（机械制造及其自动化专业论文）滚柱轴承离合器参数分析及优化.pdf

摘要 中文摘要 滚柱轴承离合器是一种新型的摩擦式超越离合器，具有承载能力高、楔紧可靠、 寿命长等特点，同时兼有离合器和轴承的功能，可以简化传动结构，故它将成为离 合器技术发展新的亮点。滚柱轴承离合器在国外已是成熟的产品，其优良的性能已 在实验研究及国外应用中得到了证明。目前，国内对滚柱轴承离合器的实际生产尚 未开始。研究滚柱轴承离合器，对于实现滚柱轴承离合器的国产化，对提高我国此 类零部件的设计和制造水平，缩短与国外先进水平的差距和提高我国机械技术现代 化发展水平具有重要的意义。 本文首先用a n s y s 有限元分析软件中非线性分析功能重点分析了滚子直径及 轴夹角对滚子与内外圈滚道的接触应力的影响，并获得了最大接触应力值的变化规 律曲线。 其次，利用弹性流体动力润滑和流变学理论对滚柱轴承离合器的润滑脂膜厚度 进行了分析，给出了滚柱轴承离合器的润滑脂膜厚度的计算公式，建立了最小润滑 脂膜厚度的计算程序并且进行了实例计算，分析了相关参数对脂膜厚度的影响，为 滚柱轴承离合器的设计，和在制造精度上进行严格控制，提高其疲劳寿命和润滑脂 的选用提供了理论依据，具有重要的理论和工程实用价值。 最后，详细阐述了运用现代先进技术开发滚柱轴承离合器的设计方法，以额定 动负荷和最小油膜厚度为优化目标函数建立了滚柱轴承离合器的优化设计数学模 型，并对参数进行了优化。根据优化的结果用p r o e 软件的参数化建模功能对滚柱轴 承离合器建立三维模型，进行运动仿真及干涉检查，验证了所优化的参数的合理性。 关键词：滚柱轴承离合器；优化设计；p r o e n g i n e e r ；a n s y s ：接触应力； 最小润滑脂膜厚度 滚柱轴承离合器参数分析及优化 p a r a m e t e r sa n a l y s e sa n d o p t i m i z a t i o nr e s e a r c hf o rr o l l e r b e a r i n gc l u t c h g r a d u a t en a m e ：d u a nq u a n x i n d i r e c t e db yl i u z h o n g ，y i ny u f e n g a b s t r a c t r o l l e rb e a r i n gc l u t c hi san e wk i n do ff r i c t i o n a lo v e r r u n n i n gc l u t c h i th a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g hl o a db e a r i n gc a p a c i t y , w e d g e du pt i g h t l ya n dr e l i a b l y , 一 v 一 一 一 一 一 一一 l o n g1 i f ea n ds oo n ；a tt h es a m et i m ei th a st h ef u n c t i o no fb o t hc l u t c ha n d b e a r i n g a n di tc a ns i m p l i f yt h es t r u c t u r eo ft h et r a n s m i s s i o n ，s oi tw i l lb et h e n e wl u m i n e s c e n ts p o to ft h ec l u t c ht e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n t r o l l e rb e a r i n g c l u t c hh a sa l r e a d yb e e nt h em a t u r ep r o d u c ti nt h ef o r e i g nc o u n t r y , a n di t sf i n e p e r f o r m a n c eh a sb e e nc o n f i r m e d i nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n do v e r s e a s a p p l ic a t i o n a tp r e s e n t ，o u rc o u n t r yh a sn o ts t a r tt oi n v e s tt h er o l l e rb e a r i n g c l u t c h sa c t u a lp r o d u c t i o n i th a st h ev i t a ls i g n i f i c a n c ef o rr e a l i z e st h er o l l e r b e a r i n gc l u t c hm a n u f a c t u r ed o m e s t i c a l l y ，i m p r o v e st h el e v e lo fd e s i g n & m a n u f a c t u r eo ft h i sk i n do fp a r t s ，r e d u c e st h ed i f f e r e n c e st ot h ea d v a n c e so f f