【正文】 型清理工作就是處理間隙問題。 (a)圖中花鍵模型出現紅線與藍線，但分布規(guī)則，易修改，刪除多余的面即可； 從(b)圖中看出 分布在齒轂外殼末端的紅線和藍線從數量上或發(fā)生形式上都與圖 。但如果設定誤差值過小，模型將會產生間隙。 圖 紅線、黃線、藍線在 ANSA中的定義 上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 34 當設定較小的誤差值時，導入 CAD 文件后的離合器齒 轂幾何 模型花鍵部分如圖 所示。本文研究的離合器齒轂最中央的花鍵齒槽寬僅約 1mm，并且是整個模型中至關重要的細節(jié)。 ANSA作為 目前工業(yè)領域中先進且獨立的有限元前處理軟件 之一 ，與眾多大型 CAD軟件、有限元分析及后處理系統(tǒng)兼容，并以高精度傳遞數據。 如圖 中， (a)圖為通過 Unigraphics 軟件建立的幾何模型， (b)圖 為用 ANSYS 軟件導入后的有限元模型， 從 圖中可見模型出現了許多多余的面，這給模型清理及結構簡化增加了一些工作量。 目前 CAD 軟件中流行的實體建模包括基于特征的參數化建模和空間自由曲面混合造型兩種方法 ， Unigraphics 則將特征參數化和空間自由曲面混合造型有機 地 結合起來。 3 離合器齒轂的有限元 分析前處理 隨著計算機技術的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經成為解決復雜的工程分析計算問題的有效途徑，現在從汽車到航天飛機幾乎所有的設計制造都已離不開有限元分析計算 。 上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 30 有限元分析的誤差 形成 [23] 有限元計算模型的精確性與計算過程的每個環(huán)節(jié)的誤差性質和大小有關，這些誤差主要包括： (1) 理論模型本身的誤差，例如克希霍夫假設、幾何變形線性化假設對于薄板彎曲問題的誤差 。 (5) 網格分界面和分界點 結構中的一些特殊界面和特殊點應分為網格邊界或節(jié)點。劃分網格時一般要求網格質量能達到某些指標要求。質量好壞將影響計算精度。因此在精度一定的情況下，用高階單元離散結構時應選擇適當的網格數量，太多的網格并不能明顯 提高計算精度。 圖 粗細不等的網格模型 (3) 單元階 次 許多單元都具有線性二次和三次形式，二次以上形式的單元稱為高階單元。這樣，整個結構便表現出疏密不同的網格劃分形式，而在疏密相交區(qū)域可以使用上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 28 過渡單元。 (2) 網格疏密 網格疏密是指在結構不同部位采用大小 不同的網格，這是為了適應結構上不同應力分布特點 （ 圖 ） 。當網格數量增加到一定程度后，再繼續(xù)增加網格時精度提高甚微，而計算時間卻有大幅度增加，所以應注意增加網格的經濟性。 網格生成原則 劃分網格是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問題較多，需要的工作量較大，所劃分的網格形式對計算精度和計算規(guī)模將產生直接影響。具體的講，有限元模型應滿足：平衡條件，即結構的整體和任一單元在節(jié)點上都必須保持靜力平衡；變形協(xié)調條件，交匯于一點的各元素 在外力作用下，引起元素變形后必須仍保持交匯于一個節(jié)點，協(xié)調元元素也應在邊界上滿足相應的位移協(xié)調條上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 26 件；邊界條件和材料的本構關系；剛度等價原則及幾何逼近真實結構等。靜力分析可分為線性靜力分析和非線性靜力分析。 圖 有限元模型的建立及仿真分析過程 上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 25 有限元 離散 模型的建立及網格生成原則 [21,24] 問題性質的判斷及建模原則 常用的工程問題分析方法包括對產品結構的 靜力分析、接觸分析、傳熱及熱應力分析、模態(tài)及響應分析、疲勞分析等方面。 有限元軟件都提供了一種以上的網格劃分方法，以供使用者根據計算要求進行選擇，從軟件的角度看，這是分析中最重要的環(huán)節(jié)。 從有限元軟件的角度來講，有限元法可 分為 :前處理 — 計算 — 后處理。于是得到以整體剛度矩陣 ??K 、載荷列陣 ??F 以及整個物體的結點位移列陣 ???