任工昌， 高 翔， 楊宇龍， 何 舟

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

液力變矩器是一種以液壓油為工作介質(zhì)的非剛性扭矩變換器，具有良好的自動(dòng)變速性能和過載保護(hù)性能，能夠有效的消除動(dòng)力傳遞中的沖擊和震動(dòng)，是液力傳動(dòng)的主要形式之一[1,2].液力變矩器主要由葉輪(渦輪、泵輪)、導(dǎo)輪、離合器等部分組成，根據(jù)葉輪的制造方法可以分為沖壓焊接型液力變矩器(以下簡(jiǎn)稱沖焊型液力變矩器)和鑄造型液力變矩器.其中沖焊型液力變矩器與鑄造型相比具有重量輕、密封性好、適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)[3,4]，在現(xiàn)代汽車和工程機(jī)械領(lǐng)域被廣泛使用.

輥鉚加工主要用于沖焊型液力變矩器的生產(chǎn)制造，由于適用范圍窄，國內(nèi)的輥鉚工藝?yán)碚撋胁煌晟?現(xiàn)有的研究主要是將連接片的彎曲過程類比于一般的鈑金折彎過程，參照鈑金V型件的自由彎曲進(jìn)行力學(xué)分析和計(jì)算[5-7].由于葉片的形狀和彎曲方向并不規(guī)則，其輥鉚過程與鈑金彎曲過程具有較大差異，這種計(jì)算方法誤差較大，加工中容易產(chǎn)生連接片根部鼓起和發(fā)生自接觸變形等問題，導(dǎo)致連接片彎曲角度不足，與葉輪內(nèi)/外環(huán)貼合不緊密，影響鉚接效果.

本研究以某型號(hào)沖焊型液力變矩器渦輪葉片為研究對(duì)象，擬采用材料力學(xué)的基本理論對(duì)輥鉚過程進(jìn)行分析計(jì)算，并使用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行仿真，通過對(duì)比仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證力學(xué)計(jì)算方法的可行性.解決了連接片彎曲角度不足，與葉輪內(nèi)/外環(huán)貼合不緊密等問題，完善輥鉚加工工藝?yán)碚?，提高液力變矩器的生產(chǎn)效率，為輥鉚機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算和輥鉚頭的國產(chǎn)化提供理論依據(jù).

1 輥鉚過程分析

沖焊型液力變矩器葉輪的內(nèi)環(huán)、外環(huán)以及葉片分別使用鋼板沖壓制造而成，然后再裝配成完整的工作葉輪.葉輪的內(nèi)環(huán)、外環(huán)及葉片的連接主要有焊接和鉚接兩種方式，與焊接相比，鉚接連接變形小，不易產(chǎn)生疲勞破壞，對(duì)連接環(huán)境要求較低[8,9]，特別適合薄件連接.葉片與葉輪內(nèi)/外環(huán)的連接屬于典型的薄件連接，可以充分發(fā)揮鉚接的優(yōu)勢(shì)，所以在葉輪的生產(chǎn)中主要通過輥鉚加工進(jìn)行鉚接.

液力變矩器的渦輪葉片由葉片主體和若干連接片組成，渦輪葉片結(jié)構(gòu)如圖1所示.葉片的輥鉚加工是指將葉片的連接片彎曲并與內(nèi)/外環(huán)的表面緊密貼合，從而達(dá)到鉚接的目的.加工效果要求連接片彎曲且方向和形狀相同，與渦輪內(nèi)/外環(huán)完全貼合，并要求間隙小于0.2mm.

圖1 渦輪葉片結(jié)構(gòu)

輥鉚加工的過程主要分為插裝定位、壓彎及滾壓三個(gè)階段.在輥鉚加工之前，首先要對(duì)葉片插裝完成的渦輪進(jìn)行定位，插裝完成效果如圖2所示.渦輪在輥鉚過程中受力作用下，易在X、Y、Z軸方向上發(fā)生位移和回轉(zhuǎn)，應(yīng)以渦輪外環(huán)為定位基準(zhǔn)，固定渦輪的六個(gè)自由度.

圖2 葉片插裝效果

預(yù)壓彎階段是指通過輥鉚頭的撥倒裝置將插裝完成的連接片從根部折彎，令其與渦輪內(nèi)/外環(huán)的夾角小于等于30°.預(yù)壓彎的目的是防止連接片的根部在滾壓階段鼓起，導(dǎo)致連接片發(fā)生自接觸變形，從而影響鉚接質(zhì)量.

滾壓階段是指通過輥鉚頭上的滾輪對(duì)已經(jīng)折彎的連接片進(jìn)行滾壓，令其進(jìn)一步彎曲，減小連接片與渦輪內(nèi)/外環(huán)表面的縫隙，使連接片與表面緊密貼合，保證葉片的鉚接質(zhì)量，輥鉚加工效果如圖3所示.

