基于有限元方法的超越離合器變形分析

段祥宇，張 平

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

作為一種常見機械零部件，超越離合器由于其防止逆轉的機械傳動特點，已被應用于不同領域的諸多產品中。超越離合器使用中的變形對整個傳動系統變形與回差的影響不可忽略，變形過大會降低整個系統的傳動性能甚至可能導致部件失效損壞。因此，為滿足工程使用要求，利用有限元方法對超越離合器進行分析具有重要意義。

國內學者對超越離合器進行了廣泛而深入的研究。龔正等采用有限元方法，對3種不同結構的滾柱式超越離合器的工作應力進行模擬計算，并通過臺架和路試對分析結果進行驗證；石光林等采用赫茲接觸理論對超越離合器關鍵部件間的接觸應力進行分析，還針對目前對滾柱式超越離合器動力學研究不足的現狀，基于虛擬樣機技術對其超越和楔合工況進行仿真分析；嚴宏志等對強制連續約束型超越離合器的彈簧力學行為進行了分析；劉釗等為改善現有離合器彈簧可靠性不足的問題設計了一種新型超越離合器，并通過有限元軟件進行了仿真，確認其有足夠強度；鄭富磊等建立并推導了撥叉式超越離合器退楔力矩的數學解析表達式，將此理論分析與試驗進行對比驗證；侯祥穎等梳理嚙合式、摩擦式兩種不同類型的超越離合器相關文獻，并分析超越離合器的未來發展方向。

目前關于撥叉式超越離合器的研究較少，本文主要介紹撥叉式超越離合器的工作原理，并利用ABAQUS軟件對撥叉為主動件時順、逆時針工況下的該結構變形進行有限元分析。

1 撥叉式超越離合器的工作原理

撥叉式超越離合器的基本結構如圖1所示。在傳遞動力時，電機通過傳動軸連接撥叉，星輪內孔通過傳動軸連接負載。

當撥叉作為主動件時，超越離合器有以下兩種工況:（1）電機帶動撥叉順時針旋轉，此時撥叉直接推動星輪；（2）電機帶動撥叉逆時針旋轉，此時撥叉需先推動滾柱，滾柱壓緊彈簧后再推動星輪傳遞動力。

當星輪作為主動件時也有兩種工況：（1）星輪順時針推動滾柱壓緊彈簧后再推動撥叉旋轉；（2）星輪逆時針旋轉，滾柱被外圈和星輪間的楔形卡住鎖死，星輪將不能傳遞動力。在動力正常傳遞的情況下，星輪順時針工況同撥叉逆時針工況，故本文針對撥叉兩種工況進行分析。

2 有限元分析

2.1 有限元模型的前處理

1.網格劃分

將離合器的幾何模型導入Hypermesh軟件中，滾柱、外圈、頂銷均采用C3D8R單元進行網格劃分，星輪與撥叉部分無需精確求解區域采用C3D4和C3D6單元，其余均采用C3D8R單元劃分。

2.材料屬性

超越離合器的撥叉材料為38CrMoAlA，其余零部件材料為GCr15。超越離合器材料相關參數如表1所示。

撥叉與驅動電機連接處建立參考點施加耦合約束，星輪與負載連接處建立參考點施加耦合約束，外圈固定不動約束其全部自由度。以下將介紹撥叉作為主動件時順、逆時針工況下的有限元接觸分析。

2.2 順時針工況有限元分析

1.分析步設定

設置兩個靜態通用分析步求解，分析步及邊界條件定義如下：

（1）step1：在撥叉耦合點上施加一個小軸向轉角，使星輪與撥叉在該轉角下產生強制接觸，約束星輪的所有自由度。

（2）step2：在撥叉耦合點上施加轉矩15 250 N·mm，并釋放撥叉的軸向轉動方向自由度，約束星輪的所有自由度。

2.接觸的定義和設置

選擇面-面接觸來建立撥叉和星輪之間的接觸關系，撥叉為主面，星輪為從面，接觸屬性為面-面接觸，采用罰函數算法，摩擦因數為0.15。據以上方法建立的有限元模型如圖2所示。

3.順時針有限元分析結果

提交計算即可得到順時針工況下超越離合器的應力分布情況。撥叉的應力云圖如圖3所示。星輪的應力云圖如圖4所示。由云圖可以看出，撥叉的最大Mises應力為13.104 MPa，星輪的最大Mises應力為9.747 MPa，兩部件最大應力位置均為接觸面根部。通過查詢得到材料38CrMoAlA和GCr15的屈服應力分別為835 MPa和518.4 MPa，兩部件最大應力位置均小于材料屈服極限，滿足強度要求。

2.3 逆時針工況有限元分析

1.分析步設定

設置四個靜態通用分析步求解。分析步及邊界條件定義如下：

（1）step1：通過連接器單元加入帶有初始應力的彈簧，彈簧被壓縮到初始裝配位置，約束除頂銷外其余部件的所有自由度；

（2）step2：在撥叉耦合點上施加一個小轉角使其與滾柱建立接觸，釋放滾柱局部坐標系下的水平方向自由度，約束其他自由度；

（3）step3：在撥叉耦合點上施加轉矩?15 250 N·mm，釋放軸向轉動自由度；

（4）step4：在撥叉耦合點上施加轉矩?15 250 N·mm，釋放軸向轉動自由度，釋放滾柱平面內的自由度。

2.接觸的定義和設置

滾柱接觸比較復雜，選擇面-面接觸來建立滾柱與撥叉、星輪、外圈和頂銷的接觸關系。接觸參數設置同順時針工況。

為提高計算效率，將網格適當加粗，據以上方法建立的計算模型如圖5所示。

3.逆時針有限元分析結果

提交計算后得到超越離合器的應力分布情況，此工況下滾柱的應力最大為131.667 MPa，位置在與撥叉接觸一端，滾柱的應力云圖如圖6所示。滾柱最大應力小于相應材料的屈服極限，零件滿足強度要求。

3 結論

本文對撥叉式超越離合器進行順、逆時針旋轉工況下的有限元模擬分析，零件強度滿足要求。順時針工況下撥叉直接推動星輪，撥叉與星輪工作接觸面的根部位置應力較大；逆時針工況下滾柱先頂住頂銷，隨著彈簧的壓縮，滾柱接觸到星輪傳遞動力，此時滾柱與撥叉接觸一端應力較大。

有限元分析可為結構優化設計提供依據，對提高機械傳動系統的傳動性能和超越離合器的使用壽命均有重要意義。