专利名称：斜撑式离合器楔块表面应力的有限元模型建立及修正方法
技术领域：
本发明属于离合器技术领域，尤其涉及到一种斜撑式离合器楔块表面应力的有限元模型建立及修正方法。
背景技术：
斜撑式离合器是一种只能传递单向扭矩的传动零件，在航空、船舶、汽车等领域应用广泛。结合图1，斜撑式离合器包含有内环1、一定数量的楔块2和外环3，楔块2与外环 3之间由外保持架5限位，楔块2与内环1之间由内保持架4限位，各楔块之间夹有螺旋弹簧6，楔块2的外接触面与外环3滚道接触，楔块2的内接触面与内环1接触。斜撑式离合器在逆时针方向转动时，楔块2靠楔角楔紧以传递扭矩(或称为楔紧状态)，内保持架4、外保持架5和螺旋弹簧6对楔块2的相互作用力可以忽略不计。楔块2 的外接触面和内接触面与外环3和内环1之间产生压应力，当压应力超过楔块2所用材料的许用接触应力3040Mpa参见(联轴器、离合器设计与应用指南)第230页表8_1时，楔块2的外接触面和内接触面就会引起破坏并进而导致斜撑式离合器的整体失效。斜撑式离合器在顺时针方向转动时，楔块2与内环1之间产生相对滑动，内环1相对外环3产生空转，此时楔块2与内环1和外环3之间仅存很小的滑动摩擦力，对楔块2的外接触面和内接触面影响不大。因此，在楔紧状态下对楔块2外接触面和内接触面的有限元模型建立及修正是改变楔块几何形状参数的一个重要途径。现有楔块几何形状参数的设计方法依照经验进行设计，需要大量的试验数据以检验斜撑式离合器的各项性能，缺乏有效的分析方法来获得楔块表面局部薄弱区域的具体应力和变形情况，这对改变楔块几何形状参数以及校验或是改进工作带来了一定难度，且通过试验来改变楔块几何形状参数的难度及加工成本带来了一定难度。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种斜撑式离合器楔块表面应力的有限元模型建立及修正方法，利用该有限元模型建立可以对斜撑式离合器中楔块表面的应力分布作出评估，依据评估结果对楔块几何形状参数进行修正，通过对楔块几何形状参数的修正可以提高楔块应力集中区域的结构刚度，最终获得更为合理的楔块几何形状参数，进而有效提高斜撑式离合器在楔紧状态下的使用寿命。为实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案
一种斜撑式离合器楔块表面应力的有限元模型建立及修正方法，该有限元模型建立及修正方法将楔块与外环接触的面称为外接触面，将楔块与内环接触的面称为内接触面，楔块的结构刚度通过几何形状参数体现为楔块外接触面的曲率半径R1、楔块内接触面的曲率半径&、楔块外接触面的凸度Cl1、楔块内接触面的凸度d2和楔块悬臂梁的倒角半径r ；本发明的特征是
斜撑式离合器楔块表面应力有限元模型建立的基础是楔块处于实际扭转载荷和楔紧状态下，在忽略内保持架、外保持架和弹簧对楔块的相互作用而对楔块、内环和外环进行有限元网格划分，进而建立楔块、内环和外环的有限元模型，再根据所建立的有限元模型来对楔块的几何形状参数进行修正，修正的结果提高了楔块应力集中区域的结构刚度，进而有效提高斜撑式离合器的使用寿命；
I、有限元模型建立方法如下
根据斜撑式离合器中楔块、内环和外环的结构特征、实际扭转载荷和楔紧状态进行有限元网格划分，在进行所述有限元网格划分时应将楔块的有限元网格大小控制在1 5微米范围之内，将内环和外环的有限元网格大小控制在0. 1 5毫米范围之内，在所述有限元网格划分后即可建立针对楔块、内环和外环的有限元模型；
上述有限元模型建立的其它设定条件如下
①设定外环的位移量为0，这样可以确保有限元模型建立是处于刚性支撑状态；
②设定内环施加的是逆时针方向的力矩载荷，所述力矩载荷的大小与实际工作中斜撑式离合器所传递的最大扭矩相等；
③设定楔块外接触面的曲率半径队、楔块内接触面的曲率半径&、楔块外接触面的凸度Cl1、楔块内接触面的凸度d2和楔块悬臂梁的倒角半径r为某一特定值，这一特定值是指楔块的原始几何形状参数值，或是楔块的设计值；
II、有限元模型修正方法如下
利用ANSYS软件中自带的求解模块对有限元模型中的楔块外接触面和内接触面进行应力分析计算，所述求解模块可以得出楔块外接触面和内接触面的应力集中处并得到精确的应力极值
