姜宏艷 樊 紅 李興河 周瑞平

(武漢理工大學(xué)船海與能源動力學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

楔塊式超越離合器是工作于主動件和從動件之間實現(xiàn)動力傳遞及分離功能的重要部件，利用主動件和從動件之間的速度變化來實現(xiàn)自動離合功能.主要用于機械傳輸及航空動力部件中.

國內(nèi)外學(xué)者針對楔塊式超越離合器的研究取得了眾多成果.Williams等[1]基于斜撐式離合器的動態(tài)特性建立離合器在楔合過程中多因素下的滑動模型.Huang等[2]給出了對數(shù)型楔塊式超越離合器的法向力迭代方法，利用遺傳算法對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.Xu等[3]在考慮了非線性能量耗散方法的基礎(chǔ)上建立了完整的斜撐式超越離合器的數(shù)學(xué)模型.Liu等[4]對超越離合器進(jìn)行仿真與實驗的動態(tài)特性分析.石光林等[5]對滾柱式超越離合器的超越及楔合過程進(jìn)行分析.嚴(yán)宏志等[6]對阿基米德曲面楔塊的動力學(xué)特性進(jìn)行分析.吳凱等[7]對強制連續(xù)性超越離合器進(jìn)行設(shè)計和動力學(xué)分析，并對離合器的動態(tài)性能進(jìn)行實驗分析.羅浩等[8]對不同類型的單向離合器進(jìn)行性能分析及仿真研究.趙美奇等[9]對楔塊式單向離合器進(jìn)行靜力學(xué)有限元仿真分析并研究了零件的加工和裝配過程.

漸開線工作型面具有降低楔塊與內(nèi)外環(huán)接觸應(yīng)力、提高強度、增大力矩等優(yōu)點[10]，而目前對楔塊式超越離合器的研究多以偏心圓弧工作型面為主，針對漸開線工作型面楔塊式超越離合器的接觸特性研究很少.楔塊式超越離合器主要由外環(huán)、內(nèi)環(huán)、成組的楔塊、保持架和彈簧以及軸承組成，利用楔塊和內(nèi)外環(huán)間的斜撐作用來傳遞轉(zhuǎn)矩，因此接觸面的摩擦狀況對離合器楔入及楔合時的力學(xué)特性有直接影響.文中以CSK30超越離合器為原型設(shè)計一種漸開線工作面的楔塊式超越離合器，利用有限元和動力學(xué)分析方法，研究不同摩擦條件下其接觸特性，從而得出最佳摩擦條件范圍.

1 楔塊式超越離合器結(jié)構(gòu)及工作原理

楔塊式超越離合器由內(nèi)環(huán)、外環(huán)、楔塊、彈簧、保持器、鋼球、蓋片等組成.楔塊放置在內(nèi)、外環(huán)之間，楔塊利用和內(nèi)、外環(huán)間的楔緊和脫開過程來傳遞扭矩，其結(jié)構(gòu)原理圖見圖1.當(dāng)外環(huán)(主動件)按順時針旋轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)速大于內(nèi)環(huán)(從動件 )時，由于彈簧壓緊力和楔塊與環(huán)面間的摩擦力使得楔塊按順時針方向旋轉(zhuǎn)，又因為楔塊尺寸c大于內(nèi)、外環(huán)間徑向尺寸a，因此楔塊與內(nèi)、外環(huán)楔合，內(nèi)、外環(huán)轉(zhuǎn)速逐漸一致，離合器進(jìn)入楔合階段；當(dāng)內(nèi)環(huán)(從動件)順時針旋轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)速大于外環(huán))主動件時，楔塊所受彈簧壓緊力和摩擦力使其按逆時針旋轉(zhuǎn)，又因為楔塊尺寸b小于a，因此楔塊與內(nèi)、外環(huán)脫開，離合器進(jìn)入超越階段.

圖1 楔塊結(jié)構(gòu)示意圖

2 漸開線楔塊設(shè)計及計算

2.1 漸開線曲線設(shè)計及楔塊模型建立

文中以CSK30楔塊式超越離合器為原型設(shè)計一種漸開線型面的楔塊式超越離合器，楔塊的曲率隨接觸點的變化而變化，楔塊和內(nèi)、外環(huán)接觸點的曲率半徑增大，降低了楔塊的接觸應(yīng)力大小，提高了強度.相關(guān)參數(shù)見表1.

表1 CSK30楔塊式超越離合器材料相關(guān)參數(shù)

漸開線是某基圓切線上一點在基圓上做沒有滑動的單純滾動時的一條痕跡，漸開線方程組為

(1)

式中：r為基圓半徑；φ為切線上某點的展角.

