【正文】 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 1 摘 要 根據(jù) 上海 交運(yùn) 汽車 動(dòng)力 系統(tǒng) 有限公司所開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品 — 離合器齒轂 ，本文首先介紹了離合器齒轂的功用與結(jié)構(gòu)； 結(jié)合 有限元法 理論基礎(chǔ) ， 簡(jiǎn)述了有限元模型的構(gòu)建原則和網(wǎng)格 生成原則 ， 總結(jié)了 有限元分析的誤差影響因素； 利用 CAD 軟件 Unigraphics 建 立 離合器齒轂 三維幾何模型 ； 其次 應(yīng)用 CAE 前處理 軟件 ANSA 對(duì)幾何模型進(jìn)行幾何清理，劃分高質(zhì)量網(wǎng)格； 最后 通過(guò) INDEED、 ABAQUS 兩大 著名 有限元軟件 求解器，基于其不同的計(jì)算優(yōu)勢(shì)制定相應(yīng)的計(jì)算方案 ； INDEED 通過(guò)建立外花鍵軸，模擬離合器齒轂中央的內(nèi)花鍵與外花鍵 相 聯(lián)結(jié)的工況，將扭矩真實(shí)地施加到內(nèi)花鍵上，得到數(shù)值仿真的計(jì)算結(jié)果； 而 ABAQUS 則固定離合器齒轂 花鍵槽 ，通過(guò)加載于齒轂內(nèi)花鍵的工作面上，等效外花鍵軸對(duì)齒轂施加扭矩的情況 ； 兩大有限元軟件 分別 對(duì)離合器齒轂進(jìn)行 了 結(jié)構(gòu)有限元分析， 同時(shí) 確保了計(jì)算結(jié)果的 一致性； 本文 根據(jù) 有限元分析數(shù)據(jù)結(jié)果，得出研究對(duì)象的應(yīng)力與變形趨勢(shì)的結(jié)論 ，并且 就其強(qiáng)度薄弱處， 提出了加強(qiáng)離合器齒轂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的 改進(jìn)方法。 關(guān)鍵詞： 齒轂 ， 漸開(kāi)線花鍵 ， 網(wǎng)格生成 ， 有限元分析 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 2 strength design analysis of UG clutch hub plate ABSTRACT According to the new product developed by Shanghai Jiaoyun Automotive Power System Co., Ltd, the clutch hub plate is firstly introduced about its function and structure. Combining with the theory of finite element method, the paper gives a sketch of the constructive principal of finite element model as well as the principal of gridding, and sum up the factors leading to errors by finite element analysis. The geometrical model of clutch hub plate is established by means of CAD software—Unigraphics, then the paper adopts CAE preliminary treatment software—ANSA to clean the geometrical model, and create high quality grids. After that, two numerical procedures are formulated based on respective advantages of wellknown finite element solver—INDEED and ABAQUS. A external splines shaft is needed built in INDEED in order to simulate the real working condition when the internal splines link with external splines. It es to the result through exerting torque to internal splines. On the other hand, the spline slot is fixed firstly in ABAQUS, then to load on the working face of the internal splines, which is equivalent to the condition of exerting torque. In addition, the two solvers guarantee the results consistency. The paper finally arrives at the conclusion 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 3 on the stress and deforming tendency of hub plate in the light of finite element analysis results. Moreover, the improved plan to strengthen the hub plate is presented in this paper based on strength vulnerable area. Key Word: hub plate, involute spline, gridding， finite element analysis 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 4 UG 離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 劉歆瑜 062103240 0 引言 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的 進(jìn)步 而發(fā)展起來(lái)的有限元法，是一種分析計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)極為有效的數(shù)值計(jì)算方法。