拉伸型橡胶联轴节变形机理的研究

王灵犀，陈向荣

(沈阳理工大学 汽车与交通学院，沈阳 110159)



拉伸型橡胶联轴节变形机理的研究

王灵犀，陈向荣

(沈阳理工大学 汽车与交通学院，沈阳 110159)

摘要：以某拉伸型橡胶联轴节为对象，研究橡胶的变形状态。使用UG软件建立橡胶联轴节组件的三维模型并导入ANSYS WORKBENCH，在ANSYS WORKBENCH软件中对组件进行网格划分；依据联轴节的结构及工作原理建立模型的边界条件、设置材料、施加载荷；对模型进行有限元计算求解。结果表明：拉伸式橡胶联轴节工作时，橡胶处于压缩而不是拉伸状态，在极限工作力矩下此橡胶联轴节中材料的强度均在可使用范围之内。

关键词：橡胶联轴节；工作原理；仿真分析；可靠性

近年来在宝马、奔驰等高级轿车上使用了一种拉伸型橡胶联轴节，串联在传动轴上，可有效消减传动系噪声。在挠性联轴节中使用橡胶本很普遍[1-2],但因其拉伸强度低，故大多工作于压缩方式，如XL型高弹性联轴器[3]、HRC150橡胶联轴器[4]等联轴节工作时内部橡胶均处于压缩状态。本文用有限元仿真方法，以某国外联轴节为对象，对橡胶盘的变形机理进行研究，以此对拉伸式橡胶联轴节中的橡胶工作方式进行探讨。

1拉伸型橡胶联轴节的结构及工作原理

挠性联轴节按其承载原理可分为拉伸和压缩两种结构形式。拉伸型联轴节中的橡胶盘如图1所示，其内部结构见图2。该橡胶盘主要由传力套筒、承载钢丝环(或帘布环)及包裹橡胶三部分组成，传力套筒有六个，其中B、D、F为主动套筒，A、C、E为从动套筒；套筒A、B之间套装两股钢丝环2、3，用于传递驱动扭矩；套筒A、F之间套装一股钢丝环1，用于传递反拖和倒车扭矩；另外两组套筒(C、D及E、F)的传力关系与A、F相同；再用橡胶将这六个套筒及九根钢丝环包裹起来并硫化，就构成了橡胶盘组件。

图1　拉伸型挠性联轴节的橡胶盘

图2　橡胶盘内部结构

汽车行驶时，扭矩靠拉伸钢丝环实现，故这种结构的联轴节被称为拉伸型挠性联轴节。拉伸传力时钢丝环变形使联轴节产生较大的角变形，导致传动轴系统的刚度明显下降，故可改善传动系的扭振特性并降低来自路面的冲击。盘中的橡胶除包裹和固定传力件外，还可有效地消减高频振动，降低传动系噪声。

本文针对某进口的拉伸型挠性联轴节产品，使用UG建立三维模型，并根据其工作原理和实际工况设定边界条件，用ANSYS WORKBENCH(简称AWE)软件对该联轴节的橡胶盘进行有限元分析[5-7]。

2前处理

2.1模型导入

首先在UG软件中对该产品造型，然后将其转换成STP格式，再导入AWE软件中。AWE的一个优点是对导入模型中的接触对可自动识别并显示，方便后续对接触对的修改。

2.2材料设定

套筒材料选用45#钢，GB/T699-1999标准规定45#钢抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，伸长率为16%，端面收缩率为40%。钢丝帘布的钢丝选用根据GB/T14450-2008标准选择直径为1mm、抗拉强度为1850MPa冷拉钢丝，钢丝的屈服强度为抗拉强度的80%，即1480MPa，钢丝的最小断裂总伸长率为5%。橡胶选用邵氏硬度不低于50的特种橡胶，其伸长率不低于50%，应力应变关系选用AWE软件中RUBBER1的本构曲线，见图3。

图3　AME软件中RUBBER1的本构曲线

2.3接触设置

在模型导入过程中，AWE软件会在相互接触的零件表面自动建立接触对，使用者按产品的工作原理对这些接触对进行修改，以满足实际需要。

AWE软件所提供的接触对有五种： Bonded(绑定)、No Separation(不分离)、Frictionless(无摩擦)、Rough(粗糙)、Frictional(摩擦)；并提供了四种强制接触协调性方程：Augmented Lagrange(增强拉格朗日法)、Normal Lagrange(法向拉格朗日法)、Pure Penalty(惩罚函数法)、MPC法。本文模型中的接触部分共三类：套筒与钢丝环接触、钢丝环与橡胶接触、套筒与橡胶接触，将这三部分的接触对设置分述如下：

1) 套筒与钢丝环的接触对

从该部分的工作原理可知，套筒与钢丝环的接触有两种方式：其一是主动传力方式，此时套筒拉伸钢丝传力，钢丝与套筒紧密接触，故将传力状态下的接触对设置为绑定、非对称、增强拉格朗日法；其二是不传力方式，此时套筒与钢丝可分离，故将不传力状态下的接触对设置为无摩擦、非对称、增强拉格朗日法。

2) 钢丝环与橡胶的接触对

钢丝环与橡胶硫化在一起，在工作中不分离，故将其间的接触对设置为绑定、非对称、惩罚函数法。

3) 套筒与橡胶的接触对

套筒与橡胶的接触部分也硫化在一起，在工作中不分离，故将其间的接触对也设置为绑定、非对称、惩罚函数法。

2.4网格划分

AWE划分网格的方法有多种，包括自动划分(Automatic)、四面体网格(Tetrahedrons)、六面体网格(Hex Dominant)、扫掠划分法(Sweep)及多区域法(MultiZone)。本文在橡胶部分使用六面体网格划分方法，在钢丝环和套筒部分采用扫掠方法。划分结果如图4a、4b所示，模型的总节点数为55717，单元数为19676.