圖2～3建立以CSK30的上、下圓弧圓心的中心對稱點為原點的二維直角坐標(biāo)系，對上、下圓弧離散后得到各點離散坐標(biāo).利用1stopt軟件對坐標(biāo)曲線擬合得到漸開線方程組，采用準(zhǔn)牛頓法，最大迭代數(shù)設(shè)置為1 000，計算模式采用標(biāo)準(zhǔn)+通用全局優(yōu)化法，最終結(jié)果見圖4～5.

擬合所得上、下型面參數(shù)方程為

圖2 偏心圓弧楔塊二維圖

圖3 上、下圓弧離散坐標(biāo)

圖4 擬合漸開線上圓弧

圖5 擬合漸開線下圓弧

(2)

(3)

將所得漸開線曲線參數(shù)方程導(dǎo)入SOLIDWORKS中，除上、下型面外其余尺寸均按照偏心圓弧修形，見圖6～7.對漸開線方程生成的楔塊模型進(jìn)行校核，確定楔塊在離合器靜態(tài)楔合時是否滿足與內(nèi)、外環(huán)接觸，楔塊是否滿足自鎖條件.外楔角u通常取3°，經(jīng)計算內(nèi)楔角υ為4.3°，滿足楔塊式超越離合器自鎖條件.

2.2 楔塊接觸力計算

由《機械設(shè)計手冊》及楔塊幾何參數(shù)見圖8，計算楔塊接觸應(yīng)力及徑向力.

圖6 漸開線楔塊

圖7 離合器裝配圖

圖8 楔塊幾何參數(shù)

楔塊A點徑向力為

(4)

楔塊B點徑向力為

(5)

楔塊與外環(huán)接觸應(yīng)力為

(6)

楔塊與內(nèi)環(huán)接觸應(yīng)力為

(7)

式中：Tc=βTt，工作儲備系數(shù)β=1.4～5，本文取值4.0；Tt為需要傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·mm；Z為楔塊個數(shù)；ra為楔塊上弧面半徑，mm；rb為楔塊下弧面半徑，mm；Ra為楔塊外環(huán)內(nèi)滾道半徑，mm；Rb為楔塊內(nèi)環(huán)外滾道半徑，mm；E為楔塊彈性模量，E=206 GPa；u為OaA和AB間的夾角，稱為外楔角；υ為ObB和AB間的夾角，稱為內(nèi)楔角；l為楔塊與內(nèi)、外環(huán)接觸面的長度，mm，通常取l=(2.6～4)ra或l=(2.6～4)rb.

取額定轉(zhuǎn)矩及最大轉(zhuǎn)速，對楔塊式超越離合器的接觸徑向力FAn、FBn及最大接觸應(yīng)力σa、σb進(jìn)行計算，結(jié)果見表2.當(dāng)離合器額定楔合次數(shù)為106時，材料許用接觸應(yīng)力值大小為3 041～3 237 MPa，理論計算值小于離合器所要求的許用接觸應(yīng)力值.

表2 楔塊徑向力和接觸應(yīng)力

3 不同摩擦條件下的接觸特性

本文研究對象有13個楔塊，分別與內(nèi)、外環(huán)有13個接觸對，在進(jìn)行有限元分析時會耗費很長時間，而楔塊式超越離合器是對稱的，因此對模型進(jìn)行簡化，假設(shè)每個楔塊上承受扭矩大小相同，對模型進(jìn)行分割，取其中的1/13導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析.

楔塊及內(nèi)、外環(huán)均采用GCR15高碳鉻軸承鋼，質(zhì)量密度為7 810 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3.楔塊與內(nèi)、外環(huán)均為摩擦接觸，摩擦系數(shù)應(yīng)當(dāng)在0.1～0.3，對摩擦系數(shù)分別取0.1、0.15、0.2、0.25、0.3；全局網(wǎng)格大小設(shè)置為1 mm，局部網(wǎng)格控制選擇接觸尺寸控制法，大小設(shè)置為0.3 mm；對外環(huán)外表面設(shè)固定約束用于模擬負(fù)載；對內(nèi)環(huán)內(nèi)表面設(shè)為圓柱面約束，避免發(fā)生軸向和徑向的移動.同時對楔塊內(nèi)側(cè)施加為50 N·mm的載荷用于模擬彈簧預(yù)緊力大小，對內(nèi)環(huán)表面施加大小為8 461.54 N·mm的額定轉(zhuǎn)矩.

求解設(shè)置中添加楔塊及內(nèi)、外環(huán)的等效應(yīng)力，在接觸狀態(tài)中添加接觸狀態(tài)及接觸力.

