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、飛行器傳動系統中至關重要的部件，具有單向扭矩傳遞特點。它工作的穩定可靠性直接決定了傳動系統的安全性。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，得到斜撐塊與內外環接觸力分布變化。斜撐超越離合器在接合過程中會發生沖擊現象，可能會導致傳動系統發生故障。因此，研究斜撐超越離合器接合過程的沖擊特性和變化規律非常重要。

本文以斜撐超越離合器接合過程中的沖擊現象為研究內容，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有限元模型并求解，研究不同轉矩載荷、緊貼轉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到結束時刻tE的運動控制方程為：

以內環與斜撐塊為例，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外環。將內外環材料設置為18CrNiMo7，斜撐塊材料設置成GCr15，摩擦系數設置為0.2。接觸面網格大小0.8 mm，其他2 mm。外環恒定轉速100 rad·s-1，脫離接合方向；內環轉矩大小為100 N·m的1/33，為3 030.3 N·mm，初始時為脫離接合狀態方向，0.002 s后為接合方向；內外環軸向約束。

3 仿真計算結果及分析

最大沖擊和平穩時最大沖擊應力點都在斜撐塊與內環的接觸面上。斜撐塊的應力值相較于內外環非接觸面大得多。

3.1 接合接觸沖擊應力分析

3.1.1 轉矩載荷對沖擊應力的影響

圖1為內環接觸面和斜撐塊內接觸面在不同內環轉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環轉矩載荷的增大而增大。內外環與斜撐塊在接合時要避免大轉矩和相對速度。

3.1.2 彈簧剛度緊貼轉矩對沖擊應力的影響

彈簧可以限制斜撐塊的自由轉動，因此彈簧剛度的大小也決定了限制斜撐塊轉動的轉矩大小。本文將彈簧剛度對斜撐塊的影響等效為緊貼轉矩對斜撐塊的影響。圖2為接觸面在不同緊貼轉矩下的沖擊應力變化趨勢。內環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矩的增大而增大。

3.1.3 斜撐塊內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。多圓弧型面在內環接觸面、斜撐塊內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定，同時多圓弧型面明顯改善了沖擊應力在平穩后再次波動的現象。

3.2 接合接觸沖擊速度分析

圖4為研究不同內環轉矩載荷和不同型面下沖擊速度的影響。大內環轉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 結論

研究不同轉矩載荷、緊貼轉矩以及型面形狀對沖擊應力和速度的影響，結論如下。

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

（2）多圓弧型面能穩定沖擊應力的傳遞；大內環轉矩和多圓弧型面的接合時間相比于小轉矩和單圓弧更短。