基于ANSYS WorkBench一字型转轴扭矩分析

王强



基于ANSYS WorkBench一字型转轴扭矩分析

王强

（苏州经贸职业技术学院，江苏 苏州 215009）

通过ANSYS WorkBench中瞬态动力分析模块对新型一字型转轴进行了扭矩分析，分析中，锥片变形设为非线性，根据实际情况设置了接触面的摩擦因数。分析结果表明，在转轴工作过程中，锥片均为弹性变形，变形不均匀，摩擦应力分布不均匀，锥片与轴套绝大部分处于滑动状态，小部分会产生粘连，接触面之间几乎没有穿透，锥片与轴套间的摩擦力随着轴芯位置呈现非线性增大，并得出转轴扭矩与轴芯位移之间的非线性变化曲线。

转轴；扭矩；有限元分析；摩擦；ANSYS WorkBench

转轴是链接产品中必须用到的，常用于手机（翻盖或旋转屏手机）、笔记本电脑、便携式DVD、LED台灯、LCD显示屏、GPS等车载支架等。在转轴产品设计制造中，核心问题是转轴扭矩的控制。企业生产转轴的过程中，常利用扭矩测试仪来确定转轴扭矩的大小。

对于新型的一字型转轴，在产品试制和量产中，都需要确定扭矩，以往是通过实验的方式进行分析和判断，工作量较大，周期长。本文通过有限元方法及ANSYS WorkBench软件对转轴进行挤压、摩擦及扭矩分析，确定螺母旋转时轴芯位移与转轴扭矩的关系，为此类型转轴的生产提供依据，缩短其生产、测试周期。

1 新型一字转轴

如图1所示，一字型转轴由4个零部件组成，该转轴轴套内孔为圆柱面，锥片外表面为圆柱面、内表面为锥面，轴芯外表面为锥面，通过锥片内表面和轴芯外表面两个锥面的配合，以及锥片的弹性变形，实现锥片外表面圆柱面直径的变化，从而使锥片外圆与轴套内孔产生挤压力，形成摩擦力，构成转轴扭矩。

1轴套 2螺母 3锥片 4轴芯

2 有限元分析

两物体表面接触过程是高度非线，涉及到接触面间刚度、摩擦条件等多种非线性因素；锥片为弯曲薄片，考虑变形非线性，使用传统模型建立和分析计算困难[1]。本文采用ANSYS WorkBench分析锥片外圆与轴套内孔产生的挤压及摩擦，从而计算转轴扭矩；采用瞬态动力学分析模块，通过施加位移约束来模拟螺母锁紧时轴芯的位移。

根据分析需求，去除两端连接部分和锁紧螺母，建立分析模型如图2所示，该模型包含轴套、锥片（3个）以及轴芯。轴芯直径6 mm、锥度1°，锥片厚度0.4 mm、与轴套接触宽度1 mm，轴套厚度0.75 mm、长度10 mm。

根据一字型转轴常用材料，本次分析采用中碳钢45#，密度7.85 g/cm3，弹性模量210 GPa，泊松比0.269，抗拉强度600 MPa。

该分析模型中的接触根据装配体模型导入自动识别，考虑转轴工作时，锥片与轴芯之间涂有润滑脂，以及轴芯与锥片轴向有较大位移，锥面之间的挤压力远大摩擦力作用，为此锥片和轴芯接触面类型为Frictionless；锥片与轴套之间形成转轴的旋转，因此锥片和轴套接触面类型为Frictional。摩擦过程中，假设符合库仑定律，摩擦因数保持不变，摩擦系数为0.15。

转轴结构不复杂，使用软件自动划分网格，网格划分物理优选项设为Mechanical。划分结果如图2所示。

设置4个求解步，每步1 s，根据转轴工作实际情况，设置如图3所示的固定面，轴芯左端面设为位移约束，模拟螺母锁紧时轴芯的轴向位移，如图4所示，在方向按4个求解步设置相应的位移约束，如表1所示，并对轴套加载旋转运动，角速度为0.5 rad/s。

图2 转轴分析模型及网格划分

图3 固定面约束

图4 位移面约束

表1 位移量设置

ANSYS WorkBench中接触算法有纯罚函数法、增强拉格朗日法、多点约束方程法以及纯拉格朗日法，考虑到锥片较薄可能存在非线性大变形，选择增强拉格朗日法，并且分析设置中打开大变形分析项[1]。

接触分析结果如图5所示，图5（a）中最大摩擦应力为9.1131 MPa，分布不均匀；图5（b）中最大接触压力为134.85 MPa，说明锥片与轴套接触部分为弹性变形，使用库伦定律分析摩擦力与扭矩结果可靠；图5（c）说明转轴锥片与轴套绝大部分处于滑动状态，小部分会产生粘连；图5（d）说明接触面与目标面之间几乎没有穿透。

图5 转轴接触分析结果

随着轴芯的轴向位移，锥片与轴套之间的最大摩擦应力如图6所示，根据“probe”探测出摩擦力并计算出锥片与轴套之间扭矩如图7所示，随着轴芯的线性移动，扭矩的增加并非线性，与类似转轴实际测试结果非线性一致。

图6 锥片与轴套间最大摩擦应力

3 总结

针对企业中转轴扭矩测算较难的问题，利用ANSYS WorkBench软件对新型一字转轴进行了有限分析，得出接触面摩擦应力、接触压力、接触状态等的分布规律，可以发现轴芯移动时，在接触面上摩擦应力不均匀，具有很大的非线性，不适合采用简化的挤压变形模型来求解摩擦力及扭矩。

通过软件分析得到转轴的扭矩大小及与轴芯位移的具体关系，为新型一字型转轴扭力的确定提供了参考依据。后续可以通过修改几何模型尺寸，比如锥片的锥度、厚度及宽度等参数，模拟位移条件下的转轴扭矩，直至满足设计要求，避免了设计的盲目性，为转轴的研发和生产提供了具体可靠的参考。

图7 锥片与轴套间扭矩

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Torque Analysis of LinearType Hinge Based on ANSYS WorkBench

WANG Qiang

(SuzhouInstitute of Trade & Commerce, Suzhou 215009 , China )

Torque analysis of linear type hinge by transient structural in ANSYS WorkBench, in the analysis, the deformation of cone pieces is nonlinear, the friction coefficient of the contact surface is set up according to the actual situation. Analysis results show that cone pieces are elastic deformation, inhomogeneous deformation, friction stress distribution is not uniform, the vast majority of cone pieces and sleeve in sliding state, small part will produce adhesion, little penetration between the contact surfaces, the friction force between the cone pieces and the shaft sleeve increases nonlinearly with the central spindle displacement, the nonlinear curve between the torque of the hinge and the displacement of the spindle is got.

hinge；torque；finite element analysis；friction；ANSYS WorkBench

TP303

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.006

1006－0316 (2018) 07－0025－03

2017－10－12

苏州经贸职业技术学院自然类项目（KY-ZR1709）

王强（1981－），男，江苏徐州人，硕士研究生，讲师，工程师，主要研究方向为机械设计与制造。