1) 楔塊接觸特性分析 以摩擦系數(shù)取0.1為例，楔塊上、下圓弧接觸力見圖9～10.

圖9 楔塊上圓弧接觸壓力(單位：N)

圖10 楔塊下圓弧接觸壓力(單位：N)

由圖9～10可知：楔塊上、下圓弧接觸力分布云圖呈帶狀，且楔塊上圓弧接觸力小于下圓弧接觸壓力值，與理論計算結(jié)果規(guī)律一致.在不同摩擦系數(shù)下，楔塊上下圓弧接觸力云圖中間部分分布較均勻，在楔塊靠近內(nèi)、外環(huán)處接觸力逐漸增大且小于許用接觸應(yīng)力.

2) 楔塊等效應(yīng)力分析 摩擦系數(shù)是影響接觸對性能的關(guān)鍵參數(shù)，直接反映接觸物體的表面屬性，同時能反映接觸處的潤滑狀態(tài)，因此針對不同摩擦系數(shù)下楔塊與內(nèi)、外環(huán)接觸面等效應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，其結(jié)果見圖11～12.在不同摩擦系數(shù)下，楔塊等效應(yīng)力在同一接觸面上不是均勻變化的，而是隨著楔塊長度變化，楔塊兩端等效應(yīng)力明顯高于楔塊中間部分，這是由于楔塊兩端產(chǎn)生了邊緣效應(yīng)從而使得楔塊應(yīng)力集中；在同一摩擦系數(shù)下，楔塊與內(nèi)環(huán)接觸處的等效應(yīng)力明顯大于與外環(huán)接觸處的等效應(yīng)力，根據(jù)赫茲理論可知離合器失效也最先發(fā)生在楔塊和內(nèi)環(huán)接觸處；在不同摩擦因數(shù)下，楔塊與內(nèi)、外環(huán)的最大等效應(yīng)力值隨著摩擦系數(shù)的增大而減小，并且均在材料的屈服點以下.

圖11 楔塊上圓弧等效應(yīng)力

圖12 楔塊下圓弧等效應(yīng)力

3) 內(nèi)、外環(huán)等效應(yīng)力分析 從有限元仿真結(jié)果中對內(nèi)、外環(huán)等效應(yīng)力進(jìn)行結(jié)果分析見圖13～14.內(nèi)、外環(huán)等效應(yīng)力變化情況與楔塊和內(nèi)、外環(huán)接觸處等效應(yīng)力變化情況類似，內(nèi)環(huán)等效應(yīng)力值大于外環(huán)等效應(yīng)力值.在同一摩擦系數(shù)下，內(nèi)、外環(huán)等效應(yīng)力在軸向長度中間部分出現(xiàn)中間應(yīng)力小于兩端，表明楔塊在楔緊過程中與內(nèi)、外環(huán)接觸處出現(xiàn)了高應(yīng)力接觸區(qū)域；在不同摩擦系數(shù)下，隨著摩擦系數(shù)的增大，內(nèi)、外環(huán)等效應(yīng)力隨之減小.但在內(nèi)環(huán)中出現(xiàn)摩擦系數(shù)為0.2時，等效應(yīng)力值最大，楔塊與內(nèi)環(huán)接觸處變形最大，離合器有失效風(fēng)險；當(dāng)摩擦系數(shù)大于等于0.25時，內(nèi)環(huán)等效應(yīng)力值無明顯變化.外環(huán)等效應(yīng)力值在摩擦系數(shù)為0.3時最大，0.1時最小，摩擦系數(shù)為0.15、0.2、0.25時等效應(yīng)力值近似，基本保持不變，但楔塊與外環(huán)接觸的最危險區(qū)域隨著摩擦系數(shù)的增大而增大；在不同摩擦系數(shù)下，內(nèi)、外環(huán)等效應(yīng)力值都低于材料的屈服強度.

圖13 內(nèi)環(huán)等效應(yīng)力

圖14 外環(huán)等效應(yīng)力

4 離合器動力學(xué)模型的建立

4.1 系統(tǒng)約束和載荷施加

由楔塊式超越離合器的運動規(guī)律，假設(shè)模型各部位均為剛體，忽略楔塊和內(nèi)外環(huán)間的變形對動力學(xué)分析的影響，對模型施加的約束和載荷為：①對離合器的內(nèi)環(huán)、外環(huán)、保持架、蓋片設(shè)置相對于地面的旋轉(zhuǎn)副約束；②楔塊和滾道之間施加剛體對剛體接觸，設(shè)置剛度和阻尼，以模擬楔塊和滾道的接觸碰撞；③各個楔塊與保持架之間也施加接觸力模擬楔塊和保持架的接觸碰撞；④對外環(huán)施加一個額定轉(zhuǎn)矩110 N·m，模擬超越離合器工作時的負(fù)載；⑤對離合器的內(nèi)環(huán)施加恒轉(zhuǎn)速3 800 r/min；⑥對漸開線式超越離合器的每個楔塊質(zhì)心添加恒力矩0.05 N·m，用于模擬楔合過程中彈簧施加給楔塊的彈簧預(yù)緊力.

