王寧

(1.天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300160； 2.棗莊學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

0 引言

滾柱超越離合器是通過多個(gè)滾柱體與星輪和套筒的接觸摩擦, 實(shí)現(xiàn)兩軸間定向轉(zhuǎn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞的機(jī)械裝置.具有承載性好、精度比較高、壽命比較長等優(yōu)點(diǎn), 特別適用于防止逆轉(zhuǎn)的機(jī)械傳動(dòng)中, 現(xiàn)已在機(jī)床、汽車、起重等機(jī)械傳動(dòng)中得到應(yīng)用[1].隨著機(jī)床、汽車等機(jī)械的發(fā)展和對(duì)其要求的提高, 對(duì)超越離合器的設(shè)計(jì)和使用也提出了更高的要求.滾柱式超越離合器在穩(wěn)定工作的狀態(tài)下，滾柱與滾道之間的接觸屬于線接觸，而在負(fù)載的作用下，接觸線鄰域發(fā)生變形，滾柱與滾道之間的接觸屬于面接觸，接觸應(yīng)力的變化是非線性的，而ADINA有限元分析軟件具有強(qiáng)大的非線性分析功能，因此使用ADINA對(duì)滾柱軸承離合器的接觸應(yīng)力分析是可行的.

1 模型的建立

本文采用Pro/Engineer CAD軟件建模，然后將模型導(dǎo)入有限元分析軟件ADINA中進(jìn)行有限元分析.建立的離合器零部件的有限元分析模型見圖1.

圖1 離合器的有限元分析模型

2 有限元模型與邊界條件

2.1 計(jì)算單元的選擇

滾柱的半徑與外滾道半徑相比小得多，又因?yàn)闈L柱離合器的工作面為平面，所以滾柱與滾道之間的接觸方式為點(diǎn)與面之間的接觸.所以選擇的計(jì)算單元為SOLID92單元，此單元為四面體單元，共有10個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以很好的模擬曲面邊界，此外由于節(jié)點(diǎn)數(shù)少，可以節(jié)省大量的計(jì)算機(jī)資源；接觸面單元選用ADINA提供的八節(jié)點(diǎn)四邊形CONTA175單元，目標(biāo)面單元為無中節(jié)點(diǎn)的三節(jié)點(diǎn)TARGE170單元.在本論文的分析當(dāng)中設(shè)定允差為0.002mm,目的是建立一個(gè)寬為接觸長度的0.002%的緩沖區(qū)，為增加接觸面的長度.

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分將關(guān)系到有限元分析的規(guī)模、速度和精度及計(jì)算的成敗.實(shí)驗(yàn)表明，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，計(jì)算精度逐漸提高，計(jì)算時(shí)間增加.當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到一定程度后如果再繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量，計(jì)算精度提高甚微，而計(jì)算時(shí)間卻大大增加.因此在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)注意網(wǎng)格劃分的有效性和合理性.通常情況下采用智能網(wǎng)格劃分就能達(dá)到所求得精度，故本次計(jì)算時(shí)采用二級(jí)智能網(wǎng)格劃分方式，這樣ADINA會(huì)自動(dòng)把接觸處的單元格細(xì)分化，自動(dòng)進(jìn)行接觸單元配對(duì)，便于下一步接觸對(duì)的創(chuàng)建.

2.3 定義接觸對(duì)

在網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上分別定義滾柱與外滾道之間和滾柱與內(nèi)滾道之間的接觸對(duì)，接觸材料的摩擦系數(shù)選取鋼與鋼的摩擦系數(shù)0.1，滲透距離0.02，選取非對(duì)稱剛度矩陣，設(shè)置初始接觸表面距離0，接觸初始調(diào)解量0.02.

2.4 約束條件、施加載荷與求解

ADINA引入牛頓-拉普森平衡迭代實(shí)現(xiàn)非線性求解，該方法在每一個(gè)載荷增量內(nèi)用迭代法把誤差控制在一定限值范圍內(nèi).在問題求解前，希望進(jìn)一步確認(rèn)問題能夠被成功地收斂，故在求解過程當(dāng)中采取二分法.打開自動(dòng)時(shí)間步長，設(shè)定子載荷步數(shù)為10，最大子步數(shù)為100，最小子步數(shù)為1，然后進(jìn)行非線性分析，計(jì)算結(jié)果收斂.

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)ADINA運(yùn)算分別得到以下兩圖，見圖2、圖3.

圖2 離合器變形分布云圖

從變形圖上知滾內(nèi)圈的變形在與滾柱接觸位置最為明顯，且與其他零件的材料相同，說明這種現(xiàn)象主要由接觸律的結(jié)構(gòu)形狀造成的，這與Hertz理論分析結(jié)果是一致的.

圖3 離合器的應(yīng)力分布云圖

從應(yīng)力分布圖上得知內(nèi)圈受的作用力與超越離合器的其它部分所受應(yīng)力相比是比較大的，因此在選擇其材料時(shí)要著重選有很高的強(qiáng)度極限和硬度的材料，在加工時(shí)還要對(duì)表面進(jìn)行熱處理提高表面硬度和耐磨性.

4 結(jié)束語

從本文可以看出，借助于現(xiàn)代有限元分析手段，在超越離合器的設(shè)計(jì)以及對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，是一種減少開模數(shù)量和不必要的加工損失的行之有效的方法.

參考文獻(xiàn)

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