o r e i g n a n dr a i s e so u t c o u n t r y s d e v e l o p m e n tl e v e lo fm o d e r n i z a t i o no f m e c h a n i c a ls k i l lt os t u d yt h er o l l e rb e a r i n gc l u t c h f i r s t l y , t h i sp a p e rs e l e c t i v e l ya n a l y z e dt h ec o n t a c ts t r e s so ft h er o l l e ra n d t h et r a c ki n f l u e n c e db yt h ed i a m e t e ro fr o l l e ra n dt h ea n g l eo ft h er o l l e r sa x i s a n dt h et r a c k sa x i sb yu s i n gt h ef u n c t i o no fn o n l i n e a ra n a l y z ei ns o f t w a r e a n s y s a n dt h er u l ec u r v e sa b o u tt h em a x i m u mc o n t a c ts t r e s sa r eo b t a i n e d t h r o u g ht h em e t h o do fa n a l y z i n gt h es t r e s sv a l u eo nd i f f e r e n tm o d e l s e c o n d l y , t h eg r e a s e f i l mt h i c k n e s sf o rt h er o l l e rb e a t i n gc l u t c hi s a n a l y z e da c c o r d i n g t o e l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ( e h l ) a n d r h e o l o g i c a lt h e o r y t h ef o r m u l aa n dp r o g r a mf o rt h em i n i m u mg r e a s ef i l m t h i c k n e s si s 。g i v e na n di ti ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt oc a l c u l a t et h em i n i m u m f i l mt h i c k n e s si nt h ea v a i l a b l ep r o d u c t t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ef i l m t h i c k n e s sa r ea n a l y z e d i tm a yp r o v i d eab a s i ct h e o r yt od e s i g nt h er o l l e r n 摘要 b e a r i n gc l u t c h ，c o n t r o lt h em a n u f a c t u r i n ga c c u r a c ya n di m p r o v et h ef a t i g u e l i f ea n dr e l i a b i l i t yo ft h er o l l e rb e a r i n gc l u t c h i th a sas i g n i f i c a n tv a l u ef o r t h e o r ya n dp r a c t i c a l i t y f i n a l l y , m a t h e m a t i cm o d e l so fo p t i m u md e s i g nh a v eb e e ne s t a b l i s h e d a n do b je c tf u n c t i o n si no p t i m u mp r o c e s sa l eb a s eo nd y n a m i cl o a dr a t i n ga n d t h em i n i m u mf i l mt h i c k n e s s a n dt h ep a r a m e t e r sh a v eb e e no p t i m i z e db a s e d o nt h em a t h e m a t i cm o d e l s t h e nt h er o l l e rb e a r i n gc l u t c h st h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l sh a v eb e e ne s t a b l i s h e db a s e do nt h ep a r a m e t e r i z a t i o nm o d e l i n g f u n c t i o no fp r o es o f t w