圖3 輥鉚完成效果

2 輥鉚過程的力學(xué)計(jì)算

以某型號(hào)沖焊型液力變矩器的渦輪葉片為例，對(duì)葉片連接片的彎曲過程進(jìn)行力學(xué)計(jì)算.已知葉片由厚度為1.2mm的08AL深沖鋼板沖壓而成，材料特性[10]如表1所示.

表1 葉片材料特性

2.1 壓彎力的計(jì)算

Mmin=σmaxWz≥[σs]Wz

(1)

式(1)中：M/Nm—彎矩；Wz/mm3—抗彎截面系數(shù)；σs/MPa—葉片的屈服強(qiáng)度.

已知折彎處橫截面為矩形

(2)

式(2)中：連接片寬度b=6.11 mm，連接片厚度h=1.20 mm(計(jì)算與測(cè)量結(jié)果取兩位有效數(shù)字，下同).

由式(1)可得：

M=0.60 Nm

(3)

對(duì)連接片彎曲過程進(jìn)行受力分析如圖4所示.在圖4中：Fs/N—撥倒裝置的推力；Fn/N—連接片的支撐反力；θ/(°)—連接片的彎曲角度；連接片高度l=6.27 mm.

圖4 壓彎階段受力分析

由圖4可得：

(4)

Fs=Fncosθ+fsinθ=

(5)

不計(jì)摩擦力，當(dāng)θ=0時(shí)壓彎力取得最大值Fsmax=192.25N.

2.2 滾壓力的計(jì)算

圖5 滾壓階段受力分析

忽略連接片根部變形對(duì)力臂長(zhǎng)度的影響，可得：

(6)

則連接片頂端受到的滾鉚力為：

(7)

連接片自重不計(jì)，當(dāng)α=0時(shí)滾壓力取得最大值Fvmax=99.92N.

3 連接片變形有限元分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 連接片變形有限元分析

ABAQUS有限元分析軟件致力于復(fù)雜和深入的工程問題，其強(qiáng)大的非線性分析功能在設(shè)計(jì)和研究的用戶中得到了廣泛的認(rèn)可[11].在輥鉚加工中，連接片的變形類型屬于非線性變形，本研究擬采用ABAQUS軟件對(duì)連接片變形過程進(jìn)行模擬仿真，從而對(duì)上文的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證，ABAQUS非獨(dú)立實(shí)體功能模塊使用順序[12]如圖6所示.

圖6 模塊使用順序

3.1.1 ABAQUS有限元仿真

為了減小計(jì)算量和求解時(shí)間，本次仿真將葉片的其中一個(gè)連接片單獨(dú)分離出來進(jìn)行分析，用剛體平面代替渦輪內(nèi)環(huán).

首先，對(duì)連接片和剛體平面進(jìn)行三維建模，使用SolidWorks軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模，通過ABAQUS軟件通訊接口導(dǎo)入模型并且進(jìn)行裝配.接下來，在Property功能模塊中創(chuàng)建材料并分配截面，連接片材料性能如表1所示.本次分析對(duì)象為連接片，為了減少渦輪內(nèi)環(huán)變形對(duì)分析結(jié)果的影響，將渦輪內(nèi)環(huán)設(shè)置為離散剛體.在Mesh功能模塊，對(duì)連接片和剛體平面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分效果如圖7所示.

圖7 網(wǎng)格劃分效果

連接片的變形分為兩個(gè)階段，因此建立兩個(gè)General分析步，Step1進(jìn)行預(yù)壓彎階段的分析，Step2進(jìn)行滾壓階段的分析.由于以上兩個(gè)階段連接片的變形都是塑性大變形，因此選擇迭代求解器，開啟Nlgeom(幾何非線性)選項(xiàng).選擇convert severe discontinuity iterations(轉(zhuǎn)換嚴(yán)重不連續(xù)的迭代)選項(xiàng)，防止網(wǎng)格過度變形引起的迭代不收斂的問題.

分析輥鉚過程可知，連接片所受的載荷是移動(dòng)變載荷，其大小隨作用點(diǎn)位置變化，并且載荷的施加位置也隨時(shí)間變化.ABAQUS / Standard為用戶提供了大量的用戶子程序，能夠使ABAQUS適應(yīng)其特定的分析需求.當(dāng)負(fù)載是時(shí)間和/或位置的復(fù)雜函數(shù)時(shí)，通常使用ABAQUS用戶子程序DLOAD[13-15].本次模擬使用FORTRAN語言編寫子程序代碼，并通過DLOAD子程序接口定義載荷，部分代碼如下.

