段祥宇，張 平

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

作為一種常見機(jī)械零部件，超越離合器由于其防止逆轉(zhuǎn)的機(jī)械傳動(dòng)特點(diǎn)，已被應(yīng)用于不同領(lǐng)域的諸多產(chǎn)品中。超越離合器使用中的變形對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)變形與回差的影響不可忽略，變形過大會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)性能甚至可能導(dǎo)致部件失效損壞。因此，為滿足工程使用要求，利用有限元方法對(duì)超越離合器進(jìn)行分析具有重要意義。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)超越離合器進(jìn)行了廣泛而深入的研究。龔正等采用有限元方法，對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的滾柱式超越離合器的工作應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，并通過臺(tái)架和路試對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；石光林等采用赫茲接觸理論對(duì)超越離合器關(guān)鍵部件間的接觸應(yīng)力進(jìn)行分析，還針對(duì)目前對(duì)滾柱式超越離合器動(dòng)力學(xué)研究不足的現(xiàn)狀，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)其超越和楔合工況進(jìn)行仿真分析；嚴(yán)宏志等對(duì)強(qiáng)制連續(xù)約束型超越離合器的彈簧力學(xué)行為進(jìn)行了分析；劉釗等為改善現(xiàn)有離合器彈簧可靠性不足的問題設(shè)計(jì)了一種新型超越離合器，并通過有限元軟件進(jìn)行了仿真，確認(rèn)其有足夠強(qiáng)度；鄭富磊等建立并推導(dǎo)了撥叉式超越離合器退楔力矩的數(shù)學(xué)解析表達(dá)式，將此理論分析與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；侯祥穎等梳理嚙合式、摩擦式兩種不同類型的超越離合器相關(guān)文獻(xiàn)，并分析超越離合器的未來發(fā)展方向。

目前關(guān)于撥叉式超越離合器的研究較少，本文主要介紹撥叉式超越離合器的工作原理，并利用ABAQUS軟件對(duì)撥叉為主動(dòng)件時(shí)順、逆時(shí)針工況下的該結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行有限元分析。

1 撥叉式超越離合器的工作原理

撥叉式超越離合器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在傳遞動(dòng)力時(shí)，電機(jī)通過傳動(dòng)軸連接撥叉，星輪內(nèi)孔通過傳動(dòng)軸連接負(fù)載。

當(dāng)撥叉作為主動(dòng)件時(shí)，超越離合器有以下兩種工況:（1）電機(jī)帶動(dòng)撥叉順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)撥叉直接推動(dòng)星輪；（2）電機(jī)帶動(dòng)撥叉逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)撥叉需先推動(dòng)滾柱，滾柱壓緊彈簧后再推動(dòng)星輪傳遞動(dòng)力。

當(dāng)星輪作為主動(dòng)件時(shí)也有兩種工況：（1）星輪順時(shí)針推動(dòng)滾柱壓緊彈簧后再推動(dòng)撥叉旋轉(zhuǎn)；（2）星輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，滾柱被外圈和星輪間的楔形卡住鎖死，星輪將不能傳遞動(dòng)力。在動(dòng)力正常傳遞的情況下，星輪順時(shí)針工況同撥叉逆時(shí)針工況，故本文針對(duì)撥叉兩種工況進(jìn)行分析。

2 有限元分析

2.1 有限元模型的前處理

1.網(wǎng)格劃分

將離合器的幾何模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中，滾柱、外圈、頂銷均采用C3D8R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，星輪與撥叉部分無需精確求解區(qū)域采用C3D4和C3D6單元，其余均采用C3D8R單元?jiǎng)澐帧?/p>

2.材料屬性

超越離合器的撥叉材料為38CrMoAlA，其余零部件材料為GCr15。超越離合器材料相關(guān)參數(shù)如表1所示。

撥叉與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接處建立參考點(diǎn)施加耦合約束，星輪與負(fù)載連接處建立參考點(diǎn)施加耦合約束，外圈固定不動(dòng)約束其全部自由度。以下將介紹撥叉作為主動(dòng)件時(shí)順、逆時(shí)針工況下的有限元接觸分析。