先將連續(xù)的分析對(duì)象劃分為有限個(gè)單元組成的離散組合體，運(yùn)用力學(xué)知識(shí)分析每個(gè)單 元的力學(xué)特性，再組集各個(gè)單元特性，形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)的控制方程組。 通過(guò)計(jì)算，得到整體結(jié)構(gòu)的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等結(jié) 果。有限元法的整個(gè)計(jì)算過(guò)程十分規(guī)范，主要步驟都可以通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成，是一種十分有效的分析方法。 有限元法能夠很好地模擬零部件的實(shí)際形狀、結(jié)構(gòu)、受力和約束，因此，其計(jì)算結(jié)果更精確，也更接近實(shí)際，可以作為設(shè)計(jì)、改進(jìn)零部件的依據(jù)。同時(shí)，可以利用有限元分析的結(jié)果進(jìn)行多方案的比較，有利于設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和產(chǎn) 品 的改進(jìn)。有限元法解決了過(guò)去對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu) 進(jìn)行 精確計(jì)算的困難，改變了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，因而逐步得到了應(yīng)用。 把有限元法運(yùn)用在汽車設(shè)計(jì)中，對(duì)企業(yè)提高產(chǎn) 品 質(zhì)量、縮短開(kāi)發(fā)周期、降低成 本 具有積極的作用。 通過(guò)詳細(xì)的有限元分析，可 以仿真與校驗(yàn)產(chǎn) 品在使用中的情況，以求把 問(wèn)題盡 早體現(xiàn)出來(lái)，避免在制造及使用中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題而 造成 大返 工 ，確保產(chǎn) 品的 性能、質(zhì)量、可靠性、耐久性和維修性。這樣，可以在較短的時(shí)間內(nèi)，以 較 少的投資獲得高質(zhì)量的產(chǎn) 品。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 5 1 離合器齒轂的功用與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 換檔 離合器 的結(jié)構(gòu)和工作原理 [1] 離合器齒轂通常 是 存在于 自動(dòng)變速器操縱系統(tǒng)執(zhí)行裝置中換 檔 離合器的一個(gè)傳遞動(dòng)力的部件。 自動(dòng)變速器操縱系統(tǒng)是指汽車前進(jìn)行駛過(guò)程中，駕駛員安行駛需要控制加速踏板，變速器即可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和汽車速度的變化，自動(dòng)地?fù)Q入不同檔位工作。自動(dòng)變速器地液 壓操縱系統(tǒng)由供油系統(tǒng)、執(zhí)行裝置、控制裝置和換 檔 品質(zhì)控制裝置等四部分組成。 其中，執(zhí)行裝置包括換 檔 離合器、換 檔 制動(dòng)器、和單向離合器等。控制機(jī)構(gòu) 根據(jù) 汽車不同地行駛條件，分別在上述各液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)中建立或卸除油壓，從而得到變速器的不同工作檔位。 圖 CA7560型轎車自動(dòng)變速器所采用的直接檔離合器。因其位于變速器內(nèi)部，徑向尺寸收到嚴(yán)格限制，而傳遞的扭矩又很大，故做成多片式的。主動(dòng)件 10 和從動(dòng)件 9 各有 6 片鋼片。在主動(dòng)片 10 的兩面燒結(jié)有銅基粉末冶金的摩擦材料，與從動(dòng)鋼片組成鋼－粉末冶金摩擦副。近年 來(lái)，國(guó)外有以紙質(zhì)浸樹(shù)脂的材料取代銅基粉末冶金材料的趨勢(shì)，因?yàn)榍罢叩膭?dòng)摩擦系數(shù)大于靜摩擦系數(shù)。為保證其柔和接合和散熱，離合器的摩擦片都浸在液油中工作，因而稱為濕式離合器。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 6 1低檔制動(dòng)鼓； 2前排太陽(yáng)輪； 3離合器花鍵轂； 4卡環(huán)； 5彈簧支承蓋； 6彈簧； 7安全閥； 8環(huán)形活塞； 9從動(dòng)片； 10主動(dòng)片 圖 直接檔離合器 離合器以花鍵轂 3 的內(nèi)花鍵與變速器第一軸連接。環(huán)形主動(dòng)片 10 以內(nèi)花鍵與花鍵轂 3 的外花鍵連接，并可軸向移動(dòng)。從動(dòng)片 9 的外邊緣有八個(gè)漸開(kāi)線形鍵齒與低檔制動(dòng)鼓 1 內(nèi)相 應(yīng)的鍵槽配合，也可作軸向移動(dòng)。松套在第一軸上的前排太陽(yáng)輪 2 的前端凸緣盤與低檔制動(dòng)鼓也用同樣的方法連接。因而離合器主動(dòng)片 10 與第一軸相連，而從動(dòng)片 9 則與前排太陽(yáng)輪 2 相連。 彈簧 6 的一端抵住活塞 8 的內(nèi)端面，另一端通過(guò)支承盤 5 和卡環(huán) 4上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 7 支承在在低檔制動(dòng)鼓 1 上。當(dāng)壓力油靜油道 A 進(jìn)入活塞左面時(shí)，液壓作用力便克服彈簧力使活塞右移，將所有主動(dòng)片和從動(dòng)片壓緊，即離合器接合。此時(shí)前排太陽(yáng)輪與第一軸連成一體，即掛上直接檔。在油壓撤除后，活塞8 在彈簧 6 作用下回復(fù)原位，離合器分離。于是前排太陽(yáng)輪與第一軸脫離傳動(dòng)關(guān)系。 