【正文】 6) 導向性好， 適 用于滑動聯(lián)結。 同時，漸開線花鍵副受力后，由于有自動定心特性，可以使多數(shù)鍵齒同時接觸。 (5) 結構緊湊，重量輕。對于結構緊湊、大直徑、需要少去材料的花鍵聯(lián)結，可采用多齒數(shù)，小模數(shù)的漸開線花鍵聯(lián)結。由于機床、刀具等精度高，所以加工的花鍵精度也較高。 由上述特點可見，漸開線花鍵聯(lián)結的承載能力比矩形花鍵聯(lián)結高，同時也具有自動定心、結構緊湊、適于盤式聯(lián)結等獨特優(yōu)點，所以它幾乎應用在各種同軸傳動中，尤其適用于高速重載傳動。例如： 在 不具備加工設備、專用刀具和檢測手段的情況下，修配困難；對于滑動構件，摩擦力較大；當有較大徑向外力時，會影響定心精度。 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 15 圖 只承受壓軸力 F而無轉矩 T時的內(nèi)花鍵與外花鍵的位置 圖 只承受壓軸力 F而無轉矩 T時的載荷分配 (4) 受轉矩和壓軸力兩種載荷 對無誤差的漸開線花鍵聯(lián)結，在其承受轉矩 T和壓軸力 F兩種載荷時，內(nèi)、外花鍵的相對位置和各鍵齒所受載荷的大小和方向，決定于所受轉矩T 和壓軸力 F 的大小及兩者的比例。 (1) 采用硬齒面花鍵，齒面硬度應為 50～ 64HRC。 (8) 采用較小的側隙或過盈配合的花鍵副，限制摩擦磨損。在計算機技術和數(shù)值計算方法飛速發(fā)展的今天，這已經(jīng)成為較為現(xiàn)實而又非常有效的選擇。 有限元計算方法的優(yōu)越性 [11] (1) 在固體力學及其他連續(xù)體力學中，只有一些特殊的位移場和應力場才能求得微分方程的解，對 于多數(shù)復雜的實際結構得不到解，而有限元法對于完成這些復雜結構的分析是一種十分有效的方法。所謂離散化簡單的說，就是將分析的結構物分割成有限個單元體，并在單元體的指定點設置節(jié)點，使 相鄰 單元的有關參數(shù)具有一定的連續(xù)性，并構成一個單元的集合體，以它代替原來的結構。 根據(jù)選定的位移模式，就可以導出用節(jié)點位移表示單元內(nèi)任意一點位移的關系式，其矩陣形式是 ： ? ? ? ?? ?efN?? ?? ?????????????????? ??????? () 式中： ??f 為單元內(nèi)任意一點的位移列陣； ??e? 為單元的節(jié)點位移列陣； ??N 稱為形函數(shù)矩陣，它的元素是位置坐標的函數(shù)。 (5) 求解未知結點位移 由集合起來的平衡方程組 ()解出未知位移。計算則是在形成總剛度方程和約束處理后求解大型聯(lián)立方程組、最終得到節(jié)點位 移的過程。 所謂建模就是根據(jù)工程分析精度的要求，建立合適的能模擬實際結構的有限元模型。為建立正確、合理的有限元模型這里介紹劃分網(wǎng)格時應考慮的一些基本 原則： (1) 網(wǎng)格數(shù)量 網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計算結果的精度和計算規(guī)模的大小。網(wǎng)格劃分的不當，可能會引起比較壞的結果，所以網(wǎng)格的選擇一定要根據(jù)力學性能進行合理的剖分。選用 高階單元 可提高計算精度，因為高階單元的曲線或曲面邊界能夠更好地逼近結構的曲線和曲面邊界，且高次插值函數(shù)可更高精度地逼近復雜場函數(shù)，所以當結構形狀不規(guī)則、應力分布或變形很復雜時可以選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 29 高階單元。質量太差的網(wǎng)格甚至會中止計算。以便定義材料特性、物理特性、載荷和位移約束條件。雖然通用有限元軟件的計算功能強大，幫助客戶解決許多工程實際問題， 然而它們的 建模功能都不是很強，尤其是在面對包含復雜空間曲面的產(chǎn)品結構時表現(xiàn)出明顯的不足，同時不利于建立后續(xù)的單元網(wǎng)格劃分模型。 (a) UG 軟件中的幾何模型 (b)導入 ANSYS 軟件 后的 幾何 模型 比較離合器齒轂 在 UG 軟件和 導入 ANSYS 軟件 后的 幾何 模型 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 32 目前數(shù)據(jù)傳遞一般可通過專用數(shù)據(jù)接口， CAE程序可與 CAD程序 “交流 ”后生成與 CAE程序兼容的數(shù)據(jù)格式。圖 為選擇較大誤 差值，導入 CAD 文件后花鍵的 幾何 模型圖片 。圖 主要描述了基于最小誤差等級導入后的離合器齒轂 幾何 模型中出現(xiàn)的間隙情況。