i、若楔块外接触面和内接触面的接触应力极值均不超过楔块的许用接触应力 3040Mpa时，则建立的有限元模型是正确的，并不需对其作出修正，即不需改变有限元模型建立的设定条件；
、若楔块外接触面和内接触面的其中一个或是两个接触应力极值超过楔块的许用接触应力3040Mpa时，或对楔块外接触面的曲率半径R1、或对楔块内接触面的曲率半径&、或对楔块外接触面的凸度Cl1、或对楔块内接触面的凸度d2、或对楔块悬臂梁的倒角半径r的某一特定值作出修正，修正方式如下
①如果上述所述求解模块反映出楔块内接触面或是外接触面出现接触应力过大现象， 或是修正楔块外接触面的曲率半径队，或是修正楔块内接触面的曲率半径&，或是修正楔块外接触面的凸度Cl1，或是修正楔块内接触面的凸度d2 ；
②如果上述求解模块反映出楔块其余部分出现接触应力极值过大现象，除按上述①修正队、&、Cl1或d2外，还需要修正楔块的悬臂梁倒角半径r ；
上述礼、R2, Cl1, d2或r的修正量可以依据所述特定值来修正，所述修正量能够有效降低上述求解模块反映出的接触应力极值，所述修正量按以下公式进行R1或&的修正量=R1或&的特定值+[ R1或&的特定值/50] Cl1或d2的修正量=Cl1或d2的特定值+0. 005毫米 r的修正量=r的特定值+[ r的特定值/10]
将上述修正量作为新特定值并按所述I的方法重新建立有限元模型，通过所述II的方法来重新修正，若满足所述i则不需对重新建立的有限元模型作出修正并依据新特定值作为最终设定条件；若不满足所述i则需按所述ii来对新特定值再次进行修正，依此类推直到满足所述i为止。由于采用如上所述技术方案，本发明具有如下优越性
1、本发明针对斜撑式离合器中楔块的楔紧状态并通过有限元模拟分析方法建立了有限元模型，虽然有限元模型也包含了内环和外环，但内环和外环的结构特征是一定的，故有限元模型侧重楔块的的接触应力极值，可以优化斜撑式离合器中楔块的外接触面和内接触面应力分布状态，为楔块几何形状参数的修正提供理论依据。2、通过有限元模拟模型建立不仅可以详细分析出楔块表面的应力分布状况，而且大大节约了分析成本。3、本发明所有限元模型的建立，能够准确寻找出楔块外接触面和内接触面的最大应力集中处，对楔块外接触面和内接触面的几何形状参数设计提供了修正依据。4、通过有限元模拟修正方法可以减少楔块实际试验的次数，节约实际试验成本。
图1是斜撑式离合器的结构示意图； 图2是楔块的主视图3是楔块的左视上述图中1-内环；2-楔块；3-外环；4-内保持架；5-外保持架；6-螺旋弹簧；7-楔块的外接触面；8-楔块的内接触面；9-楔块的悬臂梁倒角半径r。
具体实施例方式为更清楚的理解本发明，以下结合附图及实施例对本发明进行作进一步的详细描述。如某型号传动系统用斜撑式离合器，其实际扭转载荷为1500N.m，离合器中采用腰形楔块，在楔块2两侧设计凹槽以安装螺旋弹簧6。图2和图3是楔块2的结构示意图。 在使用过程中多次出现楔块2局部断裂而导致斜撑式离合器失效。楔块2的结构刚度通过几何形状参数体现为楔块外接触面7的曲率半径礼=6毫米、楔块内接触面8的曲率半径 R2=4. 72毫米、楔块外接触面7的凸度Cl1=O. 005毫米、楔块内接触面8的凸度d2=0. 005毫米、楔块悬臂梁的倒角9的半径r=l. 2毫米。根据上述斜撑式离合器结构特征及实际扭转载荷进行有限元网格划分，在进行有限元网格划分时将楔块2的有限元网格大小设为0. 005毫米，将内环1和外环3的有限元网格大小设为0. 5毫米，楔块网格设定较密可以详细分析出楔块2表面的应力分布状况，而内环、外环有限元网格划分较粗则大大节约了在内环1、外环3上的计算时间和计算成本。在所述有限元网格划分后即可建立针对楔块2、内环1和外环3的有限元模型。上述有限元模型建立的其它设定条件如下