a r e ，a n di t sm o v e m e n ts i m u l a t e da n dt h ei n t e r f e r e n c e i n s p e c t e d ，t oc o n f l r r nt h ep a r a m e t e r sw h i c hw e r eo p t i m i z e dr a t i o n a l i t y k e y w o r d s ：r o l l e rb e a r i n gc l u t c h ；o p t i m u md e s i g n ；p r o e n g i n e e r ； a n s y s ；c o n t a c ts t r e s s ；m i n i m u mf i l mt h i c k n e s s i 承诺书承话吊 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导 下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。 如果今后以其它单位名义发表与在读期间学位论文相关 的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的文献 资料外，本学位论文不包括任何其它个人或集体已经发 表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ：犯兮 2 0 0 8 年5 月2 0 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 离合器是用于在运转过程中接合或分离共轴线的轴或共轴线的传动零件，是机 械传动系统中一种重要的传动装置。随着离合器技术和结构的不断完善和发展，它 在各种机械中与其它装置相配合，还可以完成更多的工作，一般地说，离合器可以 实现机械的起动和停车，齿轮箱和磁、液力传动机构的速度转换，传动轴间在运动 中的同步和相互超越，机器起动时和超载时的安全保护。此外还可以防止从动轴的 逆转，控制传递扭矩的大小和满足接合时间等方面的要求。因此，离合器在各类机 器设备中，诸如冶金、矿山、机械、航空、兵器、水电、化工、轻纺和交通运输等 各个领域都得到十分广泛的应用。 随着现代工业的高速发展，离合器的种类日益繁多，由于使用要求不同，选择 离合器的结构形式、操纵方式也就有所不同，按其接合元件的性质和操纵方式，离 合器分类如下【9 】： 表1 离合器的分类 摩擦式圆盘、圆锥、圆周等 安全离合器啮合式钢球、滑销、牙嵌等 自 剪销式 行 操离心离合器 散状体式钢球、滚柱等 刚体式自由块、弹簧块、液压缓冲等 纵 超越离合器 摩擦式滚柱、楔块、楔铁、弹性元件式等 啮合式棘轮、滑销、牙嵌等 摩擦式单盘、多盘( 片) 、磁粉等 电磁离合器 啮合式啮合式牙嵌等 外液压离合器 柱塞缸摩擦式圆盘、圆锥、块等 活塞缸 啮合式牙嵌等 力 操 气胎 纵 气动离合器 隔膜缸摩擦式 圆盘、圆锥、块等 活塞缸 摩擦式圆盘、圆锥、块、闸带、闸块、涨圈、扭簧等 机械离合器 啮合式牙嵌、滑销、转键、插销、齿轮、拉键等 滚柱轴承离合器参数分析及优化 超越离合器属于离合器的一个重要分支，是一种随速度的变化或回转方向的变 换而能自动结合或脱开的离合器，在机械传动中广泛用作速度转换装置、单向逆止 装置和间歇运动装置。 超越离合器按其工作原理，可分为啮合式和摩擦式两大类。啮合式是超越离合 器的早期形式，它利用棘轮、棘爪、滑销、牙嵌等结合元件的啮合来传递扭矩，具 有结构简单、制造容易等特点，但外形尺寸大，接合位置受限制，冲击振动大，接 合时有噪声，适用于转差不大的场合。摩擦式是在啮合式的基础上发展起来的，它 利用圆滚柱、斜撑楔块( 偏心滚子) 、锥形滚柱、扭簧等部件压紧其它元件产生的摩 擦力来传递扭矩，具有体积小、递扭矩大、结合平稳、工作时无噪声等特点，可在 高转差下结合，但对设计制造要求高。 2 0 世纪7 0 年代，美国航空宇航局( n a s a ) 开始对高速超越离合器进行研究。超越 离合器的研究是n a s aa r t - i 计划的主要研究内容之一。1 9 7 2 1 9 7 7 年，l y n w a n d e r ， w i r t h 和k i s h 等人对直升机超越离合器做了深入研究。1 9 7 7 年，k i s h 对该历时三年 的研究做了总结：开发了工作转速达2 0 0 0 0r m i n 的直升机超越离合器，并在结构上 作了改进，减小了扭矩、尺寸和重量。k i s h 同时研究了弹簧离合器、斜撑离合器和 滚柱离合器三种高速超越离合器，并应用于u h 一6 0 a 直升机。1 9 9 4 年，x u t 建立了 斜撑超越离合器的数学模型，在考虑转动惯量、离合器和轴承座圈的赫兹接触应力 的情况下，提出离合器应是点一点接触，而非一般的线接触，并通过试验验证了这 一假设。1 9 9 8 年，c h e s n e y 对单向斜撑式离合器的制造和安装误差进行了分析，并 建立了相应的数学分析方程【17 】【1 8 】。 国内对超越离合器的研究比较晚。我国自2 0 世纪8 0 年代初，因滚珠螺旋传动 和航空事业的需要，开始了斜撑式离合器的初步探索，随着改革开放的发展及其国 际交流的扩大，国内知名科研院所和企业先后开展这方面的研制和小批量生产并替 代进口，逐渐在国内各领域内推广使用。林军等人研究了差动双制动块式超越离合 器的工作机理，并建立了相应的数学模型4 2 1 。