2.2 順時(shí)針工況有限元分析

1.分析步設(shè)定

設(shè)置兩個(gè)靜態(tài)通用分析步求解，分析步及邊界條件定義如下：

（1）step1：在撥叉耦合點(diǎn)上施加一個(gè)小軸向轉(zhuǎn)角，使星輪與撥叉在該轉(zhuǎn)角下產(chǎn)生強(qiáng)制接觸，約束星輪的所有自由度。

（2）step2：在撥叉耦合點(diǎn)上施加轉(zhuǎn)矩15 250 N·mm，并釋放撥叉的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)方向自由度，約束星輪的所有自由度。

2.接觸的定義和設(shè)置

選擇面-面接觸來建立撥叉和星輪之間的接觸關(guān)系，撥叉為主面，星輪為從面，接觸屬性為面-面接觸，采用罰函數(shù)算法，摩擦因數(shù)為0.15。據(jù)以上方法建立的有限元模型如圖2所示。

3.順時(shí)針有限元分析結(jié)果

提交計(jì)算即可得到順時(shí)針工況下超越離合器的應(yīng)力分布情況。撥叉的應(yīng)力云圖如圖3所示。星輪的應(yīng)力云圖如圖4所示。由云圖可以看出，撥叉的最大Mises應(yīng)力為13.104 MPa，星輪的最大Mises應(yīng)力為9.747 MPa，兩部件最大應(yīng)力位置均為接觸面根部。通過查詢得到材料38CrMoAlA和GCr15的屈服應(yīng)力分別為835 MPa和518.4 MPa，兩部件最大應(yīng)力位置均小于材料屈服極限，滿足強(qiáng)度要求。

2.3 逆時(shí)針工況有限元分析

1.分析步設(shè)定

設(shè)置四個(gè)靜態(tài)通用分析步求解。分析步及邊界條件定義如下：

（1）step1：通過連接器單元加入帶有初始應(yīng)力的彈簧，彈簧被壓縮到初始裝配位置，約束除頂銷外其余部件的所有自由度；

（2）step2：在撥叉耦合點(diǎn)上施加一個(gè)小轉(zhuǎn)角使其與滾柱建立接觸，釋放滾柱局部坐標(biāo)系下的水平方向自由度，約束其他自由度；

（3）step3：在撥叉耦合點(diǎn)上施加轉(zhuǎn)矩?15 250 N·mm，釋放軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；

（4）step4：在撥叉耦合點(diǎn)上施加轉(zhuǎn)矩?15 250 N·mm，釋放軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，釋放滾柱平面內(nèi)的自由度。

2.接觸的定義和設(shè)置

滾柱接觸比較復(fù)雜，選擇面-面接觸來建立滾柱與撥叉、星輪、外圈和頂銷的接觸關(guān)系。接觸參數(shù)設(shè)置同順時(shí)針工況。

為提高計(jì)算效率，將網(wǎng)格適當(dāng)加粗，據(jù)以上方法建立的計(jì)算模型如圖5所示。

3.逆時(shí)針有限元分析結(jié)果

提交計(jì)算后得到超越離合器的應(yīng)力分布情況，此工況下滾柱的應(yīng)力最大為131.667 MPa，位置在與撥叉接觸一端，滾柱的應(yīng)力云圖如圖6所示。滾柱最大應(yīng)力小于相應(yīng)材料的屈服極限，零件滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

本文對(duì)撥叉式超越離合器進(jìn)行順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)工況下的有限元模擬分析，零件強(qiáng)度滿足要求。順時(shí)針工況下?lián)懿嬷苯油苿?dòng)星輪，撥叉與星輪工作接觸面的根部位置應(yīng)力較大；逆時(shí)針工況下滾柱先頂住頂銷，隨著彈簧的壓縮，滾柱接觸到星輪傳遞動(dòng)力，此時(shí)滾柱與撥叉接觸一端應(yīng)力較大。

有限元分析可為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，對(duì)提高機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)性能和超越離合器的使用壽命均有重要意義。