斜撐超越離合器接合沖擊研究

劉志輝 呂卓健

（1.邵陽學院 機械與能源工程學院，邵陽 422000；2.邵陽學院 高效動力系統(tǒng)智能制造湖南省重點實驗室，邵陽 422000）

超越離合器是離合器的一種，是各類車輛、飛行器傳動系統(tǒng)中至關(guān)重要的部件，具有單向扭矩傳遞特點。它工作的穩(wěn)定可靠性直接決定了傳動系統(tǒng)的安全性。鑒于超越離合器對設備安全可靠性的重要影響，一些學者開展了相關(guān)研究[1-5]。接觸應力方面，XU[6]基于不同的接觸類型假設求解斜撐式離合器工作過程中的接觸應力；蓋小濤[7]基于矢量分析和動力學理論，建立了考慮接觸變形的碰撞模型，得到了任意時刻的各部分變形量；沖擊應力方面，李可夫[8]建立離合器幾何模型及有限元模型，得到斜撐塊與內(nèi)外環(huán)接觸力分布變化。斜撐超越離合器在接合過程中會發(fā)生沖擊現(xiàn)象，可能會導致傳動系統(tǒng)發(fā)生故障。因此，研究斜撐超越離合器接合過程的沖擊特性和變化規(guī)律非常重要。

本文以斜撐超越離合器接合過程中的沖擊現(xiàn)象為研究內(nèi)容，給出可以解決沖擊碰撞問題的分析方法，建立接合接觸沖擊顯示動態(tài)有限元模型并求解，研究不同轉(zhuǎn)矩載荷、緊貼轉(zhuǎn)矩以及型面形狀對沖擊應力和速度的影響。

1 沖擊過程

彈性理論中，若兩個彈性體Ω1和Ω2接觸，初始時刻tA到結(jié)束時刻tE的運動控制方程為：

以內(nèi)環(huán)與斜撐塊為例，利用增量形式改寫為：

2 有限元設置

將建立好的斜撐塊數(shù)目z=33離合器三維模型導入有限元軟件ANSYS Workbench進行仿真。簡化模型只包含一個斜撐塊和一段內(nèi)外環(huán)。將內(nèi)外環(huán)材料設置為18CrNiMo7，斜撐塊材料設置成GCr15，摩擦系數(shù)設置為0.2。接觸面網(wǎng)格大小0.8 mm，其他2 mm。外環(huán)恒定轉(zhuǎn)速100 rad·s-1，脫離接合方向；內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩大小為100 N·m的1/33，為3 030.3 N·mm，初始時為脫離接合狀態(tài)方向，0.002 s后為接合方向；內(nèi)外環(huán)軸向約束。

3 仿真計算結(jié)果及分析

最大沖擊和平穩(wěn)時最大沖擊應力點都在斜撐塊與內(nèi)環(huán)的接觸面上。斜撐塊的應力值相較于內(nèi)外環(huán)非接觸面大得多。

3.1 接合接觸沖擊應力分析

3.1.1 轉(zhuǎn)矩載荷對沖擊應力的影響

圖1為內(nèi)環(huán)接觸面和斜撐塊內(nèi)接觸面在不同內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩載荷下的沖擊應力變化趨勢。最大沖擊應力的最大值、沖擊應力的整體增幅和波動隨著內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩載荷的增大而增大。內(nèi)外環(huán)與斜撐塊在接合時要避免大轉(zhuǎn)矩和相對速度。

3.1.2 彈簧剛度緊貼轉(zhuǎn)矩對沖擊應力的影響

彈簧可以限制斜撐塊的自由轉(zhuǎn)動，因此彈簧剛度的大小也決定了限制斜撐塊轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩大小。本文將彈簧剛度對斜撐塊的影響等效為緊貼轉(zhuǎn)矩對斜撐塊的影響。圖2為接觸面在不同緊貼轉(zhuǎn)矩下的沖擊應力變化趨勢。內(nèi)環(huán)與斜撐塊接觸面最大沖擊應力的最大值、沖擊應力的整體增幅和波動隨著緊貼轉(zhuǎn)矩的增大而增大。

3.1.3 斜撐塊內(nèi)接觸面形狀對沖擊應力的影響

斜撐超越離合器的底面可以設計成不同的形狀，主要使用的是圓弧形面。圓弧形面分為單圓弧型面和多圓弧型面。圖3為相同條件下的對比圖。多圓弧型面在內(nèi)環(huán)接觸面、斜撐塊內(nèi)接觸面上的應力值較小，多圓弧型面在沖擊應力傳遞方面更加穩(wěn)定，同時多圓弧型面明顯改善了沖擊應力在平穩(wěn)后再次波動的現(xiàn)象。

3.2 接合接觸沖擊速度分析

圖4為研究不同內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩載荷和不同型面下沖擊速度的影響。大內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩載荷使離合器速度波動的范圍、頻率和最大速度更大，但到達接合狀態(tài)的時間更短；多圓弧型面的離合器的接合時間相比于單圓弧型面的接合時間更短。

4 結(jié)論

研究不同轉(zhuǎn)矩載荷、緊貼轉(zhuǎn)矩以及型面形狀對沖擊應力和速度的影響，結(jié)論如下。

（1）最大沖擊力產(chǎn)生在內(nèi)環(huán)與斜撐塊接觸面上；最大沖擊應力的最大值、增幅和波動范圍隨著內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩載荷和緊貼轉(zhuǎn)矩的增大而增大。

（2）多圓弧型面能穩(wěn)定沖擊應力的傳遞；大內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩和多圓弧型面的接合時間相比于小轉(zhuǎn)矩和單圓弧更短。