2.5载荷及固定约束的施加

该产品所配装车型的传动轴最大扭矩为1726Nm，传力套筒到传动轴中心线的驱动半径为60mm，驱动套筒为3个。据此换算，每个驱动套筒上所施加的驱动法向力为9588.7N，将此力分别施加到三个驱动套筒上即可完成模型的载荷施加。施加力方法为：点击操作界面下的Static Structural选项，在分项菜单中分别执行选择加力表面、确定作用力方向、输入力值等操作，完成对主动套筒上作用力的施加。

图4　橡胶盘组件划分网格

再对剩下的三个从动套筒施加固定约束，即完成了全部前处理工作。施加载荷后的模型见图5。

图5　模型施加的载荷与约束

3结果分析

3.1强度分析

橡胶盘组件的最大应力出现在驱动钢丝环与套筒的接触处(见图6)，应力值为224.5MPa；45#钢的屈服极限为355MPa，而钢丝的屈服极限可高达1480MPa。故橡胶盘组件的强度满足要求。

图6　橡胶盘组件的最大应力点

橡胶盘组件的最大应变点出现在橡胶盘与驱动钢丝环的接触处(见图7)，应变值为0.52307%。本产品橡胶块使用的是邵氏硬度不低于50的特种橡胶，其伸长率不低于50%，完全可以承受此应变值。

图7　橡胶盘组件的最大应变点

3.2橡胶盘变形机理分析

橡胶盘组件的有限元分析结果显示出如下特征。

1)橡胶盘在驱动钢丝环平面内的应力分布如图8所示。图中显示钢丝环的应力水平在80MP左右，而橡胶的应力水平在16MP以下，说明驱动力主要靠钢丝环承载。

2)橡胶盘的总变形见图9。变形区域显示驱动套筒有绕从动套筒向外转动的趋势。

橡胶盘的总体应变、1/4切面处和1/2切面处的应变分布分别见图10a～10c。

图10a～10c均显示，橡胶应变较大的区域均

图8　橡胶盘1/4切面处的应力分布

图9　橡胶盘总体变形图

图10　橡胶盘组件应力图

位于非承载的钢丝环区，由于该区域两端的套筒相互靠近，说明该区域的应变是压应变，橡胶是被压缩的。

上述分析揭示了橡胶盘的变形机理：联轴节传力时，载荷拉伸的是钢丝环，而橡胶反而被压缩。这澄清了拉伸式挠性联轴节中的橡胶在工作时被拉伸的误解。

4结束语

本文以某进口车用拉伸型橡胶联轴节为对象，用有限元分析方法对其工作原理进行了研究，得出了拉伸型橡胶联轴节中的橡胶是被压缩的结论。由于橡胶的拉伸强度低，用于联轴节时多采用压缩的工作方式，本研究对该类产品的设计有一定的指导作用。

参考文献：

[1]羊拯民.传动轴和万向节[M].北京：人民交通出版社，1986.

[2]王灵犀，李楠.轻型货车用扭转缓冲器的仿真研究[J].沈阳理工大学学报，2013,32(3):47-51.

[3] 林中柏.XL系列高弹性橡胶联轴节的研制[J].舰船科学技术，1979(9):34-45.

[4] 王海,温建明.齿式橡胶联轴器动力力学建模与分析[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版，2014,27(1):36-39.

[5]李庆龄.ANSYS中网格划分方法研究[J].上海电机学院学报，2006,9(5)：28-30.

[6]张瑞萍.UGNX中文版标准教程[M].北京：清华大学出版社,2011.

[7]吕建国,康士廷.ANSYS Workbench 14有限元分析自学手册[M].北京:人民邮电出版社，2013.

(责任编辑：赵丽琴)

Study on the Deformation Mechanism of Tensile Type Rubber Coupling

WANG Lingxi，CHEN Xiangrong

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Abstract：The deformation of the rubber in a tensile type rubber coupling was studied.First the 3-D model of the rubber coupling was established using UG software and import the model into ANSYS WORKBENH software,meshed the model in ANSYS WORKBENH,and then according to the structure and working principle of the coupling the boundary conditions were established,such as adding the materials,applying the load,for finite element analysis.The results showed that the working condition of the rubber is in compression rather than in tension during the work of the tensile type rubber coupling,and at the same time it was proved that the strength of the materials in rubber coupling is in available range.

Key words：rubber coupling;working principle;analysis and simulation;reliability

中图分类号：TK411

文献标志码：A

文章编号：1003-1251(2016)01-0010-04

作者简介：王灵犀(1956—)，男，教授，研究方向：车辆工程。

收稿日期：2014-09-14