黄靖远等人从工作原理出发研究了链 环式超越离合器的高速超越特性及挠性环面超越离合器的原理及应用【l9 。总体来说， 国内对超越离合器的研究相对来说要少得多。并且由于国内航空和汽车等民族工业 的落后，对超越离合器的使用需求不够，对超越离合器的研究处于民间分散状态。 只有少数几家民营企业在做超越离合器的试制和研究工作，研究水平和产品水平都 较低，主要用在非汽车和航空的其它民用领域。目前在汽车和航空领域使用的超越 离合器大都依靠进口或由外资厂提供。 2 第一章绪论 1 2 国内外研究情况 滚柱轴承离合器是一种新型的摩擦式超越离合器，与其它超越离合器相比具有 承载能力高、楔紧可靠、寿命长等特点，同时兼有离合器和轴承的功能，可以简化 传动结构，具有广泛的应用前景，在国外已经是成熟的产品，如日本，滚柱轴承离 合器又叫b e a rc l u t c h o n ew a y ，已经广泛应用于工业自动化机械方面及航空 工业【引。 由于滚柱轴承离合器的滚道曲面直接关系到滚柱轴承离合器的楔紧可靠性、承 载能力、寿命和加工的难易等，因此对滚道曲面的研究具有重要的意义。国内学者 对此研究取得了重要的理论成果，刘凯、刘中等先后确定了滚道理论曲面方程，并 且由滚道理论曲面方程再经过理想模型的假设和优化，再经过数学推导及过程参数 的优化处理，得出近似理想滚道曲面方程。并由近似理想滚道曲面方程得出了近似 理想滚道曲面是标准单叶回转双曲面的结论【i 】，这为进一步研究滚柱轴承离合器动态 接触提供了理论依据。由于超越离合器不管在民用领域还是在军用领域都得到了广 泛的应用，而不可避免的制造、安装误差，以及磨损等，超越离合器极易发生故障。 当转速达到一定水平时，必须考虑振动的影响，研究超越离合器的动力学性能，以 适应不同的工作环境。对于滚柱轴承离合器也必须研究其动力学特性。为了更好地 了解其运动特性，国内学者殷玉枫等从其工作原理出发，利用接触力学和振动力学 理论对滚柱轴承离合器的动力特性进行了分析计算，得出了滚柱轴承离合器的扭转 刚度是非线性的，证明了滚柱轴承离合器系统具有丰富的非线性动力学现象1 3 j 。 1 3 本文研究的目的和意义 由于滚柱轴承离合器具有承载能力高、楔紧可靠、寿命长等特点，同时兼有 离合器和轴承的功能，可以简化传动结构，因此具有广泛的应用前景。由于结构的 特殊性，使得参数的选择并非易事。而对于参数的选择往往是设计的关键，由于结 构特殊，其工作原理，设计方法及其主要结构参数的确定，工艺制造方法和使用的 材料特性，整套离合器的各项性能考核等一系列深层次问题，目前国内并没有进行 深入地研究和解决，而仅仅停留在模仿阶段，对上述核心技术问题还是不甚了解。 为了尽快实现该部件的国产化，摆脱此类离合器设计、制造上的空白以及维修配件 受制于人的局面，立即开展这种离合器的深入研究、试验和试制，对提高我国此类 零部件的设计和制造水平，缩短与国外先进水平的差距，满足我国机械现代化要求， 显得非常紧迫和重要。 滚柱轴承离合器参数分析及优化 1 4 本文研究的内容 本论文研究的超越离合器属于摩擦式超越离合器，其主要研究内容为： ( 1 ) 使用a n s y s 有限元分析软件分析参数对滚子与内外圈滚道的接触应力的 影响，为接触应力的分析提供了一种分析方法，获得了最大接触应力值的变化规律 曲线； ( 2 ) 利用弹性流体动力润滑( e h d ) 和流变学理论对滚柱轴承离合器的润滑脂 膜厚度进行了分析，给出了滚柱轴承离合器的润滑脂膜厚度的计算公式，建立了最 小润滑脂膜厚度的计算程序并且进行了实例计算，分析了相关参数对脂膜厚度的影 响。 ( 3 ) 根据工作条件和结构尺寸，以额定动负荷和最小油膜厚度为优化目标函 数建立了滚柱轴承离合器的优化设计数学模型，并以建立的数学模型为基础对主参 数进行优化设计，确定其主要部件的结构参数，并用v b 编写了优化程序； ( 4 ) 根据优化参数运用p r o e 建立滚柱轴承离合器的三维模型，并进行运动仿 真，作干涉检查，验证参数的合理性。 1 5 本章小结 本章简要介绍了离合器的类型及其发展状况、超越离合器的类型及发展状况、 国内外研究情况、本文所研究的内容以及研究的目的和意义。 4 第二章滚柱轴承离合器参数对接触应力影响 第二章滚柱轴承离合器参数对接触应力影响 2 1 结构及工作原理 滚柱轴承离合器( r o l l e rb e a r i n gc l u t c h ) ( 图2 1 ) ，是一种新型的摩擦式超越离 合器【6 】，主要由内圈、滚子、外圈、滚子保持架、挡块、卡圈、弹簧片、密封圈等组 成【8 】o 图2 - 1 滚柱轴承离合器 滚柱轴承离合器的工作原理与锥螺纹拧紧过程相似，它是以按一定螺旋角排列 的滚子替代锥螺纹的螺牙而形成的离合器，滚子在内外圈滚道上呈右旋排列，当外 圈在扭矩的作用下开始逆时针方向转动时，通过摩擦力的作用带动滚子转动，由于 滚子的轴线与滚道轴线之间存在夹角b ，滚子的运动被分解成两部分，即绕轴线的 转动和沿轴线的移动。 由于在结构上保证了内、外圈与滚子三者中只有外圈可沿着轴线方向移动，在 图2 2 所示的情况下，外圈向右移动导致内、外圈之间的法向间距减小，滚子上的压 力增大而楔紧，内外圈以相同的速度转动。而当外圈相对于内圈有顺时针方向的运 动时，外圈向左移动，内外圈之间的法向间距变大，滚子自由转动，这样轴承离合 器就实现了离合功能。若内、外圈滚道中呈左旋排列，则与上述运动情况相反，外 圈顺时针方向转动时离合器楔紧，逆时针方向转动时解楔。 