基于有限元方法的滾柱式超越離合器應(yīng)力分析

龔 正， 焦明華， 胡 宏， 孫 龍， 邱 婷， 俞建衛(wèi)

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，安徽 合肥 230009；2.合肥佳訊精密機(jī)械制造有限公司，安徽 合肥 230088）

隨著公眾節(jié)能環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，小排量增壓發(fā)動(dòng)機(jī)以其出色的動(dòng)力性、良好的經(jīng)濟(jì)性以及較低的碳排放量，得到了國(guó)家相關(guān)政策法規(guī)的大力扶持，在市場(chǎng)中備受青睞。機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、增壓效果好、使用和維護(hù)成本低廉及動(dòng)力輸出平穩(wěn)等特點(diǎn)，成為國(guó)產(chǎn)某型經(jīng)濟(jì)型轎車的首要選擇。滾柱式超越離合器作為機(jī)械增壓器的重要核心部件，其壽命對(duì)增壓器的工作性能以及可靠性具有重要的影響。

國(guó)產(chǎn)某型1.3L機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上所使用的超越離合器，在內(nèi)外圈轉(zhuǎn)速高頻波動(dòng)的大轉(zhuǎn)速差工況下容易出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。

臺(tái)架試驗(yàn)及路試結(jié)果表明，離合器損壞主要因?yàn)樗查g楔入自鎖時(shí)轉(zhuǎn)速急劇變化引起的沖擊載荷，造成元件彈塑性變形及磨損導(dǎo)致自鎖失效。但是，目前針對(duì)超越離合器尚未建立起行之有效的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，可借鑒的研究成果甚少。

本文分析認(rèn)為，滾柱式超越離合器的主要工作面都是高副接觸，降低接觸應(yīng)力是改善離合器工作狀況和增強(qiáng)其使用可靠性的重要途徑［1－2］，并在此分析基礎(chǔ)上，采用有限元方法對(duì)備選的3種滾柱式超越離合器進(jìn)行了計(jì)算分析和匹配測(cè)試。

1 模型分析

離合器的額定使用轉(zhuǎn)矩約10N·m，但臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得極限轉(zhuǎn)矩可達(dá)40N·m。考慮到滾柱式超越離合器為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，分割其中一個(gè)工作單元進(jìn)行離散建模，可以降低計(jì)算規(guī)模，提高計(jì)算效率。剖切有限元模型的網(wǎng)格示意如圖1所示，每個(gè)工作單元由內(nèi)圈－滾柱和外圈－滾柱2個(gè)摩擦副構(gòu)成，穩(wěn)態(tài)下外載荷通過(guò)楔合的外圈－滾柱－內(nèi)圈三者的相互作用，將轉(zhuǎn)矩傳至傳動(dòng)軸。

此類接觸問(wèn)題屬于狀態(tài)非線性問(wèn)題，求解是一個(gè)反復(fù)的迭代的過(guò)程，本文模型均采用增廣拉格朗日乘子法進(jìn)行接觸問(wèn)題的求解。通過(guò)多次試算發(fā)現(xiàn)，為了達(dá)到較高的求解精度，對(duì)于有限元模型在接觸部位劃分的網(wǎng)格尺寸有較高的要求，必須小于赫茲接觸半寬的1／2［3－4］，因此，細(xì)化了模型的接觸區(qū)域，如圖2所示。

圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖

圖2 接觸區(qū)域細(xì)化示意圖

2 模擬計(jì)算結(jié)果討論

2.1 3種超越離合器

用于匹配的3種超越離合器主傳動(dòng)元件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中A型的內(nèi)外圈由低碳鋼薄板沖壓后再做碳氮共滲處理，B型由粉末冶金壓制而成，C型材料采用了GCr15，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1所列。

圖3 3種超越離合器主接觸元件結(jié)構(gòu)

表1 3種超越離合器相關(guān)參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果

離合器楔合接觸模擬分析綜合考慮了正壓力和摩擦效應(yīng)的影響，額定載荷下的應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 額定載荷下3種超越離合器應(yīng)力分布

從仿真結(jié)果可見(jiàn)，由于滾柱與內(nèi)圈之間為凸面間的接觸，接觸面積較小，離合器的最大工作應(yīng)力大部分出現(xiàn)在滾柱與內(nèi)圈接觸的部位；從應(yīng)力分布圖上可見(jiàn)，內(nèi)圈上應(yīng)力集中的區(qū)域比滾柱上應(yīng)力集中的區(qū)域范圍稍大，與拆解后內(nèi)圈磨損實(shí)物上磨痕較深的現(xiàn)象一致，其原因是滾柱的曲率低于內(nèi)圈的曲率，且滾柱硬度較高。

表1中可見(jiàn)3種超越離合器星輪使用的材料各不相同。

C型超越離合器使用的GCr15材料是一種合金含量較少、具有良好性能、應(yīng)用較為廣泛的高碳鉻軸承鋼，經(jīng)過(guò)淬火加回火后，具有較高的硬度、均勻的組織、良好的耐磨性、較高的接觸疲勞性能，是3種材料中屈服極限最高的，達(dá)到3300MPa，為C型接觸應(yīng)力的1780MPa的185.39%。

