有限元技术在新型联轴器设计中的应用

张军凯　张宝

摘要：通过对弹性橡胶件扭转刚度的仿真分析，可以准确预测该橡胶元件的动力学性能，可为联轴器橡胶材料的选择提供理论依据。通过对联轴器整体结构的模态分析，可以快速、精确地得到该联轴器的固有频率和各阶振型，可为联轴器传动系统的振动特性分析、振动故障诊断以及结构优化设计提供依据。

关键词：有限元；弹性联轴器；动力学特性

1 前言

新型联轴器是靠花键联接来传递扭矩，与传统弹性环联轴器相比，具有更高弹性和阻尼减振性，位移补偿能力更强，更大程度降低转矩输出的波动，延长联轴器寿命等特点，此外结构紧凑、安装方便、维修简单和不需润滑。

这种联轴器在结构上具有高度非线性，其动力学特性用理论公式很难准确计算，因此采用有限元法对这种新型联轴器进行动力学特性的仿真计算，精确地计算出联轴器的各项动力学性能，为联轴器的设计及结构优化提供参考。

2 有限元模型的建立

2.1 几何模型的建立

利用Pro/E Wildfire4.0建立联轴器的几何模型，并对模型进行合理简化：忽略各处的螺栓及螺栓孔、大多数的圆角，简化螺钉成圆柱状，简化外花键轴上的一些小凸台。由于该联轴器包含零件数目较多，而且零件模型较复杂，因此ANSYS中选用SMOOTH求解。最后得到联轴器几何模型如图1所示：

2.2 单元类型选择

所建模型选用SOLID45单元模拟联轴器模型中的金属元件和碳纤维管；选用SOLID186单元模拟不可压缩的超弹性橡胶件。另外，选用CONTA174和TARGE170单元来创建螺钉与碳纤维支撑套间的接触，螺钉与碳纤维管间的接触，橡胶件与金属件间的接触，其余构件之间采用粘结联接。

2.3 材料属性定义

联轴器三维实体模型是由钢材、碳纤维材料和橡胶材料组成，各材料属性如表1所示。钢和碳纤维材料具有各项同性的特点，在ANSYS中定义。对于橡胶类物理非线性材料，常用经典的Mooney-Rivlin模型来描述，可以描述所有橡胶材料的力学行为。模型中采用两个参数的Mooney-Rivlin模型，仿真时需要输入橡胶材料力学性能参数C10=1.2和C01=0.3。

2.4 网格划分

在ANSYS软件中划分网格，重点分析区域控制局部网格的排列和密度。螺钉与碳纤维支撑套间的接触，螺钉与碳纤维管间的接触，以及橡胶件与金属件间的接触是有限元模型建立的重点和难点。在网格划分过程中，必须保证螺钉件和橡胶件的网格质量，利用MeshControl中的Sizing选项控制螺钉件和橡胶件的网格尺寸，划分结果如图2所示。

网格质量必须确保模型的正确性。其格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标度量。本文重点研究橡胶件的动力学特性，因此对橡胶元件应保证高质量的网格，其他元件的网格质量可适当降低。最终生成联轴器有限元模型如图3所示：

2.5 添加约束和施加载荷

首先创建局部柱坐标系，并将模型中的所有节点都转移到此局部坐标系中。将联轴器输出端面定义为全自由度约束，在联轴器输入端面质心处施加如图4所示的载荷。

3 弹性体扭转刚度非线性仿真分析

为了对弹性橡胶件的扭转刚度和应力一应变有一个比较全面的分析，分别取T=100N·m、T=250N·m、T=500N·m、T=700N·m、T=1000N·m和T=1500N·m来创建载荷步文件，并将其加载到联轴器有限元模型上。通过有限元计算后，可以在POST1后处理器中查看不同载荷步下的仿真结果。图5为橡胶件加载公称转矩700N·m时变形量的云图，从该图中可以获取橡胶件不同位置处的变形量以及橡胶件整体的变形角。

图6为橡胶件所受转矩与其变形角之间的关系曲线。可以看出，在承受0～700N·m范围内橡胶件的弹性特性大致呈线性变化，即扭转刚度为常数。在公称转矩700N·m条件下的仿真结果与设计目标的最大误差小于3%，因此仿真结果符合设计要求。当转矩大于公称转矩700N·m时，橡胶件的刚度呈现非线性，从而实现缓冲、减振的目的。

4 联轴器整体模态仿真分析

联轴器在工作过程中，会受到来自扭矩输入、输出端振动引起的激励。当这些外界激励与联轴器系统固有频率接近时，将产生共振现象。为了避免共振产生，需对联轴器进行模态分析，确定固有频率，从而为系统的振动特性分析、振动故障诊断以及结构优化设计提供依据。在模态分析中，唯一有效的约束和载荷是零位移约束，其他载荷可以在模态分析中指定，但在模态提取时将被忽略。考虑到本文中的联轴器绕中心轴旋转，所以在联轴器有限元模型中施加周向位移约束和刚体位移约束。

由于文中联轴器系统较低的几阶固有频率对其动态响应的影响最大，因此在研究分析中只需了解前几阶固有频率。利用ANSYS中Block Lanczos方法，求解得到联轴器前6阶的固有频率如表2所示，前6阶的振型如图7所示。从图7中可以看出，联轴器的振动主要集中在碳纤维管上，振动形式与振幅大小主要取决橡胶件的弹性特性。靠近扭矩输入端的振幅较其他部位大，当扭矩输入端（比如发动机）引起的激振频率与联轴器的固有频率接近时，就会造成共振现象的发生。

5 结论

（1）本文详细介绍了新型联轴器有限元模型的建立过程，包括几何模型的简化、材料属性定义、单元类型的选择，网格划分、接触定义以及添加约束和施加载荷。

（2）通过对弹性橡胶件扭转刚度的分析，可以准确预测该橡胶元件的动力学性能，为橡胶材料的选择提供理论依据。通过对联轴器整体结构的模态分析，得到该联轴器的固有频率和各阶振型。