2 2 滚子与内外圈滚道接触应力分析 滚柱轴承离合器的工作可分为以下三个过程： ( 1 ) 锁合：外圈一边转动一边轴向移动，导致内外圈滚道之间法向间距减小， 5 滚柱轴承离合器参数分析及优化 使内圈与其一起转动，实现锁合。 ( 2 ) 楔紧：内外圈之间通过滚子的作用相互楔紧，做同步运转，传递扭矩。 ( 3 ) 解楔：当外圈反向运动时，外圈沿轴线反向移动，使内外圈滚道之间的法 向间距变大，内外圈与滚子之间法向力减小，从而滚子自由转动，实现分离。 图2 - 2 滚柱轴承离合器原理 上述三个过程中楔紧过程传递力和扭矩，正常的失效形式是滚动体或内外滚道 上的点蚀破坏【4 】，这是在安装、润滑、维护很好的条件下，由于大量重复地承受变化 的应力而产生的。一旦遭受到点蚀破坏后，通常在运转时会出现比较强烈的振动、 噪声和发热现象。因此对滚动轴承的内外圈和滚动体进行应力和应变分析具有重要 的意义。 对滚柱轴承离合器应力分析主要是对滚子与滚道接触应力的分析，滚子与滚道 之间接触属于典型的非线性接触问题。由于非线性问题在实际工程应用中十分常见， 因而对非线性接触进行分析具有重要的意义。接触问题是边界条件高度非线性的复 杂问题，需要准确追踪接触前多个物体的运动，及接触发生后这些物体之间的相互 作用，同时包括正确模拟接触面之间的摩擦行为和可能存在的接触间隙传热。 非线性分析中的接触问题具有如下的非线性特征。 ( 1 ) 接触区域的范围、接触物体的相互位置以及接触的具体情况很难预知。例 如，物体表面之间接触还是分开是突然变化的，事先无法得知；由于在加载过程中 材料的变形，点接触可能会发展为面接触，这些都体现出接触问题的高度复杂性。 所以，在计算过程中，需要通过材料参数、载荷、边界条件等因素，进行综合分析 后才能够判断或确定当前的接触状态。 6 第二章滚柱轴承离合器参数对接触应力影响 ( 2 ) 接触条件往往具有非线性特征，接触条件包括： 接触物体之间不可相互浸入； 接触界面间法向作用只能为压力； 切向接触的摩擦条件。 这些条件的共同特征是具有高度非线性的单边性不等式约束。 接触界面特征的未知性以及接触条件的非线性特点，使得在接触分析的过程中必 须经常进行接触界面的搜索和判断的操作环节，这使得问题的收敛性变得困难。接 触过程的高度非线性需要研究比求解其它非线性问题更为有效的分析方案和方法。 接触应力和变形是两个曲面物体相互挤压时，在接触部位邻近的应力和变形。 就滚柱轴承离合器而言，起初，滚动体和内外圈滚道之间为线接触，在负荷作用下， 接触线邻域变形，负荷作用在微小的面积上，称其为接触面。接触面的形状取决于 两物体在接触线的曲率，接触面积随负荷增加而增大，沿着接触面压力分布是不均 匀的。与此同时，由于接触部位邻近的变形，两物体将互相趋近。一般来说，接触 应力和变形的分析是滚柱轴承离合器分析的基础。接触应力对滚柱轴承离合器的接 触疲劳和磨损有重要的影响，在很大程度上决定着滚柱轴承离合器的寿命。接触面 小，即使负荷不太大，接触应力也可能是相当高的。 2 3a n s y s 分析接触应力的可行性 有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，是以 计算机和矩阵运算作为工具，对复杂工程问题或结构进行计算和分析的数值方法。 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析 软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司开发，它能与多 数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r , n a s t r a n ，a l o g o r , i d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。软件主要包括三个 部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实 体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构 分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场 分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互 作用，具有灵敏度分析及优化分析能力：后处理模块可将计算结果以彩色等值线显 示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可 看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输 7 滚柱轴承离合器参数分析及优化 出。软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 a n s y s 软件提供的分析类型如下【2 7 】【2 8 】【2 9 】： ( 1 ) 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结 构的影响并不显著的问题。a n s y s 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且 也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。 ( 2 ) 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析 不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。a n s y s 可 进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随 机振动响应分析。 ( 3 ) 结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。a n s y s 程序可求解 静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。 ( 4 ) 动力学分析 a n s y s 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可 使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、 应变和变形。 ( 5 ) 热分析 程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均 可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过 程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热一结构耦合分析能力。 ( 6 ) 电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、 磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电 机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。 ( 7 ) 流体动力学分析 a n s y s 流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结 果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压 力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热一流管 单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。 8 第二章滚柱轴承离合器参数对接触应力影响 ( 8 ) 声场分析 程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中 的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅 的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。 ( 9 ) 压电分析 用于分析二维或三维结构对a c ( 交流) 、d c ( 直流) 或任意随时间变化的电流 或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件 及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分 析、谐波响应分析、瞬态响应分析。 本文在分析参数对接触应力的影响时，起初滚子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，负荷作用在微小的面积上，即所谓的接 触面上，由此可以看出接触应力的变化是非线性的，而a n s y s 有限元分析软件具有 强大的非线性分析功能，因此使用a n s y s 对滚柱轴承离合器的接触应力分析是可行 的。 2 4a n s y s 对滚子与滚道接触应力分析 鉴于p u n s y s 程序具有强大的接触分析能力，可以方便地处理常见的静态和瞬 态非线性问题，同时结合上述的诸多接触问题的特征，故本文采用a n s y s 软件中接 触应力分析功能，求解滚柱轴承离合器在工作中的接触应力问题。 2 4 1 建立模型 由于工作中滚柱轴承离合器主要靠滚子与滚道的弹性接触力来传递运动和动 力，所以要求弹性接触元件滚子和内外圈的材料有较高的许用接触应力和耐磨性， 因此滚子和内外圈均选用滚动轴承钢。滚动轴承钢的牌号以字母“g 后附铬元素符 号c r 及其含量的千分数表示，碳的含量不标出。g c r l 5 表示含c r 千分之十五，即 1 5 的滚动轴承钢。而滚动轴承钢中最有代表性的就是g c r l 5 ，它是一种合金含量 较少，具有良好的综合性能，是应用最广泛的高碳铬轴承钢，经淬火加回火后，具 有高而均匀的硬度、良好的耐磨性、高的接触强度和高疲劳寿命。由文献 1 2 知道， 其许用接触应力 仃 可取4 5 0 0 m p a 。其弹性模量为e = 2 0 8 e + 5m p a ，泊松比u = o 3 。 因此滚子和内外圈均选用滚动轴承钢6 c r l 5 。 图2 - 5 为滚柱轴承离合器的有限元分析模型图，所选模型滚子直径为d = 7 5 m m ， 9 镕驻轴承离台# 参数* 析世优化 内圈孔直径为由= 5 0 m m ，外圈直径为由：= l l o m m ，滚子轴线与内、外圈滚道轴线之间 有一夹角b = 1 0 。滚子长度l = 2 0 m m ，攘子个数为1 2 个，工作载荷f r = 1 0 0 0 n 。由于 此模型比较复杂，故采用在p r o e 中建立模型，然后导入a n g y s 中的方法。