A型超越離合器采用低碳鋼的薄板沖壓成型后，再做碳氮共滲的處理，滲透深度為0.3～0.5mm，材料屈服極限約為1 450MPa，是 A型接觸應(yīng)力2 020MPa的71.78%，可見(jiàn)該材料性能不能夠滿足使用要求。

B型超越離合器的星輪采用粉末冶金材料，由于粉末冶金材料的特殊性，其機(jī)械性能稍差，該材料屈服極限約為1 280MPa，是B型接觸應(yīng)力2 550MPa的50.2%。

因而從材料上可見(jiàn)，C型超越離合器所使用的材料最好、屈服極限最高，A型次之，B型最差。從材料的性能可見(jiàn)，C型的材料選擇在3種離合器中最為合適。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2 3種超越離合器應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

表2中，σ1max、σ2max、σ3分別為額定載荷下最大接觸應(yīng)力、極限載荷下最大接觸應(yīng)力和屈服極限。在額定使用時(shí)，各型離合器最大接觸應(yīng)力均小于材料屈服極限。但是，在實(shí)測(cè)極限轉(zhuǎn)矩載荷下，A型及B型超越離合器的接觸應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其制造材料的屈服強(qiáng)度，僅C型的接觸應(yīng)力低于其屈服極限，表明在沖擊過(guò)載負(fù)荷下，前者接觸區(qū)域容易發(fā)生塑性變形及磨損失效［5－10］，而C型發(fā)生塑性屈服的可能性大大降低，使得工作可靠性和使用壽命大大提高。從結(jié)構(gòu)角度考慮，C型超越離合器的結(jié)構(gòu)最為合理，接觸應(yīng)力最低。

圖5所示為3種超越離合器極限載荷下的應(yīng)力－轉(zhuǎn)矩變化曲線，可見(jiàn)A型、B型超越離合器在轉(zhuǎn)矩加載到35%時(shí)，應(yīng)力發(fā)生突變繼而迅速上升；而C型的應(yīng)力變化較為平緩，最大應(yīng)力也較小，表明C型在極限轉(zhuǎn)矩作用下應(yīng)力變化較為緩慢，傳動(dòng)中剛性沖擊較小。

圖5 限載荷下接觸應(yīng)力變化

2.3 臺(tái)架及路試結(jié)果

為了驗(yàn)證模擬分析的正確性，分別對(duì)3種離合器進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)以及強(qiáng)化路試，其各型內(nèi)外圈磨損示意圖如圖6所示。

圖6 3種超越離合器內(nèi)外圈磨損示意圖

由圖6a、圖6b可見(jiàn)，A型、B型內(nèi)外圈上均有較嚴(yán)重的磨損出現(xiàn)，材料剝離嚴(yán)重，磨損不均勻，局部磨痕較深達(dá)到0.02mm；圖6c中C型內(nèi)外圈亦有磨痕出現(xiàn)，但磨損比較均勻，磨痕深度較淺。

臺(tái)架測(cè)試最終結(jié)果表明，C型超越離合器的壽命最長(zhǎng)，達(dá)到800h時(shí)仍舊正常工作，能夠滿足工作需要。A型在初始階段能夠順利工作，隨著工作時(shí)間的增加，在工作過(guò)程中逐漸產(chǎn)生較大噪聲及震動(dòng)，達(dá)到300h左右就出現(xiàn)損壞，不能滿足使用要求。B型離合器工作將近50h即損壞。在臺(tái)架基礎(chǔ)之上，對(duì)A型及C型進(jìn)行了裝車試驗(yàn)，裝載A型的試驗(yàn)車行駛6×104km，該型超越離合器損壞；裝載C型的試驗(yàn)車行駛已近20×104km，一直未發(fā)生故障，可見(jiàn)有限元計(jì)算結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)相一致。

3 結(jié) 論

（1）滾柱式超越離合器主要工作面都是高副接觸，較高的接觸應(yīng)力正是造成這種失效的主要原因［5］。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高材料強(qiáng)度、降低接觸應(yīng)力，并改善其變化特性［5－6］，對(duì)超越離合器的延壽具有重大意義。

（2）有限元分析作為先進(jìn)的計(jì)算方法，可成功地解決復(fù)雜的工程計(jì)算問(wèn)題，將其與傳統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)與路試結(jié)合，避免試驗(yàn)中樣本間差異造成的試驗(yàn)結(jié)果誤差，大大提高了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

（3）對(duì)于超越離合器之類非標(biāo)件，在設(shè)計(jì)及試驗(yàn)校核過(guò)程中使用有限元方法，可以高效、快速、準(zhǔn)確地完成設(shè)計(jì)和甄選工作，縮短選配過(guò)程和測(cè)試周期，顯著提高設(shè)計(jì)效率并節(jié)省開(kāi)發(fā)成本。

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