表示的整個結構的平衡方程 ： ? ? ? ?? ?FK?? ? ?? ????????????????????????? () 這些方程還應考慮幾何邊界條件作適當的修改之后，才能夠解出所有的未知結點位移。 3) 利用 變分原理 ，建立作用于單元上的節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關系 式，即單元的平衡方程： ? ? ? ? ? ?e e eFK?? ?? ???????????????????????? () 式中： ? ?eK 稱為單元剛度矩陣；可導出 ? ? ? ? ? ?? ?TeK B D B d x d y d z? ??? ；上式的積分應普及整個單元的體積；利用變分原理同時導得等效節(jié)點力??eF ；在以上三式中導出單元剛度矩陣是單元特性分析的核心內容。單元的自由度是指單元節(jié)點獨立位移的個數。此時，為了能用節(jié)點位移表示單元體內的位移、應變和應力，在分析連續(xù)體問題時，必須對單元中位移的分布做出一定的假設，也就是假定位移是坐標的某種簡單函數，這種函數稱為位移模式或插值函數。 [7,19,23] 概括起來可以分為以下六個步驟： (1) 結構的離散化 結構的離散化是有限單元法分析的第一步，它是有限單元法的 基本 概念。這對編制通用的有限元程序帶來了莫大的簡化。在同一有限元計算模型中，盡量避免出現剛度過分懸殊的單元，包括剛度很大的邊界元、相鄰單元相差很大等；同時采用較密的網格劃分和較好的單元形態(tài)進行計算，從而減小離散帶來的誤差。這樣，只要對構成分析對象的節(jié)點位移求解，就可以求得單元的變形和應力，而不必對彈性體的無限域求解。另一種方法是盡可能保留問題的各種實際工況，尋求近似的數值解。 2 有限元分析基礎 有限單元法簡介 [7] 在工程技術領域中有許多的復雜結構，包括復雜的幾何形狀、復雜的載荷作用和復雜的支承約束等。 (7) 鍵齒表面采用磨削加工，提高表面粗糙度質量和花鍵精度。一是用流動的潤滑油帶走摩擦產生的熱量；二是沖走磨下的金屬末，防止產生或減小磨料磨損；同時上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 19 也有減小摩擦力的潤滑作用。以下是針對花鍵失效原因，通過生產和使用實踐總結出的提高花鍵承載能力的有效措施。在這種情況下，花鍵副也容易磨損。此時，花鍵副容易磨損。鍵齒兩側間隙 相等， 均為 作用側隙值 Cv 之半，見 圖。 盡管漸開線花鍵聯(lián) 結 在眾多方面都優(yōu)于矩形花鍵，但是它也存在一些不足之處。 (2) 2～ 4mm 的中模數花鍵，主要用于結構緊湊、傳遞較大的載荷和高速重載的傳動機構上。 3) 漸開線拉刀齒頂尖、齒根厚、強度高、剛性好、可制成 較 大的前角、后 角、刀刃鋒利、壽命長。精確的測量和檢驗，可以保證花鍵的互換性要求。采用的滾齒刀齒形為直線，插齒刀或拉刀齒形為漸開線，容易獲得高精度。如：行星傳動機構的傳動軸與盤，固定齒圈與安裝盤等聯(lián)結。由于漸開線花鍵的設計和加工不受齒數限制，其 強 度主要 與 分度圓直徑有關，與模數大小關系不大（花鍵長度相同、精度相同時）。 (6) 易獲得不同的齒側配合。由于漸開線花鍵齒面接觸好，工作齒數多，接觸應力??；其齒根厚、齒頂薄、齒根圓弧大，應力集中小，彎曲強度高；啟動時承載能力好，所以漸開線花鍵抗彎曲、耐磨損，承載能力高，壽命長。對于漸開線花鍵，啟動時 或載荷變向時，鍵齒是以滑合方式進入工作狀態(tài)的，沖擊小、動載荷小。由于鍵齒的齒形為漸開線，故鍵側的法向間隙相等，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、齒根上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 9 有間隙，沿工作齒高線接觸。 漸開線花鍵聯(lián)結的特點與用途 與矩形花鍵聯(lián)結相比，漸開線花鍵聯(lián)結 具 有以下的特點： (1) 自動定心。 有關花鍵術語見附錄 1。 其中 花鍵聯(lián)結包括矩形花鍵聯(lián)結和漸開線花鍵聯(lián)結。 總之，直 接檔離合器只有在掛直接檔時才接合，其它情況下均處于分離狀態(tài)。當壓力油靜油道 A 進入活塞左面時，液壓作用力便克服彈簧力使活塞右移，將所有主動片和從動片壓緊，即離合器接合。從動片 9 的外邊緣有八個漸開線形鍵齒與低檔制動鼓 1 內相 應的鍵槽配合，也可作軸向移動。近年 來，國外有以紙質浸樹脂的材料取代銅基粉末冶金材料的趨勢，因為前者的動摩擦系數大于靜摩擦系數。 圖 CA7560型轎車自動變速器所采用的直接檔離合器。 自動變速器操縱系統(tǒng)是指汽車前進行駛過程中，駕駛員安行駛需要控制加速踏板，變速器即可根據發(fā)動機負荷和汽車速度的變化，自動地換入不同檔位工作。 