修補間隙作為ANSA軟件中一個強大的功能，幫助用戶非常便捷地完成清理工作。 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 39 (a) (b) (c) 刪除“隱性面”后第一類典型間隙處的變化 (a) (b) 第一類典型間隙處的修復 修復第二類典型的間隙 圖 ，顯然它較之第一類情況復雜些許。這是因為 ANSA恢復面后并不承認與相鄰面存在相交關系，紅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 42 線代表此處出現(xiàn)了極其微小的裂縫，只需對該區(qū)域執(zhí)行 TOPO指令進行修補即得到黃色線段。但 在很多情況下，這種 “ 回歸 ” 很難實現(xiàn)，模型的改造只有依靠 CAE 軟件自身。同時，由于這種方法對于三維復雜模型只能生成四面體單元， 計算精度不高。 (4) 混合網(wǎng)格劃分 混合網(wǎng)格劃分即在幾何模型上，根據(jù)各部位的特點，分別采用自由、映射、掃略等多種網(wǎng)格劃分方式，以形成綜合效果盡量好的有限元模型。針對花鍵轂（紅色部分）與圓盤（白色部分）結構上的規(guī)整性，適合采用 映射網(wǎng)格劃分 法與拖拉、掃略網(wǎng)格劃分 法，且為保證良好的網(wǎng)格質 量，故有必要將花鍵節(jié)點的分布投影到各對邊線上（圖 ） 。利用 MAP準則生成面網(wǎng)格（圖） 圓孔與圓盤兩邊線建立連接面 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 49 圖 圓盤的面網(wǎng)格 原始面與掃略線為 拖拉、掃略網(wǎng)格劃分 法中的兩大基本要素。 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 50 圖 掃略線的建立 圖 圓盤體網(wǎng)格 模型花鍵轂（圖 ）的圓角處（圖 ） 是銜接花鍵 筒 與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 51 圓盤的關鍵 部分 ，為保證體單元節(jié)點的連接性，應首先 生成圓角處的體網(wǎng)格。故應以圓角處邊線 作 為界線，將花鍵轂分成上下兩體。生成后的體網(wǎng)格見圖 。 圖 過渡圓角的不規(guī)整 圖 建立過渡圓角與花鍵槽的交面 當兩個交面建立完成以后，要對過渡圓角進行面網(wǎng)格劃分，劃分時仍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 55 然采用 MAP原則，使平面上出現(xiàn)更多的四邊形。 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 57 (a) 未 進行結構簡化 (b) 進行 結構簡化 圖 比較結構簡化前后生成的花鍵槽體網(wǎng)格 但對于映射網(wǎng)格劃分法來說，其選擇的依據(jù)是主從面，與引導面，所以對于模型的簡化，與各個面的網(wǎng)格劃分都是必須的前提。 通過 ANSA 中 EXTREME 的功能分離出具有較差單元質量的體，而從圖 中可見， 91 個較差質量的單元體全部分布在過渡大圓角處。 其中粉色 網(wǎng)格表 示質量不理想的面網(wǎng)格， 紅色 表示預計生成的體網(wǎng)格 中 質量不理想的單元。 ANSA 中的 RECONS 功能是用來幫助提高面網(wǎng)格劃分質量的。 特別是 在重點研究的結構關鍵部位，應保證劃分高質量網(wǎng)格，即使只有個別質量很差的網(wǎng)格也會引起很大的局部誤差。從圖 ，在過渡大圓角的 13951個體單元中，四面體占據(jù)了 70%。在對圓盤的掃略網(wǎng)格劃分中，已經(jīng)建立了過渡大圓角與圓盤的交面，但該交面還未 完成 面網(wǎng)格劃分。 原始面的面網(wǎng)格生成后，為避免體網(wǎng)格錯位的現(xiàn)象，同樣應當選擇生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 53 成圓盤體網(wǎng)格的掃略線，掃略層仍設置為 2，實現(xiàn)下半部花鍵轂的體網(wǎng)格劃分。 圖 花鍵轂圓角處 圖 圓角處體網(wǎng)格 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 52 由于圓角處的存在，花鍵轂無法作為一個整體生成體網(wǎng)格，否則可能會造成體網(wǎng)格的錯位。如圖 ，建立上下兩圓盤間的面，面的法線方向可以任意。但考慮到此圓盤和與之銜接的帶圓孔的圓盤厚度一致，故不必事先單獨進行網(wǎng)格掃略。 