①设定外环3的位移量为0，这样可以确保有限元模型建立是处于刚性支撑状态。②设定内环1施加的是逆时针方向1500N.m的力矩载荷，以保证与实际工作中斜撑式离合器所传递的最大扭矩相等。③设定楔块2外接触面的曲率半径礼=6毫米、内接触面8的曲率半径72毫米、外接触面7的凸度Cl1=O. 005毫米、内接触面8的凸度d2=0. 005毫米和楔块悬臂梁的倒角9的半径r=l. 2毫米，所述各值即为楔块2的特定值或称为设计值。利用ANSYS软件中自带的求解模块对有限元模型中的楔块外接触面7和内接触面8进行应力分析计算，所述求解模块可以准确找到楔块外接触面7、内接触面8及楔块其余部分的应力集中处并得到精确的应力极值。对计算结果进行分析后发现，共有3处出现应力集中，分别是楔块的外接触面7、内接触面8及悬臂梁倒角部分9。其中外接触面7 的应力极值为3240Mpa，内接触面8的应力极值为3325MPa ；悬臂梁倒角9处的应力极值为 3753MPa0将计算所得楔块外接触面7和内接触面8的接触应力极值与楔块的许用接触应力 3040Mpa进行比较发现，各数值均大于许用接触应力值，即不满足楔块外接触面和内接触面的接触应力极值均不超过楔块的许用接触应力3040Mpa时，则建立的有限元模型是正确的，并不需对其作出修正，即不需改变有限元模型建立的设定条件。因此需要对有限元模型中楔块外接触面7的曲率半径R1、楔块内接触面8的曲率半径&、楔块外接触面7的凸度 Cl1、楔块内接触面8的凸度d2和楔块悬臂梁的倒角9的半径r的值作出修正，具体修正方式如下
①由于上述求解模块反映出楔块内接触面8和外接触面7均出现接触应力过大的现象，则必须按照发明内容中所述的修正公式对楔块外接触面7的曲率半径R1、楔块内接触面 8的曲率半径&、楔块外接触面7的凸度Cl1、楔块内接触面8的凸度d2进行修正，具体修正结果如下
R1的修正量=R1的特定值+[ R1的特定值/50] =6+6/50=6. 12毫米； R2的修正量=R2的特定值+[ R2的特定值/50]=4. 72+4. 72/50=4. 81毫米; Cl1 的修正量=Cl1 的特定值 +0. 005=0. 005+0. 005=0. 010 毫米； d2的修正量=d2的特定值+0. 005=0. 005+0. 005=0. 010毫米；
②因为计算结果反映出楔块上不仅内接触面8、外接触面7存在接触应力过大现象，而且在悬臂梁倒角9处也出现应力过大，且应力极值更大于内接触面8、外接触面7的应力极值，所以除了修正上述参数外，还需要修正悬臂梁倒角9的半径r的值。r的修正量=r的特定值+[ r的特定值/10] =1. 2+1. 2/10=1. 32毫米；
将上述礼、&、(！ρ d2、r的修正量作为新特定值并按根据斜撑式离合器中楔块、内环和外环的结构特征、实际扭转载荷和楔紧状态进行有限元网格划分，在进行所述有限元网格划分时应将楔块的有限元网格大小控制在1 5微米范围之内，将内环和外环的有限元网格大小控制在0. 1 5毫米范围之内，在所述有限元网格划分后即可建立针对楔块、内环和外环的有限元模型的方法重新建立有限元模型，通过上述方法来重新修正，经再次计算后发现，内接触面8接触应力减小为^85MPa，外接触面7接触应力减小为2772MPa，悬臂梁倒角9应力极值则减小为^48MPa，均小于许用接触应力值3040MPa。因此上述修正结果即为最终优化结果。若上述优化结果仍不满足所述楔块外接触面和内接触面的接触应力极值均不超过楔块的许用接触应力3040Mpa时，则建立的有限元模型是正确的，并不需对其作出修正， 即不需改变有限元模型建立的设定条件，则需按上述步骤对新特定值进行再次修正，依此类推直到楔块2各部分应力极值均满足要求为止。本发明斜撑式离合器楔块表面应力有限元模型建立的基础是楔块处于实际扭转载荷和楔紧状态下，在忽略内保持架、外保持架和弹簧对楔块的相互作用下对楔块、内环和外环进行有限元网格划分，进而建立楔块、内环和外环的有限元模型，然后通过ANSYS软件对有限元模型中的楔块应力极值作出判断，若满足说明有限元模型建立合理，若不满足说明需要根据修正量公式对楔块的几何形状参数即特定值(设计值)进行修正，直至楔块的修正量满足有限元模型为止，最终的楔块修正量替代楔块的特定值，修正的结果提高了楔块应力集中区域的结构刚度，能够满足实际扭转载荷的要求，进而有效提高斜撑式离合器的使用寿命，节约实际试验成本。
权利要求
