牛光冉，聶振金，吳 昊，王丹陽

單楔塊雙向逆止器接觸應力仿真分析

牛光冉，聶振金，吳 昊，王丹陽

（北京精密機電控制設備研究所，北京，100076）

為了減少卡滯現(xiàn)象，設計一種單楔塊雙向逆止器并列舉兩種實例進行自鎖分析。采用PROE軟件建立了兩種單楔塊雙向逆止器的三維模型。通過ANSYS有限元分析進一步驗證楔塊的自鎖性，研究表明：楔塊自鎖的理論計算結(jié)果與有限元分析結(jié)果具有較好的一致性，設計的此種單楔塊雙向逆止器具有一定的自鎖能力。

單楔塊；雙向逆止器；自鎖分析；有限元分析

0 引 言

雙向逆止器是機械傳動的常見部件，與單向逆止器的不同是：順、逆時針兩個方向的轉(zhuǎn)動和鎖死都可實現(xiàn)[1,2]。與傳統(tǒng)的棘輪逆止器相比，雙向逆止器能實現(xiàn)雙向傳動和無級調(diào)節(jié)；與雙向滾柱式、雙向滑塊式逆止器相比，可減少卡滯現(xiàn)象。單向逆止器一般應用在石油、礦山、建筑等大型機械設備中，而雙向逆止器在新能源汽車、地鐵以及航空航天武器中得到日益廣泛的應用。

本文對單楔塊雙向逆止器關鍵零件楔塊進行自鎖研究，設計一種楔塊并進行理論分析及仿真驗證。

1 單楔塊雙向逆止器的結(jié)構(gòu)和工作原理

單楔塊雙向逆止器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由主動軸、從動軸、楔塊和外殼組成。主動軸和從動軸之間通過楔塊連接。逆止器通過平鍵與主動、從動軸連接，外殼固定不動，主動軸的順、逆時針轉(zhuǎn)動可帶動從動軸兩個方向轉(zhuǎn)動；相反，在從動軸方向施加一定轉(zhuǎn)矩，并不能使主動軸轉(zhuǎn)動。由此實現(xiàn)主動端可雙向傳動、從動端的雙向鎖死功能。由于特殊的結(jié)構(gòu)，單楔塊雙向逆止器一般與滾珠絲杠一起使用，實現(xiàn)雙向傳動或鎖緊[3,4]。

圖1 單楔塊雙向逆止器的結(jié)構(gòu)

2 單楔塊雙向逆止器的楔塊分析

2.1 楔塊的自鎖分析

e）總幾何關系

續(xù)圖2

由幾何關系知：

在△ANQ中：

在△中：

解得：

滿足楔塊自鎖的條件是：

2.2 楔塊的設計

設計一種楔塊，楔塊兩側(cè)與逆止器外殼相切，如圖3所示。根據(jù)設計思路，示例兩種楔塊，如圖4所示，通過理論計算驗證兩種楔塊是否均滿足自鎖。

圖3 楔塊形狀簡圖

圖4 兩種楔塊

外殼內(nèi)徑=17.5 mm，=7 mm，=20 N·m，計算此時點的楔角。

a）楔塊1自鎖計算。

b）楔塊2自鎖計算。

3 單楔塊雙向逆止器有限元分析

3.1 接觸分析模型假設

為方便研究楔塊和外殼的接觸狀況，作如下簡化：a）楔塊與外殼之間的接觸符合庫侖摩擦定律；b）忽略高溫對零件造成的熱變形影響；c）對結(jié)果沒有太大影響的幾何體包括：倒角、圓角等不考慮。

3.2 有限元模型建立

a）幾何建模。用 PROE軟件建立兩種單楔塊雙向逆止器的幾何模型，然后轉(zhuǎn)化為x_t格式導入ANSYS，如圖5所示。

圖5 單楔塊雙向逆止器的三維模型

b）模型簡化。本文對楔塊和外殼的接觸狀況進行仿真分析。為了節(jié)約計算資源，忽略卡簧、軸承、墊片、主動軸及從動軸等非主要接觸部件。

c）網(wǎng)格劃分。楔塊采用多區(qū)域網(wǎng)格劃分，外殼采用Face meshing網(wǎng)格劃分，增加關注區(qū)域的網(wǎng)格密度。如圖6所示。楔塊1共生成40 451個節(jié)點和7904個單元，楔塊2共生成37 900個節(jié)點和7364個單元[6~10]。

圖6 單楔塊雙向逆止器有限元分析模型

d）材料數(shù)據(jù)。單楔塊雙向逆止器中楔塊和外殼的材料為GCr15，材料參數(shù)特性見表1。

表1 單楔塊雙向逆止器材料參數(shù)特性

Tab 1. Material Parameter Characteristics for Single Wedge Bi-directional Reverse-locking Clutch

