液体粘性离合器摩擦片力学性能仿真

液体粘性离合器摩擦片力学性能仿真 【摘 要】对液体粘性离合器的主动轴和摩擦片进行了瞬态响应分析,得到了液体粘性离合器在启动过程中摩擦片的应力和速度变化的情况。分析了静摩擦工况下内摩擦片花键应力分布,发现在花键与主动轴接触的地方出现了应力集中,在设计过程中应给予充分考虑。对摩擦片表面压力的分布进行了仿真,给出了压力随时间变化的规律和压力在摩擦片表面的分布。 【关键词】液体粘性传动;摩擦片;应力 0.引言 主被动轴主要受额定转矩的作用,在设备运行过程中,主被动轴由于重力作用而产生的弯矩非常小。轴类零件的每个表面都经过机械精加工形成,零件表面的几何形状都是对称的,当轴高速旋转时产生的不平衡作用力较小,产生的弯矩也很小,所以可以忽略上述两力对转动轴的影响。故轴的强度计算主要考虑旋转扭矩,对弯曲力矩影响的考虑主要是降低切应力的数值。 主被动轴的刚度不足,工作时眼产生较大的变形,影响轴上零件的正常工作。轴的刚度计算,通常就是计算轴受载荷时的变形量,看它是否在允许限度以内或符合所要求的数 1 值。轴的刚度包括弯曲刚度和扭转刚度两个方面。轴受弯矩作用产生弯曲变形,用绕度和倾角来度量轴的弯曲刚度。液体粘性离合器的主被动轴所受弯矩很小,产生的绕度和倾角也很小,故轴的弯曲刚度不必校核。 1.摩擦片瞬态动力学分析 瞬态动力学分析是指在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下,确定结构的随时间变化的位移、应变、应力和速度等。瞬态动力学分析可采用三种方法,完全法、缩减法及模态叠加法。本文采用完全法,完全法采用完整的系统矩阵计算瞬态响应。它是三种方法中最强的,允许包括各类非线性特性,塑性、大变形、大应变等,。 本文以TLMst 400的参数作进行计算,摩擦片的外径为363mm,对处于静摩擦状态下的摩擦片进行单片静态分析,以三片摩擦片进行分析,两个静片和一个动片,将其装配在一起进行瞬态相应分析和动态的摩擦片表面应力分析。液体粘性离合器核心传动部分主要有间隔布置的光滑摩擦片,带有沟槽的动摩擦片,主动轴和箱体支撑部分构成。 用PRO/E三维软件绘出液体粘性离合器的核心传动部件,摩擦片及主动轴,然后对他们进行装配。将其导入到ANSYS软件前处理器中,然后设置接触属性,进行接触对的定义,接触对定义好后对模型划分网格,网格划分是有限元分析的关键步骤,实体建模的最终目的是划分网格以生成 2 节点和单元。生成节点和单元的网格划分主要有两个步骤,,1,定义单元属性,单元的选择是单元属性的定义关键步骤,对不同的分析类型单元的选择有很大区别。,2,定义网格的生成控制并生成网格,网格的划分对有限元的计算量和准确性影响很大,一般网格划分越小,计算精度越高,所需的计算机资源、运算时间也越多。因此,进行有限元分析时一般需要对模型的花个划分进行适当处理,对需要的关键部位实施网格加密控制。本节分别对摩擦片花键和摩擦片的表面的网格尺寸进行了控制。 主动轴和光滑摩擦片的材料为45号钢,其力学参数为,杨氏模量E=210000MPa,泊松比α=0.33,密度ρ=7820Kg/m3,摩擦片宽度为6mm,带有沟槽的摩擦片是在厚度为6mm的对偶钢片两个面分别烧结了厚度为1mm纸基摩擦材料而成,摩擦材料的力学参数为,杨氏模量E=2300MPa,泊松比α=0.25,密度ρ=18000Kg/m3。 边界条件,由于下面的分析属于不同的分析类型,需要单独对其施加边界条件和载荷。本节以400型号为例计算,其制动扭矩为2458Nm,每对摩擦片的制动扭矩为76.8N。 仿真结果分析: 液体粘性离合器摩擦片主要承担减速制动和传递大扭矩的作用,为了时摩擦片与主动轴机构达到合理的设计要求,需对其进行强度方面的校核。目前对液体粘性制动器的核心 3 部件摩擦片多是在恒定负载的情况下进行了结构静力学分析,但是在实际的工况下,各零件所承受的载荷是随时间不断变化的,比如启动阶段。为了使设计更切合实际,必须也要对关键的零部件进行瞬态动力学分析。对摩擦片运用瞬态动力学相关理论,采用完全法对主动轴施加了大扭矩,并设定了200个载荷步,得到了摩擦片在整个启动过程中的危险部位及危险时刻,可以直观地观察出摩擦片在运动过程中手里部位的变化和应力的大小等情况。 分析时给主动轴施加153.6N.m的转矩,设置分析时间为0.2s,利用ANSYS软件对摩擦片的动态响应进行分析。动摩擦片的速度与时间的关系和摩擦片受力最大值随时间变化的曲线如图所示。由图可得摩擦片在一相对较大的扭矩驱动的作用下,摩擦片的启动速度在刚开始的阶段波动比较大,其范围集中在0.01m/s~0.0305m/s,但是在启动时间达到0.05s时,摩擦片的速度变得非常稳定速度大小为0.016m/s。对摩擦片应力最大值输出结果曲线分析可知,摩擦片的启动压力随着时间在逐渐增大,这是因为随着时间的增加,摩擦片所传递的扭矩越来越大,启动压力值最大为96.8MPa,对应的时间为0.2s,查询工作手册可知,应力最大值满足强度要求。 2.摩擦片力学分析 2.1静摩擦工况下内摩擦片花键应力分布 4 下面对液体粘性离合器处于运行状态的摩擦片和主动轴的应力进行分析,由于在运行中每个动摩擦片的运行状态相同,所以本节取一个摩擦片进行分析,预测应力的分布以及最大应力的值和分布区域。对主动轴施加76.8N.m的扭矩,因在液体粘性离合器在三种运行工况中运行时,在制动工况下的应力最大,所以在加载时采取给动摩擦片施加固定约束。 ANSYS分析后处理云,可以看出应力集中在动摩擦片的花键和主动轴表面齿根处、齿面接触面,这主要由花键传递制动扭矩所引起的,对摩擦片而言,摩擦片应力分布在径向逐渐减小,所以在设计时应考虑花键的强度。应力最大值为1.04MPa,查表可知,接触部位材料45号钢的接触疲劳极限为550MPa,满足设计要求。 摩擦片和主动轴的应变云,可以看出应变相对比较大的地方集中在主动轴靠近齿根的地方,最大值为5e-5mm。 5