…

SUBROUTINE DLOAD(F,KSTEP,KINC,TIME,NOEL,NPT,

1 LAYER,KSPT,COORDS,JLTYP,SNAME)

C

INCLUDE ‘ABA_PARAM.INC’

C

DIMENSION TIME(2),COORDS(3)

CHARACTER*80 SNAME

PARAMETER(P0=192.25,Dm0=6.27,Dmiu=0.002,speed=1,width=0.2)

Pi=3.14

Disp=TIME(1)*speed

CONST=COORDS(2)/(0.31+Disp)

xMin=Disp+0.002

xMax=Disp+width-0.002

IF(COORDS(2).ge.xMin.and.COORDS(2).lt. xMax)THEN

F=P0*CONST*CONST

ELSE

F=0

END IF

…

接下來設(shè)置邊界條件，選擇ENCASTRE選項(xiàng)將連接片的底部和剛體平面完全固定，然后建立接觸，定義連接片的彎曲面與剛體的上表面為Surface-to-surface contact接觸，其中剛體的上表面為主面，連接片為從面.不計(jì)摩擦力，將切向?qū)傩栽O(shè)置為Frictionless，采用小滑移計(jì)算公式，數(shù)據(jù)檢查無誤后提交作業(yè).

3.1.2 仿真結(jié)果分析

進(jìn)入Visualization模塊，查看分析結(jié)果，兩個(gè)分析步的等效塑性應(yīng)變結(jié)果如圖8所示.為了更加直觀的分析連接片的受力變形過程，在連接片內(nèi)側(cè)頂部建立了參考點(diǎn)，通過其豎直方向的位移來體現(xiàn)連接片的變形程度.

圖8 等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

在Result模塊中輸出ODB場(chǎng)變量，并在Origin中繪制了參考點(diǎn)的位移與載荷的變化曲線，參考點(diǎn)位移與載荷變化趨勢(shì)如圖9所示.從圖9可以看出，壓彎力和滾壓力的數(shù)值和變化趨勢(shì)與計(jì)算結(jié)果相符，其中預(yù)壓彎階段和滾壓階段參考點(diǎn)的豎直位移分別為3.18 mm和3.09 mm，壓彎力和滾壓力的峰值分別為192.25 N和99.2 N.

(a) step1

(b) step2圖9 位移-載荷曲線圖

使用Query選項(xiàng)中的Angle和Distance工具對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表2所示.連接片的彎曲角度和與渦輪內(nèi)環(huán)的間隙均滿足加工要求.

表2 測(cè)量結(jié)果

3.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

使用ABAQUS軟件對(duì)連接片的變形過程進(jìn)行模擬仿真，可以預(yù)見連接片的變形過程和結(jié)果，初步驗(yàn)證了力學(xué)計(jì)算方法的可行性.零件在實(shí)際加工中的工況比較復(fù)雜，影響加工效果的因素很多，模擬仿真存在一定的局限性，因此接下來對(duì)葉輪的輥鉚過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

影響連接片鉚接效果的工藝參數(shù)主要有撥倒力、滾壓力、保壓時(shí)間等，本研究借助陜西某企業(yè)的P-802753型輥鉚機(jī)對(duì)上述葉輪進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，部分工藝參數(shù)如表3所示.

表3 工藝參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取了十二個(gè)葉片插裝完成后的液力變矩器的渦輪，對(duì)渦輪的內(nèi)環(huán)進(jìn)行了輥鉚加工，鉚接效果如圖10所示.

圖10 實(shí)驗(yàn)結(jié)果細(xì)節(jié)

在每個(gè)加工完成的渦輪內(nèi)環(huán)上隨機(jī)選取了一個(gè)連接片進(jìn)行測(cè)量，使用式(8)計(jì)算出了渦輪內(nèi)環(huán)與連接片的間隙，計(jì)算結(jié)果如表4所示.

S=m-(h+n)

(8)

式(8)中：S/mm—間隙，m/mm—渦輪內(nèi)環(huán)與連接片的總厚度，n/mm—渦輪葉片厚度，h同上.

表4 計(jì)算結(jié)果

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，去掉最大值0.20和最小值0.05，可得：

另外，還可由表2知，ABAQUS軟件的仿真結(jié)果，連接片與渦輪內(nèi)環(huán)的間隙

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果雖然略有差別，但仍然滿足加工要求.考慮到仿真過程中忽略了渦輪內(nèi)環(huán)的變形等因素，誤差仍在可接受范圍之內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了輥鉚力學(xué)計(jì)算方法的正確性及有效性.

4 結(jié)論

本文根據(jù)沖焊型液力變矩器的葉輪結(jié)構(gòu)和加工工況，分析了葉輪的輥鉚加工過程.針對(duì)當(dāng)前生產(chǎn)中存在的連接片彎曲角度不足，與葉輪內(nèi)/外環(huán)貼合不緊密等問題，改進(jìn)了輥鉚加工中壓彎力和滾壓力的計(jì)算方法并通過ABAQUS軟件對(duì)連接片的變形過程進(jìn)行了仿真，通過對(duì)比仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)算方法的可行性.

本研究以某型號(hào)沖焊型液力變矩器為研究對(duì)象，對(duì)連接片及渦輪內(nèi)環(huán)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，忽略了加工中的摩擦力，未考慮渦輪在加工中存在的彈性變形等問題，具有一定的局限性.液力變矩器的葉片形狀多種多樣，應(yīng)當(dāng)具體問題具體分析.