基于ADINA的滚柱超越离合器有限元分析

王宁

(1.天津工业大学 机械工程学院，天津 300160； 2.枣庄学院 机电工程学院，山东 枣庄 277160)

0 引言

滚柱超越离合器是通过多个滚柱体与星轮和套筒的接触摩擦, 实现两轴间定向转动和动力传递的机械装置.具有承载性好、精度比较高、寿命比较长等优点, 特别适用于防止逆转的机械传动中, 现已在机床、汽车、起重等机械传动中得到应用[1].随着机床、汽车等机械的发展和对其要求的提高, 对超越离合器的设计和使用也提出了更高的要求.滚柱式超越离合器在稳定工作的状态下，滚柱与滚道之间的接触属于线接触，而在负载的作用下，接触线邻域发生变形，滚柱与滚道之间的接触属于面接触，接触应力的变化是非线性的，而ADINA有限元分析软件具有强大的非线性分析功能，因此使用ADINA对滚柱轴承离合器的接触应力分析是可行的.

1 模型的建立

本文采用Pro/Engineer CAD软件建模，然后将模型导入有限元分析软件ADINA中进行有限元分析.建立的离合器零部件的有限元分析模型见图1.

图1 离合器的有限元分析模型

2 有限元模型与边界条件

2.1 计算单元的选择

滚柱的半径与外滚道半径相比小得多，又因为滚柱离合器的工作面为平面，所以滚柱与滚道之间的接触方式为点与面之间的接触.所以选择的计算单元为SOLID92单元，此单元为四面体单元，共有10个节点，可以很好的模拟曲面边界，此外由于节点数少，可以节省大量的计算机资源；接触面单元选用ADINA提供的八节点四边形CONTA175单元，目标面单元为无中节点的三节点TARGE170单元.在本论文的分析当中设定允差为0.002mm,目的是建立一个宽为接触长度的0.002%的缓冲区，为增加接触面的长度.

2.2 网格划分

网格划分将关系到有限元分析的规模、速度和精度及计算的成败.实验表明，随着网格数量的增加，计算精度逐渐提高，计算时间增加.当网格数量达到一定程度后如果再继续增加网格数量，计算精度提高甚微，而计算时间却大大增加.因此在进行网格划分时，应注意网格划分的有效性和合理性.通常情况下采用智能网格划分就能达到所求得精度，故本次计算时采用二级智能网格划分方式，这样ADINA会自动把接触处的单元格细分化，自动进行接触单元配对，便于下一步接触对的创建.

2.3 定义接触对

在网格划分的基础上分别定义滚柱与外滚道之间和滚柱与内滚道之间的接触对，接触材料的摩擦系数选取钢与钢的摩擦系数0.1，渗透距离0.02，选取非对称刚度矩阵，设置初始接触表面距离0，接触初始调解量0.02.

2.4 约束条件、施加载荷与求解

ADINA引入牛顿-拉普森平衡迭代实现非线性求解，该方法在每一个载荷增量内用迭代法把误差控制在一定限值范围内.在问题求解前，希望进一步确认问题能够被成功地收敛，故在求解过程当中采取二分法.打开自动时间步长，设定子载荷步数为10，最大子步数为100，最小子步数为1，然后进行非线性分析，计算结果收敛.

3 计算结果分析

根据ADINA运算分别得到以下两图，见图2、图3.

图2 离合器变形分布云图

从变形图上知滚内圈的变形在与滚柱接触位置最为明显，且与其他零件的材料相同，说明这种现象主要由接触律的结构形状造成的，这与Hertz理论分析结果是一致的.

图3 离合器的应力分布云图

从应力分布图上得知内圈受的作用力与超越离合器的其它部分所受应力相比是比较大的，因此在选择其材料时要着重选有很高的强度极限和硬度的材料，在加工时还要对表面进行热处理提高表面硬度和耐磨性.

4 结束语

从本文可以看出，借助于现代有限元分析手段，在超越离合器的设计以及对其应力应变状态进行分析，是一种减少开模数量和不必要的加工损失的行之有效的方法.

参考文献

[1]机械工程手册编辑委员会. 机械工程手册(3) [M] . 北京:机械工业出版社,2003 :4 - 42.

[2]虞敏霞. 基于ANSYS的超越离合器有限元分析[J]. 苏州大学学报,2005(4):60-61.

[3] 钮心宪 .滚柱式超越离合器的设计 [J].交通部上海船舶运输科学研究所学报,2003(12):65-70