基于有限元方法的超越离合器变形分析

段祥宇，张 平

（长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

作为一种常见机械零部件，超越离合器由于其防止逆转的机械传动特点，已被应用于不同领域的诸多产品中。超越离合器使用中的变形对整个传动系统变形与回差的影响不可忽略，变形过大会降低整个系统的传动性能甚至可能导致部件失效损坏。因此，为满足工程使用要求，利用有限元方法对超越离合器进行分析具有重要意义。

国内学者对超越离合器进行了广泛而深入的研究。龚正等采用有限元方法，对3种不同结构的滚柱式超越离合器的工作应力进行模拟计算，并通过台架和路试对分析结果进行验证；石光林等采用赫兹接触理论对超越离合器关键部件间的接触应力进行分析，还针对目前对滚柱式超越离合器动力学研究不足的现状，基于虚拟样机技术对其超越和楔合工况进行仿真分析；严宏志等对强制连续约束型超越离合器的弹簧力学行为进行了分析；刘钊等为改善现有离合器弹簧可靠性不足的问题设计了一种新型超越离合器，并通过有限元软件进行了仿真，确认其有足够强度；郑富磊等建立并推导了拨叉式超越离合器退楔力矩的数学解析表达式，将此理论分析与试验进行对比验证；侯祥颖等梳理啮合式、摩擦式两种不同类型的超越离合器相关文献，并分析超越离合器的未来发展方向。

目前关于拨叉式超越离合器的研究较少，本文主要介绍拨叉式超越离合器的工作原理，并利用ABAQUS软件对拨叉为主动件时顺、逆时针工况下的该结构变形进行有限元分析。

1 拨叉式超越离合器的工作原理

拨叉式超越离合器的基本结构如图1所示。在传递动力时，电机通过传动轴连接拨叉，星轮内孔通过传动轴连接负载。

当拨叉作为主动件时，超越离合器有以下两种工况:（1）电机带动拨叉顺时针旋转，此时拨叉直接推动星轮；（2）电机带动拨叉逆时针旋转，此时拨叉需先推动滚柱，滚柱压紧弹簧后再推动星轮传递动力。

当星轮作为主动件时也有两种工况：（1）星轮顺时针推动滚柱压紧弹簧后再推动拨叉旋转；（2）星轮逆时针旋转，滚柱被外圈和星轮间的楔形卡住锁死，星轮将不能传递动力。在动力正常传递的情况下，星轮顺时针工况同拨叉逆时针工况，故本文针对拨叉两种工况进行分析。

2 有限元分析

2.1 有限元模型的前处理

1.网格划分

将离合器的几何模型导入Hypermesh软件中，滚柱、外圈、顶销均采用C3D8R单元进行网格划分，星轮与拨叉部分无需精确求解区域采用C3D4和C3D6单元，其余均采用C3D8R单元划分。

2.材料属性

超越离合器的拨叉材料为38CrMoAlA，其余零部件材料为GCr15。超越离合器材料相关参数如表1所示。

拨叉与驱动电机连接处建立参考点施加耦合约束，星轮与负载连接处建立参考点施加耦合约束，外圈固定不动约束其全部自由度。以下将介绍拨叉作为主动件时顺、逆时针工况下的有限元接触分析。

2.2 顺时针工况有限元分析

1.分析步设定

设置两个静态通用分析步求解，分析步及边界条件定义如下：

（1）step1：在拨叉耦合点上施加一个小轴向转角，使星轮与拨叉在该转角下产生强制接触，约束星轮的所有自由度。

（2）step2：在拨叉耦合点上施加转矩15 250 N·mm，并释放拨叉的轴向转动方向自由度，约束星轮的所有自由度。

2.接触的定义和设置

选择面-面接触来建立拨叉和星轮之间的接触关系，拨叉为主面，星轮为从面，接触属性为面-面接触，采用罚函数算法，摩擦因数为0.15。据以上方法建立的有限元模型如图2所示。

3.顺时针有限元分析结果

提交计算即可得到顺时针工况下超越离合器的应力分布情况。拨叉的应力云图如图3所示。星轮的应力云图如图4所示。由云图可以看出，拨叉的最大Mises应力为13.104 MPa，星轮的最大Mises应力为9.747 MPa，两部件最大应力位置均为接触面根部。通过查询得到材料38CrMoAlA和GCr15的屈服应力分别为835 MPa和518.4 MPa，两部件最大应力位置均小于材料屈服极限，满足强度要求。

2.3 逆时针工况有限元分析

1.分析步设定

设置四个静态通用分析步求解。分析步及边界条件定义如下：

（1）step1：通过连接器单元加入带有初始应力的弹簧，弹簧被压缩到初始装配位置，约束除顶销外其余部件的所有自由度；

（2）step2：在拨叉耦合点上施加一个小转角使其与滚柱建立接触，释放滚柱局部坐标系下的水平方向自由度，约束其他自由度；

（3）step3：在拨叉耦合点上施加转矩−15 250 N·mm，释放轴向转动自由度；

（4）step4：在拨叉耦合点上施加转矩−15 250 N·mm，释放轴向转动自由度，释放滚柱平面内的自由度。

2.接触的定义和设置

滚柱接触比较复杂，选择面-面接触来建立滚柱与拨叉、星轮、外圈和顶销的接触关系。接触参数设置同顺时针工况。

为提高计算效率，将网格适当加粗，据以上方法建立的计算模型如图5所示。

3.逆时针有限元分析结果

提交计算后得到超越离合器的应力分布情况，此工况下滚柱的应力最大为131.667 MPa，位置在与拨叉接触一端，滚柱的应力云图如图6所示。滚柱最大应力小于相应材料的屈服极限，零件满足强度要求。

3 结论

本文对拨叉式超越离合器进行顺、逆时针旋转工况下的有限元模拟分析，零件强度满足要求。顺时针工况下拨叉直接推动星轮，拨叉与星轮工作接触面的根部位置应力较大；逆时针工况下滚柱先顶住顶销，随着弹簧的压缩，滚柱接触到星轮传递动力，此时滚柱与拨叉接触一端应力较大。

有限元分析可为结构优化设计提供依据，对提高机械传动系统的传动性能和超越离合器的使用寿命均有重要意义。