總之，直 接檔離合器只有在掛直接檔時(shí)才接合，其它情況下均處于分離狀態(tài)。 花鍵聯(lián)結(jié) [3] 在機(jī)械傳動(dòng)的軸、孔聯(lián)結(jié)中，鍵與花鍵聯(lián)結(jié)應(yīng)用最為廣泛，可以說(shuō)，只要有同軸聯(lián)結(jié)的地方就有鍵與花鍵的聯(lián)結(jié)。 鍵聯(lián)結(jié)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、聯(lián)結(jié)可靠、加工容易、裝拆方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在各種機(jī)械傳動(dòng)中被普遍采用。但是，自 18 世紀(jì)歐洲工業(yè)革命以后，隨著機(jī)械傳動(dòng)（尤其是齒輪傳動(dòng)）迅速發(fā)展，其傳動(dòng)功率大幅度提高，鍵聯(lián)結(jié)在很多傳動(dòng)中已不能滿足要求，從而便出現(xiàn)了花鍵聯(lián)結(jié)。 其中 花鍵聯(lián)結(jié)包括矩形花鍵聯(lián)結(jié)和漸開(kāi)線花鍵聯(lián)結(jié)。 從 19 世紀(jì)末至 20 世紀(jì)中葉，矩形 花鍵聯(lián)結(jié)在機(jī)械傳動(dòng)中占有極其重要的位置。隨著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展，大功率發(fā)動(dòng)機(jī)與重載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)，矩形花鍵在強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)型式和性能等方面滿足不了新的要求，于是又出現(xiàn)了漸開(kāi)線花鍵聯(lián)結(jié)。 本 課題 所研究的離合器齒轂 為 漸開(kāi)線花鍵， 故了解矩形花鍵與漸開(kāi)線花鍵的各自特性的區(qū)別是極其必要的前提。 有關(guān)花鍵術(shù)語(yǔ)見(jiàn)附錄 1。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 8 矩形花鍵聯(lián)結(jié)的特點(diǎn)與用途 矩形花鍵聯(lián)結(jié)的主要特點(diǎn)為： (1) 各鍵與軸或齒轂制成一體，強(qiáng)度高、剛度大； (2) 各鍵均布在軸或齒輪上，受力均勻； (3) 鍵齒多，承載能力大； (4) 易獲得 高精度，互換性好； (5) 定心精度高，耐磨性好，尤其在徑向外力作用下，仍可保證定心精度； (6) 導(dǎo)向性好， 適 用于滑動(dòng)聯(lián)結(jié)。 由于矩形花鍵聯(lián)結(jié)的承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鍵聯(lián)結(jié)，同時(shí)也具有定心精度高和導(dǎo)向性好等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，所以它主要應(yīng)用于中等或較大負(fù)荷的機(jī)械傳動(dòng)中。如在汽車、拖拉機(jī)、工程機(jī)械、起重機(jī)械、機(jī)車車輛、艦船、兵器等行業(yè)中應(yīng)用較多，尤其在機(jī)床行業(yè)應(yīng)用最 為 廣泛。 漸開(kāi)線花鍵聯(lián)結(jié)的特點(diǎn)與用途 與矩形花鍵聯(lián)結(jié)相比，漸開(kāi)線花鍵聯(lián)結(jié) 具 有以下的特點(diǎn)： (1) 自動(dòng)定心。漸開(kāi)線花鍵副在鍵齒側(cè)面受力后產(chǎn)生 的徑向分力作用下 ，使內(nèi)、外花鍵的軸線自動(dòng)重合（各鍵齒均受力后，徑向分力的合力為零）。即當(dāng)內(nèi)花鍵（或外花鍵）位置確定后，另一花鍵的位置受力后（對(duì)于過(guò)盈配合的花鍵副 是 裝配后）也就自動(dòng)確定了，這種特性稱為自動(dòng)定心。 (2) 齒面接觸好。由于鍵齒的齒形為漸開(kāi)線，故鍵側(cè)的法向間隙相等，受力后沿全工作齒高接觸，而矩形花鍵受力后，沿齒高是齒頂接觸、齒根上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 9 有間隙，沿工作齒高線接觸。 同時(shí)，漸開(kāi)線花鍵副受力后，由于有自動(dòng)定心特性，可以使多數(shù)鍵齒同時(shí)接觸。矩形花鍵只有少數(shù)齒接觸。 (3) 啟動(dòng)時(shí)承載能力好。對(duì)于漸開(kāi)線花鍵，啟動(dòng)時(shí) 或載荷變向時(shí)，鍵齒是以滑合方式進(jìn)入工作狀態(tài)的，沖擊小、動(dòng)載荷小。同時(shí)，由于自動(dòng)定心特性，花鍵受載后，立即有多數(shù)鍵齒同時(shí)工作。而矩形花鍵啟動(dòng)時(shí)，只有少數(shù)齒工作，甚至?xí)霈F(xiàn)只有一兩個(gè)鍵齒工作的現(xiàn)象。 (4) 強(qiáng)度高，壽命長(zhǎng)。由于漸開(kāi)線花鍵齒面接觸好，工作齒數(shù)多，接觸應(yīng)力?。黄潺X根厚、齒頂薄、齒根圓弧大，應(yīng)力集中小，彎曲強(qiáng)度高；啟動(dòng)時(shí)承載能力好，所以漸開(kāi)線花鍵抗彎曲、耐磨損，承載能力高，壽命長(zhǎng)。 (5) 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。由以上特點(diǎn)可知，對(duì)于傳動(dòng)相同轉(zhuǎn)矩的花鍵聯(lián)結(jié)，漸開(kāi)線花鍵可以設(shè)計(jì)成尺寸小、重量輕、體積小的緊湊 結(jié)構(gòu)。對(duì)航空、航天設(shè)備的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以及轎車、微型汽車變速器等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這個(gè)特點(diǎn)尤為重要。 (6) 易獲得不同的齒側(cè)配合。只要改變漸開(kāi)線花鍵的外花鍵齒厚（不同進(jìn)力深度）即可獲得所需的