把有限元法運用在汽車設計中，對企業(yè)提高產 品 質量、縮短開發(fā)周期、降低成 本 具有積極的作用。有限元法的整個計算過程十分規(guī)范，主要步驟都可以通過計算機來完成，是一種十分有效的分析方法。上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 1 摘 要 根據 上海 交運 汽車 動力 系統(tǒng) 有限公司所開發(fā)的新產品 — 離合器齒轂 ，本文首先介紹了離合器齒轂的功用與結構； 結合 有限元法 理論基礎 ， 簡述了有限元模型的構建原則和網格 生成原則 ， 總結了 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 應用 CAE 前處理 軟件 ANSA 對幾何模型進行幾何清理，劃分高質量網格； 最后 通過 INDEED、 ABAQUS 兩大 著名 有限元軟件 求解器，基于其不同的計算優(yōu)勢制定相應的計算方案 ； INDEED 通過建立外花鍵軸，模擬離合器齒轂中央的內花鍵與外花鍵 相 聯(lián)結的工況，將扭矩真實地施加到內花鍵上，得到數值仿真的計算結果； 而 ABAQUS 則固定離合器齒轂 花鍵槽 ，通過加載于齒轂內花鍵的工作面上，等效外花鍵軸對齒轂施加扭矩的情況 ； 兩大有限元軟件 分別 對離合器齒轂進行 了 結構有限元分析， 同時 確保了計算結果的 一致性； 本文 根據 有限元分析數據結果，得出研究對象的應力與變形趨勢的結論 ，并且 就其強度薄弱處， 提出了加強離合器齒轂結構強度的 改進方法。 通過計算，得到整體結構的位移場和應力場等結 果。有限元法解決了過去對復雜結構 進行 精確計算的困難，改變了傳統(tǒng)的經驗設計方法，因而逐步得到了應用。 上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 5 1 離合器齒轂的功用與結構簡介 換檔 離合器 的結構和工作原理 [1] 離合器齒轂通常 是 存在于 自動變速器操縱系統(tǒng)執(zhí)行裝置中換 檔 離合器的一個傳遞動力的部件?？刂茩C構 根據 汽車不同地行駛條件，分別在上述各液壓執(zhí)行機構中建立或卸除油壓，從而得到變速器的不同工作檔位。在主動片 10 的兩面燒結有銅基粉末冶金的摩擦材料，與從動鋼片組成鋼－粉末冶金摩擦副。環(huán)形主動片 10 以內花鍵與花鍵轂 3 的外花鍵連接，并可軸向移動。 彈簧 6 的一端抵住活塞 8 的內端面，另一端通過支承盤 5 和卡環(huán) 4上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） UG離合器齒轂 的 強度 設計分析 7 支承在在低檔制動鼓 1 上。于是前排太陽輪與第一軸脫離傳動關系。但是，自 18 世紀歐洲工業(yè)革命以后，隨著機械傳動（尤其是齒輪傳動）迅速發(fā)展，其傳動功率大幅度提高，鍵聯(lián)結在很多傳動中已不能滿足要求，從而便出現了花鍵聯(lián)結。 本 課題 所研究的離合器齒轂 為 漸開線花鍵， 故了解矩形花鍵與漸開線花鍵的各自特性的區(qū)別是極其必要的前提。如在汽車、拖拉機、工程機械、起重機械、機車車輛、艦船、兵器等行業(yè)中應用較多，尤其在機床行業(yè)應用最 為 廣泛。 (2) 齒面接觸好。 (3) 啟動時承載能力好。 (4) 強度高，壽命長。對航空、航天設備的傳動機構，以及轎車、微型汽車變速器等傳動機構，這個特點尤為重要。 (7) 適用于多齒數或大直徑和盤式聯(lián)結。所以，漸開線花鍵聯(lián)結不僅適用于軸與孔的聯(lián)結，還適用與盤式聯(lián)結。漸開線花鍵加工一般采用齒輪加工機床（滾齒機、插齒機、磨齒機等）或專用花鍵磨床，機床精度高。漸開線花鍵的誤差有一定規(guī)律性，有些誤 差項目與齒輪誤差項目相同，加工時容易控制；檢驗時可采用齒輪檢測設備或量具進行質量控制和分析（如齒形誤差 ff? 、齒距累積誤差 pF? 、齒向誤差 F?? ，以及 M 值、 W 值等，均與齒輪檢測方法相同），批量生產采用綜合通規(guī)檢驗。 2) 漸開線花鍵滾刀齒形為直線，制造容易。如內燃機車變速器主傳動軸、工程機械和礦山機械傳動機構等。如轎車和微型汽車的變速器各檔軸、航空發(fā)動機各附件傳動軸、調節(jié)機構和鎖緊機構等。 表 花鍵常見的失效形式 失效形式 主要特征 主要原因 預防措施 鍵齒面 壓潰 鍵齒面及次表面材料出現明顯的金屬流動；在齒頂、齒端出現飛邊；鍵齒面被壓陷；作用側隙增大 花鍵材料硬度偏低；接觸應力過高；單項誤差