離合器齒轂 模型的分解 離合器齒轂模型比較復雜，故選用混合網(wǎng)格劃分法最為適合。 對于三維復雜幾何模型而言，通常的做法 就是 將其切割成一系列四、五或六面體，然后對這些切割好的體進行映射網(wǎng)格劃分。 (2) 忽略整體模型中倒角、圓角、小的臺階及小孔等影響網(wǎng)格質量，且對應力分析影響不大的細節(jié)。在很多情況下，導入CAE 程序的模型可能包含許多設計細節(jié)，如細小的孔、狹窄的槽，甚至是建模過程中形成的小曲面等。刪除后如圖 ，面的界線隨之被刪除，由于無法確定界線的具體位置，故不能 重新 作線建面。理論與實際的結果出現(xiàn)了異同也許是由于 CAD文件導入 ANSA后引起的，故對于理論上存在卻實際上不可見的“隱形面”必須進行修改，否則會影響網(wǎng)格劃分的結果。但考慮到清理模型的工作量，最后決定采用基于最小誤差等級導入后的離合器齒轂 幾何 模型（圖 ） 。在 ANSA 軟件中，通常判斷一個封閉型模型的完整性以所有面面交線為黃線作為標準，而圖中沒有出現(xiàn)紅色或藍色線段，這表示沒有發(fā)生面多余或面丟失的現(xiàn)象，由此看來，花鍵模型被非常完整地導入到了 ANSA 中。 離合器齒轂幾何模型的導入 在 ANSA軟件中，所謂導入前的“拓撲操作”表示 在系統(tǒng)讀入 CAD 數(shù)據(jù)之前，用戶對拓撲顯示（相鄰面的連續(xù)性）和分辨率（幾何實體的顯示）進行設定。 現(xiàn)在 CAD 軟件對表面形態(tài)的表示法已經(jīng)大大超過了 CAE 軟件，因此，在將 CAD 實體模型導入 CAE 軟件的過程中， 可能會出現(xiàn) 模型變形，數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象。 (2) 理論模型有限元離散近似誤差，其中包括低維模型近似、邊界條件近似、載荷條件近似和幾何形狀近似 等引起的誤差，以及幾何方程、物理方程、平衡方程等近似產(chǎn)生的誤差。在重點研究的結構關 鍵部位，應保證劃分高質量網(wǎng)格，即使只有個別質量很差的網(wǎng)格也會引起很大的局部誤差。采用不同階次的單元，即精度要求高的重要部位用高階單元，精度要求低的次要部位用低階單元。采用疏密不同的網(wǎng)格劃分，既可以保持相當?shù)挠嬎憔龋挚墒咕W(wǎng)格數(shù)量減小。 在決定網(wǎng)格數(shù)量時應考慮分析數(shù)據(jù)的類型。 有限元模型在幾何上逼近原結構，即選取的有限元網(wǎng)格應盡可能的與原結構相一致；但事實上的不一致性，導致有限元在模擬實際結構時，幾何上引入了近似。我們在建立有限元數(shù)值仿真模型時，應該首先判斷分析對象屬于哪一類性質的問題 —— 是線性問題還是非線性問題，是靜力問題還是動力問題，小變形問題還是大變形大應變問題等，從而才能正確的選擇相應的分析方案及建模方法。 前處理是對計算對象網(wǎng)格劃分、形成計算模型的過程，包括單元類型的選擇、材料特性的確定，實體建模，節(jié)點單元網(wǎng)格的確定、約束載荷的移置等。 (4) 集合所有單元的平衡方程，建立整個結構的平衡方 程 這個集合過程包括兩方 面 的內(nèi)容；一是各個單元的剛度矩陣，集合成整個物體的整體剛度矩陣；二是將作用于各單元的等效節(jié)點力列陣，集合成總的載荷列陣。 選擇適當?shù)奈灰坪瘮?shù)是有限單元法分析中的關鍵。 (3) 有限元法不僅適應于復雜的幾何形狀和邊界條件，而且能處理各種復雜的材料性質問題。在工程技術領域中，所研究的彈性連續(xù)體在載荷和其它因素下所產(chǎn)生的應力、應變和位移都是變形量的函數(shù)，如果把彈性連續(xù)體看作由無限多個微元體組成，那么這就變成一個具有無限多個自由度的問題了。當對這些復雜問題進行靜、動態(tài)力學性能分析時，往往難以 用解析方法寫出其基本方程，同時也難以確定出它們的邊界條件，更求不出解析值。 (4) 采用較高精度的花鍵（如公差等級為 4 級或 5 級）或提出單項公差（ F?p 、 f? 、 F?? ）要求。 圖 同時承受壓軸力 F和轉矩 T，而壓軸力占優(yōu)勢時的載荷分配 對于有誤差的漸開線花鍵副，在轉矩 T 和壓軸力 F 同時作用下，其載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 17 荷分配見圖 ，偏心狀態(tài) 見圖 。 圖 無載荷有間隙的漸開線花鍵聯(lián)結的理論 位置 (2) 受純轉矩載荷 對 無 誤差的漸開線花鍵聯(lián)結，在其只傳遞轉矩 T 而無壓軸力 F 時，同側的各齒面載轉矩的作用下，彼此接觸、作用側隙相等，內(nèi)外花鍵的兩軸線仍是同軸的，見圖 所有鍵齒傳遞轉矩，承受同樣大小的載荷，見圖。如載重汽車的傳動軸、半軸、變速器各檔傳動