1. 一种斜撑式离合器楔块表面应力的有限元模型建立及修正方法，该有限元模型建立及修正方法将楔块与外环接触的面称为外接触面，将楔块与内环接触的面称为内接触面， 楔块的结构刚度通过几何形状参数体现为楔块外接触面的曲率半径R1、楔块内接触面的曲率半径&、楔块外接触面的凸度Cl1、楔块内接触面的凸度d2和楔块悬臂梁的倒角半径r ；其特征是斜撑式离合器楔块表面应力有限元模型建立的基础是楔块处于实际扭转载荷和楔紧状态下，在忽略内保持架、外保持架和弹簧对楔块的相互作用而对楔块、内环和外环进行有限元网格划分，进而建立楔块、内环和外环的有限元模型，再根据所建立的有限元模型来对楔块的几何形状参数进行修正，修正的结果提高了楔块应力集中区域的结构刚度，进而有效提高斜撑式离合器的使用寿命；I、有限元模型建立方法如下根据斜撑式离合器中楔块、内环和外环的结构特征、实际扭转载荷和楔紧状态进行有限元网格划分，在进行所述有限元网格划分时应将楔块的有限元网格大小控制在1 5微米范围之内，将内环和外环的有限元网格大小控制在0. 1 5毫米范围之内，在所述有限元网格划分后即可建立针对楔块、内环和外环的有限元模型；上述有限元模型建立的其它设定条件如下①设定外环的位移量为0，这样可以确保有限元模型建立是处于刚性支撑状态；②设定内环施加的是逆时针方向的力矩载荷，所述力矩载荷的大小与实际工作中斜撑式离合器所传递的最大扭矩相等；③设定楔块外接触面的曲率半径队、楔块内接触面的曲率半径&、楔块外接触面的凸度Cl1、楔块内接触面的凸度d2和楔块悬臂梁的倒角半径r为某一特定值，这一特定值是指楔块的原始几何形状参数值，或是楔块的设计值；II、有限元模型修正方法如下利用ANSYS软件中自带的求解模块对有限元模型中的楔块外接触面和内接触面进行应力分析计算，所述求解模块可以得出楔块外接触面和内接触面的应力集中处并得到精确的应力极值i、若楔块外接触面和内接触面的接触应力极值均不超过楔块的许用接触应力 3040Mpa时，则建立的有限元模型是正确的，并不需对其作出修正，即不需改变有限元模型建立的设定条件；ii、若楔块外接触面和内接触面的其中一个或是两个接触应力极值超过楔块的许用接触应力3040Mpa时，或对楔块外接触面的曲率半径R1、或对楔块内接触面的曲率半径&、或对楔块外接触面的凸度Cl1、或对楔块内接触面的凸度d2、或对楔块悬臂梁的倒角半径r的某一特定值作出修正，修正方式如下①如果上述所述求解模块反映出楔块内接触面或是外接触面出现接触应力过大现象， 或是修正楔块外接触面的曲率半径队，或是修正楔块内接触面的曲率半径&，或是修正楔块外接触面的凸度Cl1，或是修正楔块内接触面的凸度d2 ；②如果上述求解模块反映出楔块其余部分出现接触应力极值过大现象，除按上述①修正队、&、Cl1或d2外，还需要修正楔块的悬臂梁倒角半径r ；上述礼、R2, Cl1, d2或r的修正量可以依据所述特定值来修正，所述修正量能够有效降低上述求解模块反映出的接触应力极值，所述修正量按以下公式进行 R1或&的修正量=R1或&的特定值+[ R1或&的特定值/50] Cl1或d2的修正量=Cl1或d2的特定值+0. 005毫米 r的修正量=r的特定值+[ r的特定值/10]将上述修正量作为新特定值并按所述I的方法重新建立有限元模型，通过所述II的方法来重新修正，若满足所述i则不需对重新建立的有限元模型作出修正并依据新特定值作为最终设定条件；若不满足所述i则需按所述ii来对新特定值再次进行修正，依此类推直到满足所述i为止。
全文摘要
一种斜撑式离合器楔块表面应力的有限元模型建立及修正方法，其中有限元模型建立的基础是楔块处于实际扭转载荷和楔紧状态下，在忽略内、外保持架和弹簧对楔块的相互作用下对楔块、内环和外环进行有限元网格划分，进而建立楔块、内环和外环的有限元模型，然后通过ANSYS软件对有限元模型中的楔块应力极值作出判断，若满足说明有限元模型建立合理，若不满足说明需要根据修正量公式对楔块的几何形状参数即特定值(设计值)进行修正，直至楔块的修正量满足有限元模型为止，最终的楔块修正量替代楔块的特定值，修正的结果提高了楔块应力集中区域的结构刚度，能够满足实际扭转载荷的要求，进而有效提高斜撑式离合器的使用寿命，节约实际试验成本。
文档编号G06F17/50GK102184273SQ20111004022
公开日2011年9月14日 申请日期2011年2月18日 优先权日2011年2月18日
发明者孙立明, 徐浩, 杨孟祥, 马新忠 申请人:洛阳轴研科技股份有限公司