4.2 漸開線楔塊式超越離合器的楔合特性

4.2.1楔合時間

對摩擦系數(shù)分別為0.15、0.25兩種情況進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，外環(huán)角速度變化曲線見圖15.由圖15可知：摩擦系數(shù)為0.15時，離合器的楔合時間為0.002 1 s；摩擦系數(shù)為0.25時，離合器的楔合時間為0.001 9 s.二者楔合時間相差不大.

圖15 摩擦系數(shù)為0.15、0.25時外環(huán)角速度變化曲線

4.2.2楔合力

對漸開線工作面楔塊式超越離合器仿真分析離合器楔塊與內(nèi)、外環(huán)接觸力隨時間變化的規(guī)律，見圖16～17.

圖16 摩擦系數(shù)為0.15、0.25時楔塊與內(nèi)環(huán)接觸力

圖17 摩擦系數(shù)為0.15、0.25時楔塊與外環(huán)接觸力

由圖16～17可知：離合器在剛開始啟動時，楔塊與內(nèi)、外環(huán)接觸力急劇上升，存在很大沖擊力，之后又急劇下降至平穩(wěn)楔合狀態(tài).摩擦系數(shù)為0.15時，楔塊與外環(huán)最大接觸力為12 396.8 N，與內(nèi)環(huán)最大接觸力為25 728 N；摩擦系數(shù)為0.25時，楔塊與外環(huán)最大接觸力為9 456.7 N，與內(nèi)環(huán)最大接觸力為18 759 N.通過計算得，在摩擦系數(shù)為0.15時楔塊與外環(huán)最大接觸力是摩擦系數(shù)為0.25時的1.31倍，在摩擦系數(shù)為0.15時楔塊與內(nèi)環(huán)最大接觸力是摩擦系數(shù)為0.25時的1.37倍.由此可知，楔塊與內(nèi)環(huán)接觸力大于與外環(huán)接觸力，表明在楔塊與內(nèi)環(huán)接觸處最易發(fā)生離合器失效.

當(dāng)離合器穩(wěn)定運行后，對楔塊與內(nèi)、外環(huán)的接觸力取平均值可得，摩擦系數(shù)為0.15時，楔塊與內(nèi)、外環(huán)平均接觸力要大于摩擦系數(shù)為0.25時楔塊與內(nèi)、外環(huán)平均接觸力.通過仿真過程，沒有發(fā)現(xiàn)離合器出現(xiàn)“翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象”，說明在這兩種摩擦系數(shù)下離合器能夠正常工作.

5 結(jié) 論

1) 摩擦系數(shù)取0.2時，離合器與內(nèi)環(huán)接觸處的磨損區(qū)域、等效應(yīng)力值最大，離合器有失效風(fēng)險，因此取摩擦系數(shù)時應(yīng)當(dāng)小于0.2，使得離合器能夠穩(wěn)定運行，延長離合器的壽命.

2) 楔塊與內(nèi)環(huán)接觸處的等效應(yīng)力大于與外環(huán)接觸處的等效應(yīng)力，仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果規(guī)律一致，說明楔塊下圓弧處更易失效，因此對楔塊表面有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)處理可提高其強度，降低楔塊與內(nèi)環(huán)接觸處的等效應(yīng)力.

3) 在摩擦系數(shù)為0.15和0.25時，可以發(fā)現(xiàn)，離合器的楔合時間沒有太大變化，離合器穩(wěn)定運行時的接觸力也相差不大，但楔塊與內(nèi)、外環(huán)的最大接觸力隨著摩擦系數(shù)的增大而減小，說明在摩擦系數(shù)為0.15時離合器更易發(fā)生失效，因此可以增大摩擦系數(shù)減小楔塊與內(nèi)、外環(huán)的沖擊力.綜合以上分析，本文設(shè)計所得漸開線楔塊式超越離合器的最佳摩擦系數(shù)范圍為0.15～0.2.由于摩擦系數(shù)是影響接觸特性的直接因素，因此本文僅對不同摩擦系數(shù)下的性能進(jìn)行仿真，實際過程中還有其他影響因素，例如彈簧剛度的影響，后續(xù)將進(jìn)一步研究.