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雙向超越離合器是在單向超越離合器基礎(chǔ)上改進(jìn)創(chuàng)新而來，在輸入轉(zhuǎn)動(dòng)方向一定的情況下，通過換向機(jī)構(gòu)，輸出轉(zhuǎn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)正、反兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖所示。雙向超越離合器是雙向脈動(dòng)無級(jí)變速器的最主要、最復(fù)雜的部件，也是最易損壞的部件。它把來自無級(jí)變速器連桿的推力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，雙向超越離合器如果失效，則會(huì)造成雙向脈動(dòng)無級(jí)變速器停機(jī)。通過以往的經(jīng)驗(yàn)可知，雙向超越離合器最易發(fā)生的失效是：由于滾珠的損壞及內(nèi)星輪外表面的磨損，造成雙向超越離合器無法自鎖。ANSYS軟件集及結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體，是國際上最知名、應(yīng)用領(lǐng)域最廣、使用人員最多的有限元分析軟件。所以本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)雙向超越離合器的接觸強(qiáng)度進(jìn)行分析，以驗(yàn)證它是否滿足實(shí)際工作載荷的要求。
本文采用常用的三維20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元-SOLID95，它是SOLID45三維8節(jié)點(diǎn)高階單元形式。該單元為20節(jié)點(diǎn)單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度(XYZ方向)，此單元在空間的方位任意，SOLID95單元具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形以及大應(yīng)變的特性，并提供不同的輸出項(xiàng)，楊氏模量和泊松比根據(jù)雙向超越離合器的材料GCr15A的特性分別設(shè)置為：EX=2.1E11，PRXY=0.3。
三維模型的建立方法主要有兩種：一種先在CAD軟件里建立其三維模型，然后通過接口軟件導(dǎo)入到ANSYS里；另一種直接在ANSYS里建立其三維模型。相比較而言，后者能得到更精確的計(jì)算結(jié)果，所以本文選擇在ANSYS中建立其三維模型。為了減少計(jì)算量，在對(duì)雙向超越離合器進(jìn)行建模時(shí)除去了一些不重要的幾何特征。網(wǎng)格的劃分的精密程度直接決定了有限元計(jì)算的好壞，一般來說，網(wǎng)格劃分越精密計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，但計(jì)算量會(huì)過大，耗費(fèi)的計(jì)算時(shí)間越多。網(wǎng)格劃分過于粗糙，又會(huì)影響計(jì)算的準(zhǔn)確程度。所以，在網(wǎng)格劃分之前應(yīng)充分考慮劃分精度的問題。為了得到高質(zhì)量的網(wǎng)格，對(duì)內(nèi)星輪、滾珠、外環(huán)的側(cè)面用映射的方法進(jìn)行劃分網(wǎng)格，并運(yùn)用掃掠的方法對(duì)整體劃分網(wǎng)格，得到六面體單元，共生成40428個(gè)節(jié)點(diǎn)和38408個(gè)單元。
在ANSYS中，提供了在以前接觸對(duì)創(chuàng)建向?qū)ЩA(chǔ)上發(fā)展起來的接觸管理器，它可以進(jìn)行接觸對(duì)的創(chuàng)建、修改、刪除，使用起來很方便。這里運(yùn)用接觸管理器進(jìn)行接觸對(duì)的創(chuàng)建，如圖所示。共有12個(gè)接觸對(duì)，通過多次計(jì)算反復(fù)對(duì)比，設(shè)置接觸剛度比例為0.1，穿透容差比例為1.0，摩擦系數(shù)為0.15，并設(shè)置接觸單元CONTA174。
雙向超越離合器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)取K=0.25；K-與工作機(jī)類型有關(guān)的動(dòng)載系數(shù)，滾筒式抽油機(jī)取Kz=1.20；K3-精度系數(shù)，考慮加工精度對(duì)滾珠載荷分布不均勻的影響，內(nèi)星輪工作面為平面可取1.20。由于雙向超越離合器轉(zhuǎn)速較低，而且體積小、重量輕，所以不考慮慣性載荷。把雙向超越離合器內(nèi)星輪內(nèi)表而的所有節(jié)點(diǎn)全約束，對(duì)外環(huán)外表而施加由公式計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩T=21.586kN.m。
圖是超越離合器整體、剖分、內(nèi)星輪和滾珠的應(yīng)力云圖，由圖看出最大應(yīng)力是2170MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在MX點(diǎn)處。赫茲理論是解決接觸問題的經(jīng)典理論。對(duì)于星輪、滾柱和外環(huán)均為同種材料制成的內(nèi)星輪滾柱式超越離合器，當(dāng)星輪的工作面為平面時(shí)，應(yīng)力最大處為滾柱與平面接觸處。
①從應(yīng)力云圖可知，滾珠與內(nèi)星輪的接觸應(yīng)力比滾珠與外環(huán)的接觸應(yīng)力大很多，這主要是由于接觸體的結(jié)構(gòu)形式造成的，與赫茲理論的分析結(jié)果一致。②滾珠的受力比較大，是易損的零件，因此應(yīng)選用有很高的強(qiáng)度和硬度的材料，并對(duì)其表面進(jìn)行熱處理以提高其耐磨性和硬度。③由于滾珠在內(nèi)星輪的外表面是滾動(dòng)的，所以不會(huì)在固定的點(diǎn)處出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕，故內(nèi)星輪的表面應(yīng)選用與滾珠表面相同的熱處理方式，以提高其壽命和可靠性。
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