一致。

圖6 錐片與軸套間最大摩擦應(yīng)力

3 總結(jié)

針對(duì)企業(yè)中轉(zhuǎn)軸扭矩測(cè)算較難的問(wèn)題，利用ANSYS WorkBench軟件對(duì)新型一字轉(zhuǎn)軸進(jìn)行了有限分析，得出接觸面摩擦應(yīng)力、接觸壓力、接觸狀態(tài)等的分布規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)軸芯移動(dòng)時(shí)，在接觸面上摩擦應(yīng)力不均勻，具有很大的非線(xiàn)性，不適合采用簡(jiǎn)化的擠壓變形模型來(lái)求解摩擦力及扭矩。

通過(guò)軟件分析得到轉(zhuǎn)軸的扭矩大小及與軸芯位移的具體關(guān)系，為新型一字型轉(zhuǎn)軸扭力的確定提供了參考依據(jù)。后續(xù)可以通過(guò)修改幾何模型尺寸，比如錐片的錐度、厚度及寬度等參數(shù)，模擬位移條件下的轉(zhuǎn)軸扭矩，直至滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，避免了設(shè)計(jì)的盲目性，為轉(zhuǎn)軸的研發(fā)和生產(chǎn)提供了具體可靠的參考。

圖7 錐片與軸套間扭矩

[1]陳艷霞. ANSYS WorkBench 15.0有限元分析[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[2]劉江. ANSYS WorkBench 14.5機(jī)械仿真實(shí)例詳解[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[3]陳慧，劉海岷，楊群. 基于A(yíng)NSYS WorkBench直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)環(huán)抱式制動(dòng)結(jié)構(gòu)的摩擦接觸分析[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2015（2）：4-5.

[4]黃健萌，高誠(chéng)輝. 粗糙面變形特性對(duì)摩擦溫度與接觸壓力的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012（4）：202-206.

[5]張建水，殷玉楓，趙肖敏，等. 基于A(yíng)NSYS 的軸套過(guò)盈配合接觸分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2014（5）：21-25.

[6]李德金，劉曉龍，王虎，等. 基于A(yíng)NSYS的錐度轉(zhuǎn)軸過(guò)盈套裝分析對(duì)比[J]. 湖南農(nóng)機(jī)，2014（5）：82-83.

[7]韓志峰，李云峰. 基于A(yíng)NSYS 的電主軸軸承預(yù)緊與過(guò)盈配合分析[J]. 機(jī)械，2010（12）：15-17.

[8]劉海軍. 長(zhǎng)壽命開(kāi)合扭矩差異型筆記本摩擦轉(zhuǎn)軸的開(kāi)發(fā)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2013.

Torque Analysis of LinearType Hinge Based on ANSYS WorkBench

WANG Qiang

(SuzhouInstitute of Trade & Commerce, Suzhou 215009 , China )

Torque analysis of linear type hinge by transient structural in ANSYS WorkBench, in the analysis, the deformation of cone pieces is nonlinear, the friction coefficient of the contact surface is set up according to the actual situation. Analysis results show that cone pieces are elastic deformation, inhomogeneous deformation, friction stress distribution is not uniform, the vast majority of cone pieces and sleeve in sliding state, small part will produce adhesion, little penetration between the contact surfaces, the friction force between the cone pieces and the shaft sleeve increases nonlinearly with the central spindle displacement, the nonlinear curve between the torque of the hinge and the displacement of the spindle is got.

hinge；torque；finite element analysis；friction；ANSYS WorkBench

TP303

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.006

1006－0316 (2018) 07－0025－03

2017－10－12

蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然類(lèi)項(xiàng)目（KY-ZR1709）

王強(qiáng)（1981－），男，江蘇徐州人，碩士研究生，講師，工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。