參數(shù)數(shù)值 GCr15 溫度/℃28~150 彈性模量E/GPa212~206 屈服極限/MPa1665~1815

e）載荷數(shù)據(jù)。設定單楔塊雙向逆止器的逆止力矩為20 N·m。將其轉(zhuǎn)化為力1=2626 N，2=2691 N。

f）接觸的定義和設置。楔塊和外殼的接觸為摩擦接觸。其中楔塊為接觸面，外殼為目標面，摩擦系數(shù)為0.1。

3.3 楔塊與外殼的接觸分析

經(jīng)ANSYS計算得到楔塊1、楔塊2與外殼的接觸應力，分別如圖7、圖8所示。

圖7 外殼和楔塊1的等效應力

圖8 外殼和楔塊2的等效應力

楔塊1、楔塊2與外殼的接觸應力計算值如表2所示。

表2 楔塊和外殼接觸應力

Tab 2. Contact Stress between Wedge and Outer Casing

位置外殼楔塊1外殼楔塊2 等效應力/MPa315.271798.4220.821581

表2表明，GCr15材料的最大屈服應力為 3300 MPa，是楔塊1接觸應力1798.4 MPa的1.84倍；是楔塊2觸應力1581 MPa的2.1倍，因此兩種楔塊的接觸應力均在安全應力范圍之內(nèi)。

3.4 楔塊的自鎖分析

由Force reaction得到楔塊與外殼接觸區(qū)域、點的作用力，如表3所示。

表3 接觸區(qū)域作用力

Tab.3 Force Reaction in the Contact Area

位置作用力t=0.1st=0.2st=0.3st=0.4st=0.5st=0.6st=0.7st=0.8st=0.9st=1s 楔塊1Ax軸/N1250.11250.71250.71250.81250.91250.91250.91250.91250.91250.9 y軸/N-3920.5-3945.1-3944.6-3945.6-3945.6-3945.6-3945.6-3945.6-3945.6-3945.6 z軸/N0.196920.207770.20960.221760.222320.222310.222320.222310.22230.22231 總作用力/N41154138.64138.24139.14139.14139.14139.14139.14139.14139.1 Bx軸/N1375.81375.31375.21375.21375.11375.11375.11375.11375.11375.1 y軸/N4314.94340.34339.94341.14341.14341.14341.14341.14341.14341.1 z軸/N0.109488.97×10-28.90×10-28.43×10-28.19×10-28.20×10-28.20×10-28.20×10-28.20×10-28.19×10-2 總作用力/N45294552.94552.54553.74553.74553.74553.74553.74553.74553.7 楔塊2Ax軸/N1265.91266.51266.61266.71266.71266.71266.71266.71266.71266.7 y軸/N-3710.4-3730.2-3729.8-3730.3-3730.3-3730.3-3730.3-3730.3-3730.3-3730.3 z軸/N0.511180.554180.557120.570950.570960.570970.570960.570960.570960.57097 總作用力/N3920.43939.43938.93939.53939.53939.53939.53939.53939.53939.5

續(xù)表3

位置作用力t=0.1st=0.2st=0.3st=0.4st=0.5st=0.6st=0.7st=0.8st=0.9st=1s 楔塊2Bx軸/N14251424.41424.41424.31424.31424.31424.31424.31424.31424.3 y軸/N4162.64183.24182.84183.54183.54183.54183.54183.54183.54183.5 z軸/N1.19841.24321.24671.2631.26391.26391.26391.26391.26391.2639 總作用力/N4399.744194418.64419.34419.34419.34419.34419.34419.34419.3

4 結(jié) 論

以單楔塊雙向逆止器的楔塊為研究對象，分析自鎖原理并用ANSYS進行仿真驗證，得到以下結(jié)論：

a）設計的單楔塊雙向逆止器具有一定的自鎖能力；

b）列舉兩種尺寸的楔塊證明此種逆止器具有設計余量，在容差允許范圍內(nèi)均能自鎖。

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Contact Stress Simulation and Analysis of Single Wedge Bi-Directional Reverse-Locking Clutch

Niu Guang-Ran, Nie Zhen-Jin, Wu Hao, Wang Dan-yang

(Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls, Beijing, 100076)

In order to reduce the stuck phenomenon, a single wedge bi-directional reverse-locking clutch is designed and two examples are listed for self-locking analysis. Three-dimensional models of two single wedge bi-directional reverse-locking clutches are established by PROE software. The ANSYS finite element analysis is used to further verify the self-locking of the wedge. Research shows that the theoretical calculation results of self-locking of the wedge are in good agreement with the results of finite element analysis. This kind of single wedge bi-directional reverse-locking clutch has a certain self-locking ability.

single wedge; bi-directional reverse-locking clutch; self-locking analysis; finite element analysis

TH133.4

A

1004-7182(2020)01-0078-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20200114

2019-09-25；

2019-12-06

牛光冉（1995-），女，碩士研究生，主要研究方向為機電伺服系統(tǒng)設計。

聶振金（1973-），男，研究員，主要研究方向為機電伺服系統(tǒng)。

吳 昊（1986-），男，高級工程師，主要研究方向為機電伺服系統(tǒng)。

王丹陽（1993-），女，工程師，主要研究方向為機電伺服系統(tǒng)。