导入方 法有些技巧，稍有操作不当就容易失败。在p r o e 中建立好模型之后，将文件另存 为i g e s ( t h ei n i t i a l6 r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ，初等图形交换规范，是 一种普遍接受的中间标准格式，用来在不同的c a d 和c a e 系统之间进行数据交换) 格式的文件具体操作步骤如下：文件一保存副本，在保存副本对话框中的类型中选 择i g e s ( i g s ) ，在新建名称中输入i g e s 文件名称，然后点击确定，出现输出i g e s 对话框，如图2 3 所示，在输出框中选择实体，点击“确定”，此时左下角状态栏会 显示“已经创建i g e s 文件 i g s ”表明i g e s 文件成功创建。 图2 - 3p r o e 生成i g e s 文件图2 - 4a n s y s 导入i g e s 文件 下面进入a n s y s ，导入i g e s 文件。启动a n s y s 之后应首先选择空间大的磁盘 作为工作目录，因为a n s y s 运行之后会生成结果文件若磁盘空问不够会使a n s y s 运行中断。然后点击f i l e t 呷o r t 1 6 e s ，会出现i m p o r ti g e sf il e 对话框，a n s y s 对导入i g e s 文件有n od e f e a t u r i n g 选项和d e f e a t u r em o d e l 选项。( 这两种选项有 区别的：当选择n od e f e a t u r i n g 选项时 使用标准的p r e p 7 几何工具来进行修补 不能用增强的拓扑和几何修复工具，必须 使用这个方法将建好的模型导入到e n s y s 中，若导入生成体失败，则最好以面的形式导入。当选择d e f e a t u r em o d e l 选项时， 对于一些模型，转换过程只需简单的几步，即选择要输入的i g e s 文件，设置一些选 项，进行转换以后就可以对模型进行网格划分了，但是许多模型并不能完全地输入 或可能还需要一些手工修改，以便生成容易进行网格划分的体。) 本文选择n o d e f e a t u r i n g 选项。然后点击0 k ，出现i m p o r ti g e sf i l e 对话框如图2 4 所示， 点击b r o w s e 选择i g e s 文件，点击0 k ，模型成功导入，如图2 5 所示。 还可以建立p r o e 与a n s y s 之间的接口，直接从a n s y s 中打开p r o e 图形，过 1 0 = 帝壤牲轴女离台g 参数h 接触庖力弗响 程如下： 为了保证两种软件的版本兼容，p r o e 的版本不得高于同期的a n s y s 的版本。 运行a n s y s ，选择u t i l i t i e s 下的a n s a d m i n 项，在a r s a d m i n 弹出图框中选择 c o n f i g u r a t i o no p t i o n s 在下一个c o n f i g u r a t i o no p t i o n s 弹出图框中选择 c o n f i g u r a t i o l 3c o n n e c t i o nf o rp r o e ，在c o n f i g u r ea n s y sc o n n e c t i o nf o rp r o e 中的a n s y sp r o d u c t 中选择a n s y sm u l t i p h y s i c s 在g r a p h i c s d e v i c en a m e 中选择 w i n 3 2 ，在出现s u c c e s s 图框中记下c o n f i ga n s c o n 文件位置。在出现的p r o e i n s t a l l a t i o n i nf o rm a t i o n 下的p r o el n s t a l l a t i o np a t h 中输入p r o e 的安装 路径。在l a n g u a g eu s e dw i t hp r o e 中选择语言为u s a s c i i ，最好将记录下的 c o n f i ga n s c o n 拷贝到p r o e 的安装目录下。这样可以将p r o e 的模型直接传到a n s y s 中了。 多要瓷 图2 - 5 有限元模型图 2 - 6 有限元简化模型 在对滚柱轴承离合器模型采用二级智能网格划分后，得到1 2 3 5 5 3 个节点，然后 定义接触对，定义边界条件，施加约束和载荷进行削n s y s 分析求解，运行了2 0 多 个小时显示收敛，但尚无结果，显示磁盘空间不足，无法继续运行。笔者认为分析 失败的原园是由于建立的模型节点太多，消耗计算机资源太大。于是考虑到应该先 简化模型，再继续进行分析。基于滚柱轴承离合器结构，在建立模型时，考虑到滚 子结构具有对称性，滚子与滚道接触为线接触，故从轴线与接触线处剖开，取其一 半进行分析。这样做的主要原因是可以在保持精度的情况下，减少实体的体积，以 减少不必要的单元网格的划分，有利于提高计算精度，节约计算机资源。如图2 6 所示为简化模型图。 滚柱轴承离合器参数分析及优化 2 4 2 计算单元的选择 接触问题一般分为两种基本类型，即刚体与柔体的接触，柔体与柔体的接触。在 滚柱轴承离合器中，由于滚子与滚道材料的硬度差不多，两个接触体都是变形体( 刚 度相同) 故将问题归结为柔体与柔体的接触问题。 在a n s y s 分析中，所处理问题的接触方式可分为三类，即点与点之间的接触、点 与面之间的接触、面与面之间的接触。由于滚子半径与滚道半径相比小得多，故滚 子与滚道之间的接触问题可以按点与面之间接触考虑。在a n s y s 程序中点与面之间 的接触是通过跟踪一个表面( 接触面) 上的点相对于另一个表面( 目标面) 上的线 或面的位置来表示的，其底面由目标面上的节点组成，而定点为接触面上的节点。 考虑到点与面之间的接触单元不需要预知确切的接触位置，接触面之间也不需 要保持一致的网格，并且允许有大变形和较大的相对滑动。所以选择计算单元为 s o l i d 9 2 单元，此单元为四面体单元，共有1 0 个节点，此单元可以很好的模拟曲面 边界，而且由于节点数少，可以节省大量的系统资源；接触面单元选用a n s y s 提供 的含中节点的八节点四边形c o n t a l 7 5 单元，目标面单元为无中节点的三节点 t a r g e l 7 0 单元。 在预先分析可能发生的接触区域，在确定潜在的接触区域后，定义接触单元。由 于本次分析是针对滚子与内圈，滚子与外圈接触问题的，故存在有两处的非线性接 触行为，由此应定义两对“接触对 以便使分析能够正确进行。 接触分析中，为确保问题的收敛，采用以力为基础的收敛误差，并且应确保使用 合适的接触刚度。所有的接触问题都需要定义接触刚度，两个表面之间变形量的大 小决定了接触刚度，为避免过大的刚度影响总刚度矩阵收敛，本文将材料的弹性模 量定为实常数的法向刚度( 即l ( n = 2 0 8 e + 5m p a ) 在求解过程当中，由于一一对应得两个接触面上的节点或者在靠近对称边界上有 接触产生，接触节点在目标面上的两个临近单元之间会来回摆动，因而会导致求解 震荡。为克服这个问题，给实常数t o l s ( 即允差) 制定一个值，目的是使在目标面 的两个临近单元之间建立一个“缓冲区 ，在本次的分析当中设定允差为0 0 0 1 m m ， 目的是建立一个宽为接触长度的0 0 0 1 的缓冲区，为增加接触面的长度。 2 4 3 网格划分 有限元法的基本思想是把复杂的形体拆分未若干形状简单的单元，利用单元节点 1 2 第一章滚柱轴承高台器参数对接触戊力影响 变量对单元内部变量进行插值来实现对总体结构的分析，将连续体进行离散化即称 网格划分。离散而成的有限元集合将替代原来的弹性连续体，所有的计算分析都将 在这个模型上进行。因此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，计算时间增加口”。 当网格数量达到定程度后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，故本次计算时采用智能网格( 2 级s m a r t s i z e ) 划分方式，这样a n s y s 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。划分后共有5 9 8 8 4 个单元，7 8 3 2 9 个节点。 2 4 4 定义接触对 接触对的创建在用a n s y s 进行接触分析应力计算与仿真分析中是极其重要的一 步，没有接触对的定义或者接触对的定义不合适，就不能进行接触应力的分析。在 网格划分的基础上分别定义滚子与外圈滚道之间和滚子与内圈之间的接触对，接触 材料的摩擦系数选取钢与钢的摩擦系数0 u n s y m m e t r i c ，设雹初始接触表面距离0 ， 划分并定义接触对图。 2 4 5 约束条件、施加载荷与求解 1 ，渗透距离00 2 ，选取非对称刚度矩阵 接触初始调解量0 0 2 。图27 所示为网格 滚动轴承离合器工作时可以是内圈固定，外圈转动，也可以是外圈固定，内圈 转动。此次分析中，假设内圈固定，外圈转动，故内圈内表面施加全自由度约束； 截面处施加对称度约束。由于滚子轴线与内、外圈滚道轴线之间有一夹角t 3 较小， 滚子所受的轴向载荷较小，故注要考虑径向载荷对内外圈的影响。 图2 7 网格划分并定义接触对图 熏 凄柱轴承离台姑多敛丹折优化 载荷施加时要考虑单位一致的问题，即模型尺寸单位为i - m i ，质量单位t o n n e ， 力的单位为n ，时间的单位为s e c ，密度单位为t n n 3 ，力矩单位为m mn ，杨氏模量 单位m p a 径向施加0 的二分之一即5 0 0 n 的力。 型n s y s 引入牛顿一拉普森平衡遮代实现非线性求解，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。 在使用牛顿拉普森方法时，正切刚度矩阵可能变为将秩矩阵，严重影响收敛问 题，包括独立实体从固定表面分离的静态接触分析，结构或者完全崩溃或者“突然 变成”另一个稳定形状的非线性弯曲问题。在这种情况下，馓活另外种迭代沿一 段弧收敛，因而即使当正切刚度矩阵的倾斜为零或者负值时，也能够阻止发散。 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。二分法提供一种对收敛失败自动矫正的方法。无论何时，只要平衡迭代收 敛失败，二分法就将时间步长分为两半，然后从最后收敛的子步自动重启动，如果 一丹为二的时间步长再次收敛失败，将再次分割时间步长，然后再次重启动，持续 这一构成直到获得收敛的结构，或到